Rudolf Mossbauer

صفيحة فولاذية بشبكة خلايا 8×8 تخمد الموجات المرنة في ممرين تردديين في آن واحد. ليس هذا حظًا عشوائيًا، بل نتيجة حساب وفق مخطط جديد: أولًا نمط خشن للتردد المنخفض، ثم ضبط دقيق داخل البكسلات الحرة للتردد العالي. المادة الفونونية هي بنية اصطناعية تتحكم في انتشار الموجات المرنة، كما يتحكم إشارة المرور في تدفق السيارات.

ثلاثون نانومترًا هي المسافة التي لا يزال فيها العدّاء الفونوني غير قادر على التسارع. في الأغشية الرقيقة من نيتريد الألومنيوم، تبقى المقاومة الحرارية شبه ثابتة حتى هذه السماكة: يحدث نقل الحرارة في النظام الباليستي، حيث تطير الفونونات (كمات اهتزازات الشبكة البلورية) دون تصادمات. بعد ذلك يبدأ الانتشار — تصادمات متكررة وزيادة في المقاومة مع السماكة.

في مبرد التخفيف المُبرَّد إلى 170 ملي كلفن، تولد حالة متماسكة للمجال الميكروويفي. هذا ضوء ليزري بأقل قدر من عدم اليقين: سعته وطوره محددان بدقة تسمح بها ميكانيكا الكم. المهمة هي نقل هذه الحالة إلى مبرد آخر يبعد ستة أمتار ونصف، دون إرسال أي فوتون إليه.

في عالم الرقائق الدقيقة، حيث تحمل تدفقات الفوتونات — كمات الضوء — المعلومات، تنشأ مشكلة أساسية: الضوء، عند مروره عبر المادة، يسخّنها حتمًا. هذا التسخين يولّد تقلبات حرارية — هزّات عشوائية وغير متوقعة للذرات تعطل العمل الدقيق للجهاز. تخيل آلة موسيقية عادية: وترًا مشدودًا على إطار رفيع واهن. أي ارتفاع بسيط في درجة الحرارة — فيتشوه الإطار، ويضطرب الوتر، ويصدر الصوت نغمة كاذبة.

الجسم فائق الصلابة هو جليد يتدفق. مثل بركة مغطاة بقشرة، لكن بعمق سائل دون احتكاك. عادةً، تُنشأ هذه القشرة بتغيير خصائص السائل في كامل حجمه. وجد فريق من الباحثين في الهيليوم طريقة أبسط: جعلوا السطح يهتز بموجات خاصة، فاكتسب السائل بنفسه «جلدًا» صلبًا. اتضح أن الاهتزازات لم تكن مجرد تموجات، بل دوامات كمية — روتونات، كشف عن طبيعتها فاينمان.

الطوب بأحجام مختلفة، عند رصّه في جدار واحد، يترك فيه شقوقًا. تقريبًا بنفس الطريقة تتصرف الذرات في السبائك المقاومة للحرارة: عندما يشكل معدنان مختلفان شبكة بلورية مشتركة، وتكون ذراتهما مختلفة قليلًا في الحجم، ينشأ إجهاد داخل المادة. يتراكم هذا الإجهاد ويؤدي في النهاية إلى تدمير السبيكة عند التسخين.

ارمِ حصيات على طول صف متراص من الأعمدة: ترتد وتتناثر في رذاذ كثيف. ارمها بزاوية، فتتشتت. تفعل أشعة غاما في البلورة الشيء نفسه — تخلق سلسلة من الجسيمات تنتشر ما لم تصطف الصفوف الذرية للبلورة تمامًا. اصطفها ضمن سُمك شعرة، فتصبح السلسلة شعاعًا مركزًا. عندها تتفوق بلورة صغيرة على أخرى كبيرة. عُرفت هذه الخدعة المحاذاتية منذ سبعينيات القرن الماضي، لكنها استُبعدت لكونها شديدة الحساسية للتلسكوبات.

الميون (muon) يشبه الإلكترون، لكنه أثقل منه بحوالي 200 مرة. عندما يتوقف داخل قطعة من السيليكون، ينجذب إلى النواة الذرية كما ينجذب المسمار إلى المغناطيس. تكتسب النواة طاقة إضافية وتبدأ في "الغليان": فتنبعث منها جسيمات مختلفة — بروتونات وديوترونات وتريتونات وجسيمات ألفا. يشبه ذلك قدرًا من الماء المغلي تتصاعد منه فقاعات البخار، لكن بدل البخار، تكون الشظايا النووية.

داخل الترانزستور عالي القدرة، تنتقل الحرارة عبر التقاء بلورات مختلفة، مثلما يمر الماء عبر بوابات ضيقة. بالنسبة لنيتريد الألومنيوم ونيتريد الغاليوم — المادتين الرئيسيتين في إلكترونيات القدرة — غالبًا ما تكون هذه البوابة عبارة عن طبقة رقيقة من سبيكتهما. تُضاف هذه الطبقة عمدًا أو تتشكل تلقائيًا أثناء نمو البلورة.

في مسرّع الجسيمات، تندفع الإلكترونات في حلقة بسرعة تقارب سرعة الضوء. عندما يصطدم مثل هذا الإلكترون بفوتون — جسيم ضوء — يرتد الفوتون كما ترتد الكرة عن شاحنة متحركة، وينطلق بطاقة أكبر بكثير. تُسمى هذه الظاهرة تشتت كومبتون وتُستخدم منذ زمن طويل لإنتاج أشعة غاما — وهي أكثر أنواع الضوء طاقة.

بلورة جرمانيوم بحجم قبضة اليد مغموسة في النيتروجين السائل عند درجة حرارة 196 درجة تحت الصفر. عندما يصطدم بها كمّ غاما، تتولد داخل البلورة سحابة من الشحنات. يجب على الكاشف أن يجمع كل شحنة دون أن يفقد واحدة، وإلا لتموجت الصورة. على سطح البلورة يُرشّ غشاء فائق الرقة من الجرمانيوم غير المتبلور، وهو شكل زجاجي من نفس العنصر.

تدخل نبضة ليزر إلى تجويف صغير جدًا مصنوع من بلورة شفافة. داخل التجويف، يرتد الضوء بين المرايا، وأحيانًا ينقسم فوتون واحد إلى زوج: أحدهما يتجه في اتجاه، والآخر في اتجاه آخر. يصبح أحدهما إشارة، بينما يعمل الآخر بمثابة "جرس" يخبرنا بأن الفوتون المفرد جاهز. هذا المصدر لا يُصدر الفوتونات وفق جدول زمني، لكنه يخبرنا بدقة متى ظهر الفوتون المفرد.

الغشاء الرقيق من مركب المنغنيز والبزموت والتيلوريوم يشبه كعكة الطبقات: كل طبقة هي مستوى ذري، والعزوم المغناطيسية داخل الطبقة مصطفة مثل إبر البوصلات. عند درجة حرارة الغرفة، تحافظ هذه الإبر على اصطفافها، لكن يكفي تسخين العينة إلى 45°م فقط حتى يبدأ النظام في التفسخ. العيوب العشوائية في البلورة تعمل كمغناطيسات صغيرة تجذب الإبر المجاورة في اتجاهات مختلفة.

إشارة الميكروويف التي لا تتأثر بالتداخلات ضرورية في الرادار والاتصالات. حتى الآن، كانت الإشارة النقية تُنتج في منشآت ضخمة حيث توضع الليزرات والرنانات على طاولة بصرية. الآن، جمع المهندسون كل شيء في صندوق بحجم كوب — 166 ملليلترًا. في الداخل يوجد ليزران، وتجويف بصري بجودة أعلى من $$10^8$$، وشريحة تحول الضوء إلى موجات ميكروية.

إذا قمت بتسخين أحد طرفي موصل وتركت الطرف الآخر باردًا، تبدأ الإلكترونات بالتدفق من الساخن إلى البارد. عادةً، يولّد هذا جهدًا كهربائيًا على طول الموصل — مثل الماء الذي يتدفق في قناة مائلة. لكن في بعض المواد، تنحرف الإلكترونات جانبًا، وينشأ الجهد الكهربائي بالعرض. هذا يشبه مشعوذًا ينفخ على كرة فتهرب ليس إلى الأمام بل إلى الجانب. هذا الاستجابة الجانبية تُسمى التأثير الكهروحراري العرضي.

ترمس يحتوي زينونًا سائلًا مبرّدًا إلى مئة درجة تحت الصفر. بداخله حساسات حساسة تلتقط إشارات نادرة من جسيمات المادة المظلمة. لإخراج هذه الإشارات إلى الخارج، عادةً ما تُستخدم كابلات نحاسية. لكن على المسار الطويل تضعف الإشارة، وتبدأ الكابلات المتجاورة في "الهمس" لبعضها البعض — وهذا ما يسمى بالتداخل المتبادل. الطريقة الجديدة تعمل كمترجم من لغة الكهرباء إلى لغة الضوء.

يُعرف النظام الثنائي الثقب الأسود SS433 بأن ثقبًا أسود فيه يسلخ المادة عن نجم مجاور. جزء من الغاز يسقط في الثقب، وجزء يُقذف في نفاثين ضيقين يدوران مثل قمة الغزل. تُرى هذه النفاثات في نطاق الراديو والأشعة السينية. مؤخرًا، رصدت تلسكوبات H.E.S.S. وHAWC وLHAASO إشعاع غاما في مكان غير متوقع: ليس عند المصدر نفسه، بل على بعد مائة سنة ضوئية منه.

الحرارة في المواد الرقيقة ذات الطبقات تنتقل بشكل سيء — مثل حشد في ممر ضيق. في بلورة ReS2، تكون الطبقات فوق بعضها البعض، ويمكن للحرارة أن تمر عبرها. قاس العلماء مدى سرعة حدوث ذلك، ووجدوا أمرًا غير متوقع: إذا كانت الطبقات متراصة واحدة فوق الأخرى تمامًا، فإن الحرارة تمر بسرعة تقارب الضعف مقارنة بحالة الانزلاق. الحرارة تنتقل بواسطة اهتزازات الذرات — الفونونات.

الخلية مدينة تعمل فيها محركات صغيرة بلا توقف. فهي تنقل البضائع، وتحرك الأهداب، وتجعل العضلات تنقبض. كل هذا العمل يطلق حرارة، تمامًا كما يسخن محرك السيارة. لكن قياس هذه الحرارة من محرك فردي بحجم بضعة نانومترات ليس بالمهمة السهلة. النمذجة العشوائية تساعدنا على النظر إلى هذا العالم.

قدر ماء يُسخَّن من الأسفل مثال بسيط على الاضطراب (turbulence). السائل الساخن يصعد والبارد يهبط، وينقسم التدفق تلقائيًا إلى خلايا دوّارة تشبه اللفائف الأفقية. في دراسة جديدة، أخذ الفيزيائيون وعاءً عريضًا مستطيلًا (أطول بعشر مرات من ارتفاعه) وتتبعوا عدد هذه اللفائف التي تنشأ. نفس التسخين — واللفائف تارة ثلاث وتارة سبع.

كومة من الصفائح الرقيقة المصنوعة من مواد مختلفة موضوعة على الطاولة. إذا قمنا بتسخينها من الأسفل، ستنتقل الحرارة إلى الأعلى، ولكن هل ستنتشر بنفس السرعة إلى الجوانب؟ في أشباه الموصلات الطبقية، الجواب هو لا: على طول الطبقات، تنتقل الحرارة أسرع منها عبرها. هذا يشبه الماء في كومة من الورق: على طول الأوراق ينتشر بسهولة، ولكن عبر الكومة يتسرب بصعوبة.

السبيكة المعدنية تشبه الكوكتيل: تمزج عدة عناصر فتحصل على مادة بخصائص جديدة. لكن بينما يتذوق الساقي المشروب ليعرف طعمه، يحتاج المهندسون إلى معرفة مسبقة بكيفية تصرف السبيكة أثناء العمل.

تخيل كاشف المادة المظلمة وكأنه غرفة يحاول فيها الباحثون التقاط همسٍ خافت، لكن كل ما حولهم مليء بفرقعة الكهرباء الساكنة. هذا الفرقعة تصنعها ذرات الرادون — وهو غاز مشع يتسرب باستمرار من مواد البناء والهواء.

الحرارة داخل الخلية تشبه حركة المرور في المدينة: في بعض الأماكن تكون الشوارع واسعة والتدفق سريع، وفي أماكن أخرى تكون أزقة ضيقة ويحدث الازدحام. وجد العلماء طريقة لرسم خريطة لمثل هذه «الاختناقات» للحرارة دون فتح الخلية. استخدموا ألماسًا صغيرًا جدًا لدرجة لا تُرى بالعين المجردة، ووضعوه على صفيحة ذهبية رقيقة. يُسخَّن الذهب بشعاع ضوئي، ويبدأ الألماس عند تسخينه بالتوهج بشكل مختلف.

في المادة الصلبة، تتذبذب الذرات ناقلةً الصوت. أحيانًا لا تسير هذه الموجة في خط مستقيم، بل تتجعد في حلزون — كخيطٍ يُلف حول بَكرة. في البلورات العادية، تُعرف هذه "الدوامات الصوتية"، لكن في المواد المغناطيسية ظلت بعيدة المنال طويلًا. الآن، سمح التحليل الطيفي النيوتروني — وهو طريقة يسبر فيها شعاع من النيوترونات حركات الذرات ومغناطيسيتها — بالتقاط هذه الدوامات المراوغة.

عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، تنتقل بعض المواد إلى حالة الموصلية الفائقة: إذ يتدفق التيار الكهربائي دون فقدان للطاقة. الخاصية الأساسية هنا هي درجة الحرارة الحرجة، التي تفوقها تختفي الموصلية الفائقة.

أصبحت الرقائق داخل الهواتف الذكية والحواسيب أكثر كثافة: مليارات الترانزستورات معبأة على قطعة سيليكون بحجم الظفر. وعند عملها، تطلق حرارة كأنها أفران صغيرة. إذا لم تُصرَّف هذه الحرارة، يسخن الشريح ويبدأ في الأعطال أو يتلف. يبحث المهندسون عن مواد يمكن وضعها فوق الدائرة بطبقة رقيقة لتصريف الحرارة دون إعاقة الإشارات الكهربائية.

شعاع ضوئي يرسم نمطًا على بلورة رقيقة، وبناءً على هذا النمط تتدفق الحرارة في الاتجاه المطلوب، مثلما يتدفق الماء في قناة محفورة. هكذا تعمل طريقة جديدة للتحكم في تدفقات الطاقة عبر مسافات تصل إلى عشرات النانومترات — أي أدق بمئات المرات من شعرة الإنسان.

تخيل مشعاعًا في غرفة: يسخن، لكن إذا كان سطحه مغطى بالغبار، فإن الحرارة تتسرب بصعوبة. تقريبًا نفس الشيء يحدث مع كوكبنا. الأرض تستمد الطاقة من الشمس ويجب أن تطلق الفائض مرة أخرى إلى الفضاء، وإلا ترتفع درجة الحرارة. العلماء يسمون قدرة الكوكب على التخلص من الحرارة الزائدة التغذية الراجعة الإشعاعية.

الترانزستور في هاتفك يعمل مثل الصنبور: فُتح — تدفقت الإلكترونات، أُغلق — توقفت. لكن الصنبور المعدني العادي يقطر دائمًا قليلًا: حتى في حالة الإغلاق، يتسرب منه تيار. هذا يهدر طاقة البطارية ويسخّن الشريحة. المعدن البارد هو صنبور بإحكام مثالي. في بنيته الإلكترونية توجد فجوة بجوار المستوى الذي يمكن للإلكترونات أن تتحرك فيه بحرية.

الصوت في الجسم الصلب هو موجات ضغط وتمدد تجري عبر الذرات، مثل تموجات على مرتبة زنبركية. إذا وضعت عوائق بمسافات مناسبة، فإن الموجات عند ترددات معينة لا تستطيع المرور — بل ترتد إلى الخلف. هذا البناء الدوري يُسمى بلورة فونونية، وهو يعمل للصوت كما تعمل المرآة متعددة الطبقات للضوء.

المعدن هو بحر من الإلكترونات تتحرك بحرية تقريبًا، ولا تتصادم إلا نادرًا. لكن في بعض المواد، يصبح هذا البحر فجأة لزجًا وغير قابل للتنبؤ: تتوقف الإلكترونات عن التصرف كجسيمات مستقلة. يسمي الفيزيائيون هذه الحالة «غير فيرمي-سائلة»، وما زالت لغزًا حتى اليوم.

تُسخَّن قطعة من سبيكة الألمنيوم، فتروي بهدوء قصة متانتها. كل المطلوب هو الإنصات إلى هذه الرواية في طريقة امتصاص المعدن للحرارة. الطريقة المعتادة لمعرفة مدى متانة السبيكة هي شدّها حتى التمزق. وهذا يستغرق وقتًا طويلًا ويدمر العينة. أما في الدراسة الجديدة فسلكوا مسارًا مختلفًا: سجّلوا كيف تمتص السبيكة الحرارة أثناء التسخين، ثم سلّموا هذه التسجيلات إلى برنامج حاسوبي.

غشاء رقيق من أكسيد النيكل بسمك يبلغ عشرات النانومترات — مثل ورقة مطوية مئات المرات. في درجة حرارة الغرفة، يوصل الكهرباء، لكن بمجرد تبريده قليلاً يصبح عازلاً. هذا الانتقال من موصل إلى عازل معروف منذ زمن طويل، لكن كيف تتصرف الحرارة خلاله ظل لغزاً.

عادةً، للحصول على موجات تيراهرتز (وهي ضوء يقع بين الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء)، يُبنى هيكل من طبقات معدنية مختلفة. في هذا الهيكل، تعمل إحدى الطبقات كمصدر والأخرى كمستقبل للشحنات. وكان البلاتين في مثل هذه التصاميم يؤدي دور موصل بسيط. لكن اتضح أنه يمكنه العمل بمفرده أيضًا.

سبيكة البالاديوم والتيلوريوم التي أُضيف إليها القليل من الذهب تتصرف كسلك يفقد مقاومته عند التبريد. عند الضغط العادي، بلغت درجة حرارة الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق للعينات الثلاث ذات المحتوى المختلف من الذهب 2.7 و4.1 و4.6 كلفن — وهذا أبرد من المجمد، تقريبًا مثل الفضاء الخارجي. ضغط العلماء هذه العينات في غرفة خاصة، كما لو كانوا يثبتونها في ملزمة، وراقبوا التغيرات.

البزموت معدن تُصنع منه سبائك سهلة الانصهار وإضافات إلى الفولاذ. لكن إذا رُشِّش على ركيزة بطبقة رقيقة جدًا، فإن سلوكه يعتمد على مدى برودة الركيزة. قارن الفيزيائيون طريقتين: الأولى في درجة حرارة الغرفة العادية، والثانية عند درجة حرارة النيتروجين السائل، حوالي −196 درجة مئوية. وكان الفرق ملحوظًا حتى تحت المجهر.

فقاعة الغاز في الماء ليست مجرد كرة صامتة، بل هي رنان صوتي يغني بفضل تأثير يُعرف برنين مينارت. فالسائل الكثيف يكبح الانضغاط السريع للفقاعة، مما يُجبر جدرانها على الاهتزاز بتردد مميز. أما في الهواء، فهذا مستحيل: فكثافة الغاز صغيرة جدًا بحيث لا تخلق المقاومة القصورية اللازمة.

يمكن تصور تدفق الحرارة عبر جسم صلب مثل الماء المتدفق في نظام أنابيب: في بعض المواد يندفع بسرعة، وفي أخرى يتسرب بصعوبة. يبحث المهندسون عن مواد لا تنقل الحرارة تقريبًا — نوع من "الأنابيب المسدودة" على المستوى الذري. هذه العوازل الحرارية ضرورية لتوفير الطاقة والأجهزة التي تحول الطاقة الحرارية إلى كهرباء.

صنبور لا يتدفق منه الماء كتيار، بل قطرة قطرة بدقة — هكذا يمكن وصف مصدر الفوتونات المفردة الذي يتحدث عنه المؤلفون. في الضوء العادي، تطير الفوتونات في جماعات، مثل الماء من صنبور مفتوح. أما بالنسبة للتقنيات الكمومية، فنحن بحاجة إلى فوتونات مفردة — «قطرات» من الضوء يمكن استخدامها ككيوبتات أو كرسل للاتصالات الآمنة.