صلب فائق في درجة حرارة الغرفة

في عام 1956، بحسب الورقة، طرح بنروز وأونساغر سؤالًا غريبًا: هل يمكن لحالة واحدة من حالات المادة أن تكون في آن واحد بلورة، تنتظم جسيماتها في شبكة منتظمة، ومكثَّفًا، تتشارك جسيماته موجة كمومية واحدة وتجري بلا احتكاك؟ تُسمّى هذه الحالة الصلب الفائق (supersolid).

وجاءت أولى البصمات التجريبية الواضحة عام 2017، في سحب من الذرّات فائقة البرودة، تلتها غازات كمومية ثنائية القطب تنقسم إلى صفوف منتظمة من القطيرات. ومنذ ذلك الحين رصد الباحثون اهتزازاتها، وصفوفًا ثنائية الأبعاد، بل ودوّامات مكمّمة. لكن كل هذه الأجسام الصلبة الفائقة لا توجد إلا عند بضعة نانوكلفن، أي أجزاء من المليار من الدرجة فوق الصفر المطلق، وتحتاج إلى معدات تبريد وتفريغ ثقيلة.

نصفه ضوء ونصفه مادة

إحدى طرق الالتفاف على البرودة هي الإكسيتون-بولاريتون، وهو شبه جسيم هجين، بعضه ضوء وبعضه مادة. ولأن البولاريتونات تُضخّ باستمرار وتتسرّب باستمرار، فإنها تستطيع الحفاظ على ترابط كمومي جماعي عند درجات حرارة أعلى بكثير. وتعمل مكثَّفات البولاريتونات وسوائلها الفائقة بالفعل في درجة حرارة الغرفة في المواد العضوية والبيروفسكايت. وقد صُنع مؤخرًا صلب فائق من البولاريتونات في بلورات ضوئية، لكن بأشباه موصلات تقليدية، وعند درجات حرارة شديدة الانخفاض.

وجمع يوانهاو غونغ وجينغوين ما وزملاؤهما، بقيادة شياوبو يين وشيانغ جانغ في جامعة هونغ كونغ، بين المكوّنين. فقد أنموا بلورات مفردة رقيقة من بيروفسكايت بروميد الرصاص، MAPbBr₃، واختاروا غشاءً سُمكه 70 نانومترًا، ووضعوه على بلورة ضوئية: طبقة من نيتريد السيليكون محفور عليها نمط يتكرر كل 290 نانومترًا. ويحدد هذا النمط كيفية انتقال الضوء، فيُنشئ نمطًا واحدًا عالي الجودة في حالة سكون، وزوجًا من الأنماط يسير في اتجاهين متعاكسين.

عتبتان

ضخّ الباحثون الجهاز بنبضات ليزر فمتوثانية، وراقبوا الضوء الذي يبعثه.

• عند 13.14 µJ/cm²، تكوّن مكثَّف في النمط الساكن.
• عند 15.89 µJ/cm²، ظهر الضوء فجأة في النمطين المتعاكسي الانتشار. فقد كان المكثَّف يغذّيهما عبر عملية “بارامترية” غير خطية، ويُظهر المؤلفون أن منحنيات النمو تتغير تمامًا كما تتنبأ مثل هذه العملية. وملء زوج من الموجات المتعاكسة يكسر التناظر الأملس المنتظم للسائل: هذه هي بداية الصلب الفائق.

الانبعاث دون العتبة (a)، وعند عتبة التكثّف (b)، وعند عتبة الصلب الفائق (c)، حيث تظهر بقع ساطعة عند زخمين متعاكسين ψ₁(±k) بطاقة المكثَّف. — الشكل 2، غونغ وآخرون (2026)، arXiv:2609.40009.

بلورة غير مطبوعة في الشريحة

عند تصويره مباشرة، يُظهر السائل المتوهّج خطوطًا منتظمة تفصل بينها 3.33 ميكرومتر، قريبًا من القيمة المتوقعة 3.46. ولا علاقة لهذه الدورة بنمط الشريحة البالغ 290 نانومترًا: فالانتظام ليس طبعة للبنية المحفورة، بل ينشأ من التفاعلات نفسها. وهو ليّن: فمع ارتفاع الكثافة، تتغير المسافة الفاصلة باستمرار.

وللتحقق من الجانب الكمومي، قاس الفريق مدى ارتباط الضوء القادم من النمطين المتعاكسين، باستخدام كاشفين للفوتونات المفردة. وعند تأخير صفري، بلغ الارتباط 1.0121، قريبًا جدًا من 1، وهي بصمة الترابط بين النمطين. انتظام بلوري وترابط شامل معًا: وهذا في نظر المؤلفين دليل قاطع على صلب فائق في درجة حرارة الغرفة.

يسارًا: الصلب الفائق في الفضاء الحقيقي، نمط من الخطوط ينتشر عبر المكثَّف. يمينًا: الارتباط بين النمطين المتعاكسين، 1.0121 عند تأخير صفري. — الشكل 4، غونغ وآخرون (2026)، arXiv:2609.40009.

من الديناميكا المائية إلى الضوء الكمومي

يعمل الجهاز بالنبضات ويفقد الضوء باستمرار، ولذا فإن هذا الصلب الفائق يعيش خارج حالة التوازن، على عكس أبناء عمومته الذرّيين. وقد سبق لمسودات أولية استشهد بها المؤلفون أن سعت إلى بلوغ الصلابة الفائقة في درجة حرارة الغرفة؛ أما هذه فتدّعي رؤية مباشرة للانتظامين كليهما. والخطوات التالية على قائمتهم: أنماط ثنائية الأبعاد، ودوّامات في الصلب الفائق، والاهتزازات التي تكشف صلابته؛ وأخيرًا مصدر مدمج على شريحة للضوء المنضغط والمتشابك، بما أن التشتت الذي يبني الصلب الفائق هو نفسه مصدر لضوء غير كلاسيكي.