الأنظمة شديدة الترابط cond-mat.str-el

حشد في ساحة. في البداية، يدور كل شخص على إيقاعه الخاص، ولكن فجأة تتغير الموسيقى — فيبدأ الجميع بالتحرك بشكل متزامن، ككيان واحد. هذا تقريبًا ما تفعله الإلكترونات في بعض المعادن: فهي تارة تلتصق بالشوائب المغناطيسية، وتارة تنفصل عنها لتشكل نظامًا جماعيًا. في الفيزياء، يوصف هذا بنموذج عقدة كوندو: إلكترونات التوصيل (الخرزات) تتفاعل مع العزوم المغناطيسية الموضعية (العُقد).

في عام 1979، اقترح سو و شريفر و هيغر نموذجًا فسّر الخصائص الكهربائية الغريبة للبولي أسيتيلين، وهو بوليمر عضوي يوصل التيار تقريبًا مثل المعدن. كانت سلسلتهم مكونة من ذرات كربون مرتبطة بروابط مفردة ومزدوجة بالتناوب.

حلبة الرقص حيث تتناوب العزوم المغناطيسية وإلكترونات التوصيل في القيادة والاتباع، هذه هي شبكة كوندو في بلورة V5S8. عند الضغط الجوي، يُظهر هذا الكبريتيد الطبقي للفاناديوم انتقالًا مغناطيسيًا مضادًا للحديد عند 32 كلفن: تصطف العزوم في طور متعاكس، وتشكل إلكترونات التوصيل سائل فيرمي مع اعتماد تربيعي للمقاومة على درجة الحرارة.

ممثلان على خشبة واحدة. الأول فرميون، متقلب المزاج وصعب الإرضاء، يصعب إجباره على اللعب وفق قواعد المحاكي الكمومي. والثاني بوزون، هادئ الطباع وقنوع، مستعد لشغل أي مكان. يأمل المخرج ألا يلاحظ الجمهور الاستبدال. وهكذا على الخشبة: محاكاة كمومية لنظرية مقياس، حيث تظهر البوزونات في الدور الرئيسي بدلًا من الفرميونات.

في سلسلة من السبينات الباردة الممتدة على خط واحد، يمكن للنظام والفوضى أن يتشابكا في نمط لا يمكن وصفه بالقواعد المألوفة. حالتان من المادة، و«نظامان» مختلفان، يفصل بينهما تقاطع لا تلتقي عنده الطرق بل تتباعد. هذا التقاطع بالضبط هو ما بناه مؤلفو العمل الجديد، وأظهروا أنه يمكن عبوره دون قفزة، محوّلًا طورًا غريبًا إلى آخر بشكل مستمر. الحديث هنا عن التماثلات غير القابلة للعكس.

في قاعة الحفلات الموسيقية للنظرية الكمومية، ساد انضباط صارم لفترة طويلة: كان يُعتقد أن المؤثرات، تلك العازفة على آلة التعقيد، لا يمكنها النمو إلا بسرعة محددة. فرضية النمو العام للمؤثرات كانت تؤكد أن معاملات لانشوش، وهي الأرقام التي تقيس سرعة نمو المؤثر، لا يمكن أن تنمو أسرع من النمو الخطي. بدت هذه القاعدة ثابتة مثل الإيقاع في سيمفونية كلاسيكية.

في عام 1867، ابتكر جيمس كليرك ماكسويل شيطانًا يفرز جزيئات الغاز وبذلك يخالف القانون الثاني للديناميكا الحرارية. يحتاج الشيطان إلى معرفة سرعات الجسيمات. في العالم الكمومي، توجد مهمة مشابهة: كبح التشابك ومنع نموه الانهياري، لكن مراقبة النظام بأكمله مستحيلة. وتبين أن الشيطان لا يحتاج إلا إلى دفتر ملاحظات ناقص.

عند درجة حرارة 78 كلفن، تتحول بلورة Mn₃Si₂Te₆ إلى ملف حثّي لا يحتاج إلى سلك نحاسي ولا إلى موصل فائق. فالإلكترونات داخلها تنظم نفسها تلقائيًا في دوامات مغلقة باتجاه دوران محدد، وهي التيارات المدارية الحلزونية.

في قلب الموصل الفائق، تندمج الإلكترونات لتكوين أزواج كوبر وتتحرك دون مقاومة. ولكن إذا نشأت دوامة في هذا النظام المثالي — وهي منطقة صغيرة تختفي فيها الموصلية الفائقة — تظهر هناك إثارات خاصة: شبه جسيمات بوغوليوبوف. لفترة طويلة، اعتُبرت مرشحة لتكون فرميونات ماجورانا، وهي جسيمات تعتبر جسيمات مضادة لنفسها.

في العالم الكمومي، عادة ما تدمر الضوضاء السلوك المنظم، كما تطفئ الدفع العشوائية البندول. لكن على معالجات IBM الكمومية، اكتشف الفيزيائيون العكس: فالضوضاء المهيكلة قادرة على إطالة وحتى إنشاء تذبذبات إيقاعية. يشبه ذلك بندولاً يتأرجح بقوة أكبر بفعل دفعات غير منتظمة ولكنها متسقة داخليًا.

في الأسلاك العادية، تتصادم الإلكترونات وتفقد طاقتها وتسخن – وهذه هي المقاومة. أما في الموصلات الفائقة، تتزامن بعض الإلكترونات في أزواج، مثل نجمين يدوران حول بعضهما بتناغم تام دون اصطدام. لكن هذه الأزواج تختبئ: لا يمكن رؤيتها مباشرة، بل نستدل عليها من خلال التناغم المثالي.

اكتشف العلماء أنه على شبكة مثلثية خاصة تشبه سجادة منسوجة بإحكام، تتجمد الجسيمات في مكانها. لا تتصادم مع الجيران، ولا تبدد الطاقة. موجات الاحتمال تلغي بعضها البعض، مثل خيوط متقابلة في النسيج، مثبتةً الجسيمات-العُقد. هذه الحالات «المحبوسة» هي نطاقات طاقية مستوية تمامًا، حيث لا تتفاعل الجسيمات مع البيئة المحيطة. يمكن أن تصبح وحدات ذاكرة لا تشوبها شائبة.

تخيل أرضية فسيفساء لا يتكرر نمطها أبدًا — مثل فسيفساء بنروز الشهيرة. على هذه الأرضية، تؤدي الأسهم المغناطيسية — السبينات الإلكترونية — رقصة فوضوية، مولدة سائلًا مغزليًا كموميًا. هذه حالة من المادة ذات إنتروبيا عالية — مقياس فيزيائي للاضطراب — حيث لا تنتظم العزوم المغناطيسية في ترتيب صارم حتى عند درجات حرارة منخفضة للغاية.

تخيل كومة من الفطائر، حيث تكون كل فطيرة ممغنطة، لكن اتجاهات المغنطة في الفطائر المتجاورة متعاكسة. هذا هو بالضبط تركيب المادة المغناطيسية الجديدة: في كل طبقة ذرية، تكون جميع العزوم المغناطيسية – «الأسهم» الذرية – مصطفة في اتجاه واحد، والطبقة التالية ممغنطة في الاتجاه المعاكس تمامًا. الطبقات نفسها مكونة من ذرات مرتبة في عقد شبكة كاغومي – وهو نمط من المثلثات يشبه السلة المضفورة.

المبدأ الأساسي الذي اكتشفه فولفغانغ باولي — مبدأ استبعاد باولي — ينص على أنه لا يمكن لأي فرميونين (جسيمات ذات لف مغزلي نصفي) أن يتواجدا في نفس الحالة الكمومية.

في بلورة TiSe2، تتصرف الإلكترونات مثل إبر البوصلة التي تبدأ فجأة في الإشارة إلى اتجاه واحد. يُسمى هذا بالحالة النيماتيكية (nematic state) — قياسًا على البلورات السائلة، حيث تصطف الجزيئات على طول اتجاه مشترك، على الرغم من أن المادة نفسها تبقى سائلة. قام الباحثون بقياس كيفية تغير المقاومة الكهربائية للبلورة عند تمددها في اتجاهات مختلفة.

الإبر المغناطيسية الصغيرة داخل بلورة أكسيد التيربيوم والإيريديوم تتصرف بشكل غريب: فبدلاً من أن تستقر على طول محورها المفضل، تقف عرضيًا عليه. هذه الحالة تتشكل بالكامل عند التبريد إلى 1.5 كلفن — وهي درجة حرارة أبرد من الفضاء الخارجي. قام الباحثون بمسح البلورة بالنيوترونات ورأوا كيف تهتز هذه الإبر المقلوبة وتتبادل الطاقة.

راقصون يمسكون بأيدي بعضهم ويتحركون بتناغم تام. في العازل الإكسيتوني، تشكل الإلكترونات والثقوب أزواجًا مرتبطة تتكثف في حالة كمومية موحدة — مثل شريكي رقص لا يخطئان خطوة. لكن ماذا يحدث إذا تعثر أحدهما؟ درس الباحثون بلورة Ta2Pd3Te5، حيث تغيب ذرات تيلوريوم مفردة — وهي فراغات، تشبه حفرًا في حلبة الرقص.

عادةً ما تتصرف الإلكترونات في الموصل مثل الغاز: تندفع بشكل عشوائي، وتتصادم، ولا تحافظ على أي ترتيب. ولكن إذا تم إبعادها عن بعضها البعض وتبريدها بشدة، فإن التنافر المتبادل قد يجعلها تستقر في أماكنها — مثل زوار قاعة مكتظة يجلسون مع ترك كرسي فارغ بينهم. يُسمى هذا الترتيب بالبلورة الإلكترونية، أو بلورة فيغنر.

في عائلة البرونزات التنجستنية، كانت مادة واحدة تُعتبر هادئة. عند التبريد، تعيد نظيراتها ترتيب إلكتروناتها في نمط موجي، أما هي فلا. هكذا كان يُعتقد حتى وقت قريب. الآن اتضح أن إعادة الترتيب تحدث فيها أيضًا. عند درجة حرارة 290 كلفن — وهي أقل بقليل من درجة حرارة الغرفة — تنشأ في المركب أحادي الميل (أحد أشكال البلورة) موجة كثافة شحنة.

في بلورة La₂₋ₓSrₓCuO₄ عند تركيب معين توجد حالتان في الوقت نفسه: الموصلية الفائقة، حيث تتحرك الإلكترونات دون فقدان للطاقة، وموجة الشحنة — وهي تكثف دوري لكثافة الإلكترونات. تتنافس هاتان الحالتان على نفس السحب الإلكترونية، التي تشبه بتلات على شكل صليب. لرؤية كيفية تفاعلهما، ضُغطت العينة على طول محور واحد، كما لو أنك تضغط برفق على كومة من الورق من الأعلى.

ربما نشأ كوننا من حالة شديدة عدم الاستقرار يسميها الفيزيائيون الفراغ الكاذب. تخيل كوبًا من الماء بُرِّد إلى ما دون نقطة التجمد: يبقى السائل سائلًا حتى أول اهتزاز، يطلق فورًا التبلور إلى جليد. وعلى نحو مماثل، الفراغ الكاذب هو حالة مشحونة بالطاقة للحقل، جاهزة للانزلاق إلى حالة أكثر استقرارًا، وهي حالة الفراغ الحقيقي.

في كل حفنة من التربة الخصبة تعيش بكتيريا تفعل ما لا يستطيعه أي مصنع: تأخذ النيتروجين مباشرة من الهواء وتحوّله إلى سماد. السر مخبأ في إنزيم النيتروجيناز، وعقدة العمل فيه – مجموعة من ذرات الحديد والموليبدينوم – تشبه ورشة مصنع صغيرة. يحاول الكيميائيون منذ زمن طويل فهم كيفية عمل هذه الورشة من الداخل.

عند درجة حرارة 4.3 كلفن فوق الصفر المطلق، تتوقف بلورة تيلوريد البالاديوم عن مقاومة التيار الكهربائي. تتحد الإلكترونات فيها إلى أزواج وتتحرك دون فقدان للطاقة، مثل حشد ممسك بالأيدي. لكن يبدو أن لهذا الموصل الفائق طريقتين مختلفتين للاتحاد، وليس طريقة واحدة. ضغط الفيزيائيون إبرة رفيعة على البلورة وقاسوا مرور التيار عبر نقطة التلامس. لم تتوافق المنحنيات الناتجة مع صورة فجوة طاقة واحدة.

في الموصل الفائق العادي، تتحد الإلكترونات في أزواج تبقى ثابتة في مكانها — زخمها الكلي يساوي صفرًا. لكن هناك حالة مختلفة: تكتسب الأزواج زخمًا مشتركًا وتبدأ في الحركة، مثل سرب من الأسماك يسبح عكس التيار. تسمى هذه الحالة موجة الأزواج، وهي حالة صعبة التحقيق — تتطلب ظروفًا خاصة. في هذا العمل، درسوا بلورة يوجد فيها تجاذب بين الإلكترونات، وأضافوا إليها نمطًا مغناطيسيًا من نوعين.

الغرافين هو صفيحة من الكربون بسمك ذرة واحدة. إذا قُطعت إلى شرائح ضيقة، نحصل على شرائح الغرافين النانوية. تعتمد خصائصها على طريقة قص الشريط: فمن قطعة قماش واحدة يمكن خياطة مفرش طاولة أملس أو تنورة مجعدة. في العمل الجديد، صنع الكيميائيون شريطاً غير متماثل الشكل. فيه، وجدت جميع الإلكترونات الحرة على جانب واحد — كما لو أن جميع الضيوف في حفلة تجمعوا حول طاولة واحدة.

يشبه الحاسوب الكمومي إبريق شاي ساخنًا جدًا: الجسيمات بداخله تتحرك بعشوائية، ويحتاج المرء إلى تهدئتها للحصول على إجابة مفيدة. في العمل الجديد، ابتكر الفيزيائيون طريقة لتبريد سلسلة من 19 لفة كمومية (مغناطيسات صغيرة) مباشرة على جهاز حقيقي. استخدموا أسلوبًا يشبه التلاشي البطيء لحركة البندول: يُضاف إلى النظام «احتكاك» يخمد الحركات الزائدة.

البوصلة المغناطيسية العادية تتجمد عندما يضرب البرق في مكان قريب. القفزة المفاجئة في المجال المغناطيسي تربك الإبرة. مشكلة مماثلة كانت تعيق العلماء عن قياس مغناطيسية المواد في مجالات نابضة قوية — تلك التي تعمل لجزء من الألف من الثانية. المنشأة الجديدة تحل هذه المشكلة باستخدام شعاع ليزر.

المعدن مليء بالإلكترونات الحرة — تندفع بين الذرات كسرب نحل حول الخلية. إذا اخترقت هذا المعدن بخيط مغناطيسي رفيع، تبدأ الإلكترونات في الإحساس بمجاله. أظهر حساب جديد: أنها لا تلتف حول المجال فحسب، بل تحبسه في الداخل، كما تحبس السدادة الماء في الزجاجة. وتحبسه بدقة بكميات محددة — إما لا شيء إطلاقًا، أو نصف الكمية القياسية للمجال المغناطيسي بالضبط.

الإلكترونات في المعدن تشبه حشداً في مترو الأنفاق: كل واحد مستقل، لكن عند أدنى دفعة يتحرك الجميع دفعة واحدة. هذه التذبذبات الجماعية لغاز الإلكترونات يسميها الفيزيائيون بلازموناً. في الموصلات الفائقة، هذه التذبذبات مهمة بشكل خاص، لأنها تُظهر كيف تتفاعل الإلكترونات مع بعضها البعض. في النيكيلات — وهي موصلات فائقة مكتشفة حديثاً تعتمد على النيكل — لم يكن من الممكن رؤية البلازمونات حتى الآن.

بلورة RbMn6Bi5 تشبه عمارة من خمسة طوابق من ذرات المنجنيز، حيث يشكل السكان في كل طابق خماسيًا. في درجة حرارة الغرفة، تتأرجح العزوم المغناطيسية للذرات بشكل عشوائي، مثل إبر البوصلات أثناء عاصفة مغناطيسية. ولكن بمجرد تبريد البلورة إلى ما دون درجة حرارة معينة، تتجمد الإبر فجأة في نظام صارم.

حاسوب كمومي من الأيونات المحبوسة لعب دور كون صغير. فيه لم تكن الجسيمات تتحرك فحسب، بل كانت تتشابك في عُقد تغير خصائصها عند تبادل الأماكن. تسمى هذه العُقد أنيونات فيبوناتشي — وهي ليست جسيمات عادية، بل أشبه بدوامات في نسيج الفضاء. أراد الفيزيائيون رؤية كيف يصل هذا الكون إلى التوازن الحراري — مثلما يبرد فنجان القهوة إلى درجة حرارة الغرفة.

طريق سريع تندفع فيه السيارات دون أن تبطئ تقريبًا — هكذا تبدو طبقة شبه موصل فائقة النقاء، حيث تمر الإلكترونات مسافات شاسعة دون أي تصادم. بنى العلماء ترانزستورًا تجري فيه الإلكترونات بسرعة تعادل ضعف سرعتها في أي جهاز مماثل حتى الآن. عادةً، عندما يُصنع جهاز إلكتروني من هذه المادة، لا بد أن تتعرض للخدش والتلوث والتسخين — فيتلف الطريق.

عند تبريد بلورة Fe₄Nb₂O₉ إلى -272°C، تتحول إلى نمط مغناطيسي لا تصطف فيه الأسهم الذرية في صف واحد، بل تتباعد كالمروحة. الأمر أشبه بحشد من الناس يتجمدون، لكن كل واحد ينظر في اتجاهه الخاص، وليس إلى قفا جاره. هذا الترتيب للعزوم المغناطيسية يُسمى غير الخطي (noncollinear)، وهو، كما اتضح، المسؤول عن السلوك غير العادي لهذه المادة. قام العلماء بتشعيع العينة بالنيوترونات وتتبع الأشعة المنعكسة.

إذا مررت الماء عبر عنق ضيق، فإن التدفق يتسارع عند الحافة مباشرة، ويتشكل دوام خلف العائق. تقريبًا بنفس الطريقة تتصرف الإلكترونات في المواد ثنائية الأبعاد فائقة النقاء — على سبيل المثال، في طبقة رقيقة من الغرافين. هناك، لا تتحرك كجسيمات منفردة، بل كسائل لزج، ويصبح الاحتكاك بينها أكثر أهمية من مقاومة المادة نفسها.

عادةً ما تجلس الذرات في البلورة في أماكنها المحددة، مثل ركاب الطائرة حسب تذاكرهم. لكن في هذه المادة، احتل النحاس والتنتالوم أماكنهما بشكل عشوائي — وكأن التذاكر قد خُلطت. نظر العلماء إلى داخل البلورة باستخدام الأشعة السينية ورأوا: الاضطراب ليس مجرد افتراض نظري، بل هو حقيقي في ترتيب الذرات نفسه.

في الموصل الفائق، يتدفق التيار الكهربائي دون فقدان للطاقة، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. ولكن إذا وضعنا هذه المادة في مجال مغناطيسي، تظهر داخلها دوامات — وهي عبارة عن زوابع صغيرة تنهار فيها الموصلية الفائقة. وطالما بقيت هذه الزوابع في مكانها، يتدفق التيار بحرية.

الموصل الفائق العادي يعمل فقط في "مجمد الطبيعة"، أي عند درجات حرارة أقل من مئة درجة تحت الصفر. مادة كرات الكربون K₃C₆₀ ليست استثناءً: بدون البرد، تقاوم التيار مثل حشد في ممر ضيق. لكن الفيزيائيين لاحظوا شيئًا غريبًا: إذا سلطوا ليزرًا عليها، فإنها تبدأ في توصيل التيار دون فقدان حتى في الدفء. صحيح أنهم احتاجوا سابقًا إلى شعاع قوي كاد أن يذيب العينة.

الطباخ يتذوق الحساء ليعرف كمية الملح في القدر. الفيزيائيون فعلوا شيئًا مشابهًا مع البلورات: سلطوا عليها الأشعة السينية، ومن طريقة تشتت الأشعة استنتجوا مدى "انتشار" الإلكترونات في الروابط الكيميائية. في الألماس، ترتبط ذرات الكربون عبر إلكترونات مشتركة، مثل شخصين يتقاسمون بطانية واحدة.

في بلورة فلوريد المنغنيز، تصطف الذرات كصف من الجنود. ولكن داخل هذا الصف يوجد نمط خفي: العزوم المغناطيسية للذرات موجهة في اتجاهين متعاكسين، ويتغير النمط نفسه عند تدوير البلورة. يُسمى هذا الترتيب بالترتيب المغناطيسي البديل (alternmagnetic) – فهو لا يولّد مغناطيسية كلية، لكنه يؤثر على خصائص المادة. قام العلماء بتسخين البلورة وضغطها، متتبعين كيفية امتصاصها للحرارة.