الموصلية الفائقة cond-mat.supr-con

المجال المغناطيسي بقوة 8 تسلا أقوى 200 مرة من مجال الأرض. عند هذا المجال، لا تنجو الموصلية الفائقة في الغشاء الرقيق من ثنائي تيلوريد البالاديوم فحسب، بل تظل قائمة حتى درجة حرارة 20 ميلي كلفن، وهي أبرد بمئة مرة من الفضاء الكوني. للمقارنة: في الغشاء السميك من نفس المادة، يكون المجال الحرج أصغر بـ 80 مرة. السر يكمن في السماكة.

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.

مرر تيارًا عبر تلامس بين موصل فائق ومغناطيس حديدي، وستسمع همس العالم الكمومي. في المختبر عند 0.3 كلفن، تحول هذا الهمس إلى زئير: الضوضاء الاندفاعية (shot noise) وهي ضوضاء كهربائية ناتجة عن تكميم الشحنة، كانت أعلى بمئة مرة مما تسمح به النظرية للتلامسات العادية.

في الفوتومتري — وهو المجال المعني بقياس الضوء — ظلت مهمة رصد فوتونات الميكروويف المفردة غير محلولة لفترة طويلة. السبب هو أن طاقة مثل هذا الكم مماثلة لطاقة الاهتزاز الحراري للذرات، مما يجعل الإشارة تغرق في الضوضاء.

عزم ثنائي القطب المقاس للتنتالوم-181: 3.39 × 10⁻³² e·سم - مثل ملاحظة إزاحة بمقدار ذرة واحدة على مقياس النظام الشمسي. عادةً ما تكون النواة الذرية متوازنة تماماً كالقمة الدوارة. أما في التنتالوم، فإن التوازن مختل: الشحنات الموجبة والسالبة منزاحة قليلاً بالنسبة لبعضها البعض.

يمكن دمج مستشعر مصغر في الشبكة البلورية لألماس الكربون. إذا استُبدلت ذرة كربون واحدة بذرة نيتروجين، وتُركت العقدة المجاورة في الشبكة فارغة، يتشكل مركز النيتروجين-الفراغ، وهو عيب يمتلك حالات سبينية حساسة للمجال المغناطيسي الخارجي، وقادر على إصدار ضوء استجابةً لتغيراته.

يمكن تصور المادة كمنزل. في بعض الغرف يسود نظام بلوري صارم — كل ذرة في مكانها، مثل الأثاث المرتب بدقة. وفي غرف أخرى، فوضى الهيليوم فائق الميوعة هيليوم، حيث تفقد الذرات ذاكرة جيرانها وتتدفق دون احتكاك.

كل المادة، من النجوم إلى الإنسان، مبنية من جسيمات تنقسم في النموذج القياسي — النظرية الأكثر اكتمالًا للجسيمات الأولية وتفاعلاتها إلى عائلتين: الفرميونات (لبنات المادة) والبوزونات (حاملات القوى). لكن هناك نوع ثالث نادر — الأليونات، جسيمات عند تبادلها لا تتبادل فقط، بل تتعقد في عقدة، متذكرة حقيقة التشابك وليس المسار.

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.

الحاسوب الكمومي كالطبق الفاخر. هناك وصفات للمطبخ العادي، ولكن الحالات الكمومية الخاصة هي المكونات السرية التي تحوّل الطبق إلى تحفة فنية. أحد هذه المكونات هو «السحر». وقد صاغ المصطلح جون بريسكيل في عام 2018. يمكن أن يكون السحر محليًا — حيث يمكن إزالته بتغيير المكونات — وغير محلي، وهو كالصلصة التي تتخلل الطبق بأكمله وتحافظ على النكهة مهما فعلت بالأجزاء.

في ثلاثينيات القرن العشرين، لاحظ فريتز زفيكي أثناء مراقبته لعنقود الهلبة (كوما) سرعات عالية بشكل غير طبيعي للمجرات: حركتها أشارت إلى وجود كتلة خفية هائلة تربط النظام بفعل الجاذبية.

الدائرة فائقة التوصيل تشبه أرجوحة بلا احتكاك، لا تتحقق إلا عند درجات حرارة الهيليوم السائل (-273 درجة مئوية). في هذا البرد، يجري التيار الكهربائي في حلقة دون أن يخفت، محافظًا على إيقاعه. الملف المغناطيسي، بتمريره تيارًا ضئيلاً، يعمل كنسمة هواء قادرة على تغيير طول الحبال الوهمية: يتغير الإيقاع بشكل حاد وكأن أرجوحة بطول متر تصبح لعبة صغيرة.

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.

الغرافين هو ورقة كربون بسماكة ذرة واحدة. إذا طُوي بنمط معين، نحصل على مادة جديدة هي غراوكين. لم يكتشفها إنسان، بل ذكاء اصطناعي: نموذج لغوي كبير درس الاحتمالات واقترح هذه الشبكة بالذات. أظهرت الحسابات أن غراوكين يجب أن يوصل الكهرباء دون مقاومة عند 52 درجة مئوية بالفعل. هذه درجة حرارة الغرفة.

ورقة كربون رقيقة، تشبه شبكة مخرمة من المثلثات والسداسيات والثمانيات، مستلقية على ركيزة. هي بحد ذاتها ليست موصلة فائقة: تتحرك الإلكترونات فيها بشكل عشوائي، وتصطدم بالذرات. ولكن بمجرد شد هذه الورقة بشكل متساوٍ، كما يُشد القماش على إطار، يتغير المشهد. يجعل الشد الذرات أكثر انتظاماً وأقل تكدساً، وتبدأ اهتزازاتها، مثل ارتجاف وتر مشدود، في التفاعل بقوة أكبر مع الإلكترونات.

تُضغط بلورة الموصل الفائق في خلية صغيرة، وكأنها تُحكم في ملزمة، لكن مع الماء لتوزيع الضغط بالتساوي. ضغط يصل إلى 1.08 غيغاباسكال (أي ما يعادل مئة ضعف ضغط إطار سيارة تقريبًا) لا يغيّر كثيرًا درجة الحرارة التي يفقد عندها المادة مقاومتها. لكنه يعزز بشكل ملحوظ قدرتها على تمرير التيار دون فقدان في مجال مغناطيسي، وهو ما يُعرف بالتيار الحرج.

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.

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.

الكمبيوتر الكمومي يشبه أوركسترا لا تعزف إلا في صمت تام. أي ضجيج بسيط يفتت اللحن الهش. بالنسبة للأجهزة الكمومية، الحرارة هي هذا الضجيج: حتى الإشعاع تحت الأحمر الضعيف القادم من المكونات المجاورة يسخن الكيوبتات ويمحو حالاتها الكمومية. نحتاج إلى مرشح يمرر إشارات التحكم ويخمد الأشعة الحرارية. اقترح العلماء مادة من راتنج الإيبوكسي تحتوي على كرات ياقوتية صغيرة.

الذاكرة التقليدية في الحواسيب تستهلك طاقة باستمرار كي لا تنسى ما خُزّن فيها. أما المادة فائقة التوصيل فيمكنها تخزين البيانات دون فقدان، لكن من الصعب جعلها تتبدل بين حالتين. في العمل الجديد، حُصرت مادة فائقة التوصيل بين عازلين مغناطيسيين. تعمل الطبقات المغناطيسية كقطبين مغناطيسيين: إذا كان قطباها متوازيين، تكون خاصية التوصيل الفائق مفعّلة؛ وإذا كانا متعاكسين، تكون معطّلة.

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.

الفضاء الفارغ ليس ساكناً أبداً. إنه يعج بتقلبات طاقية صغيرة - مثل الطين الخام في يد النحات. في تجربة جديدة، وُضعت طبقة رقيقة من مادة فائقة التوصيل داخل تجويف صُمم لاحتجاز ضوء تيراهيرتز، وهو شكل من الإشعاع غير المرئي. عمل التجويف كقالب، شكّل تقلبات الفراغ حول الطبقة. حتى بدون أي ضوء، نحتت هذه التقلبات الحالة الداخلية للموصل الفائق.

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.

شعاع الليزر، كأداة نحت دقيقة، يحرق الأكسجين من الغشاء فائق التوصيل. حيثما يقل الأكسجين، تفقد المادة قدرتها على توصيل التيار دون مقاومة. استخدم العلماء هذه التقنية لرسم أنماط على الغشاء تغير خصائصه. الموصل الفائق هو مادة توصل الكهرباء دون فقدان عند درجات حرارة منخفضة.

المجال المغناطيسي غير مرئي، لكن يمكن جعله «يضيء». للقيام بذلك، نستخدم ألماسة صغيرة تحتوي على عيوب - أماكن حيث يتم استبدال ذرة الكربون بذرة نيتروجين، وبجانبها توجد عقدة شاغرة في الشبكة البلورية. هذه العيوب، مثل إبر البوصلة الحساسة، تستجيب لأدق التغيرات في المجال المغناطيسي وتصدر ضوءًا متفاوت السطوع.

في مادة NaAlSi، تشكل الإلكترونات عند تبريدها تموجات عابرة - خطوط تظهر وتختفي، مثل نقش الماء بفعل الريح. تتشابك هذه الخطوط مع الموصلية الفائقة - حالة يتدفق فيها التيار دون مقاومة. عادةً، تتحد الإلكترونات في أزواج لها طاقة ترابط متساوية.

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.

الموصل الفائق يشبه مدينة يتوقف فيها الإلكترونات عن التزاحم ويبدأون في التحرك كأزواج، مثل أشخاص يسيرون يدا بيد. في نيكيلات النيوديميوم-سترونشيوم (Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂)، يحدث هذا "الاستعراض" عند درجة حرارة حوالي 10 كلفن (أي 263 درجة مئوية تحت الصفر)، ولكن ليس بشكل موحد في كل مكان.

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.

تصف نظرية النموذج القياسي الكلاسيكية لفائقة التوصيل، وهي نظرية BCS التي طورها John Bardeen وليون كوبر وروبرت شريفر، الآلية التي تتحد فيها الإلكترونات في أزواج كوبر وتتحرك دون مقاومة.

بلورة NbSe2 تشبه رزمة من الورق: الطبقات متراصة بإحكام، وخصائصها تندمج معًا. وجد الكيميائيون طريقة لزيادة التباعد بين هذه الطبقات إلى الضعف تقريبًا — بوضع جزيئات عضوية طويلة بين الطبقات، مثل الفواصل. الآن، تتصرف كل طبقة وكأنها وحيدة، بسماكة ذرة واحدة. في طبقة NbSe2 المفردة، تنشأ موجة كثافة الشحنة — حيث تصطف الإلكترونات في نمط إيقاعي، مثل حشد في ملعب يطلق موجة.

كاشف الفوتونات المفردة فائق التوصيل يشبه وترًا مشدودًا في الظلام. عندما يصطدم به فوتون واحد فقط، يفقد الوتر خاصية التوصيل الفائق للحظات — ونسمع نقرة. لكن حتى الآن، كان الوتر دائمًا غير مضبوط: كان الكاشف يعمل بشكل أسوأ مما تسمح به المادة. السبب هو التوزيع غير المتساوي للتيار عبر عرض الكاشف. لا يتدفق التيار بالتساوي، بل يتركز عند الحواف، تاركًا الوسط أقل حساسية.

الموصلات الفائقة هي مواد تنقل الكهرباء دون فقدان، لكن خصائصها عادة ما تكون ثابتة. في العمل الجديد، صنع العلماء جهازًا يشبه تقاطع طريقين فائقين التوصيل. بتطبيق مجال مغناطيسي ضعيف عمودي على هذا التقاطع، تمكنوا من تغيير شدة التيار الذي يمكن للجهاز تمريره أربع مرات. هذا يشبه تنظيم تدفق الماء في أنبوب بإمالته قليلاً.

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.

الموصل الفائق هو مادة يتدفق فيها التيار الكهربائي دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. ولكن إذا نشأت دوامات فيه، يبدأ التيار في «التعثر» بهذه الاضطرابات الصغيرة. في الغرافين الملفوف بزاوية خاصة، يمكن إنشاء مثل هذه الدوامات ودراستها واحدة تلو الأخرى. بنى العلماء جهازًا يشبه جسرًا ضيقًا بين ضفتين فائقتين للتوصيل.

السلك النانوي يشبه كابلًا صغيرًا: في الداخل قلب مغناطيسي، وفي الخارج غلاف من الألومنيوم يمكنه توصيل التيار دون مقاومة. لكن ليس من السهل أن يتعايشا معًا: فالمجال المغناطيسي القوي يدمر الموصلية الفائقة، كما أن الضوضاء تزعج اللحن الهادئ.

المفتاح الكهربائي العادي يُحدث نقرة – فيمر التيار أو لا يمر. والآن، هناك مادة تتبدل بنفسها بين "نقل بلا فقدان" و"مقاومة" تحت تأثير مغناطيس. هذه هي الشطيرة التي صنعها الفيزيائيون: غشاء رقيق من الرصاص موضوع على موصل فائق من البزموت والسترونشيوم والكالسيوم والنحاس والأكسجين. بين الطبقتين نمت تلقائيًا طبقة رقيقة جدًا من أكسيد الرصاص – وهي عازل.

الكيوبت فائق التوصيل هو دائرة كهربائية صغيرة جدًا تتصرف مثل ذرة اصطناعية. في الحالة الطبيعية، يمر فيه تيار بدون مقاومة، وتكون مستويات الطاقة منتظمة مثل درجات السلم. ولكن إذا علق إلكترون واحد فقط في الدائرة، يتغير كل شيء. هذا الإلكترون الإضافي يشبه راكبًا حشر نفسه في عربة مكتظة: فهو لا يشغل مكانًا فحسب، بل يجبر الجميع على التزاحم وإعادة الترتيب.

في الشبكة البلورية لسيلينيد الحديد، تتناوب ذرات الحديد والسيلينيوم مثل الطوب في البناء. لكن في بعض الأحيان، تتسلل ذرات حديد إضافية إلى الفراغات بينها، مثل ضيوف غير مدعوين يحشرون أنفسهم في الشقوق بين الطوب. فقط 3% من هؤلاء "الضيوف" تكفي لاختفاء الموصلية الفائقة: تتوقف المادة عن توصيل التيار دون مقاومة.