علامات على دوّامات مشحونة في سائل من أزواج متعادلة

في المائع الفائق، تتحرّك الجسيمات معًا كموجة كمومية واحدة؛ والموصل الفائق من النوع الثاني ينقل التيار من دون مقاومة. أدِر الأول، أو ضع الثاني في مجال مغناطيسي، فيُظهر كلاهما سمة مميِّزة: شبكة من الدوّامات المكمّاة، وهي دوّامات دقيقة تحمل كل منها مقدارًا ثابتًا وغير قابل للتجزئة من الدوران. وفي مائع مكوّن من الإكسيتونات، بقيت مثل هذه الشبكة بعيدة المنال: فالإكسيتونات لا تحمل أي شحنة كهربائية.

أزواج لا تحمل شيئًا

الإكسيتون (exciton) إلكترون مرتبط بفجوة، وهي الفراغ الذي يخلّفه إلكترون مفقود. والإكسيتونات المصنوعة بالضوء لا تعيش إلا لوقت قصير، ولأنها متعادلة، يصعب سبرها كهربائيًا. أما إبقاء الشريكين منفصلين، الإلكترونات في طبقة والفجوات في أخرى، فيجعل الأزواج تدوم أطول بكثير ويتيح توصيل كل طبقة بالأسلاك على حدة.

وإذا بُرّدت هذه الأزواج بما يكفي، فإنها تتكاثف وتتقاسم طورًا كموميًا واحدًا — إيقاعًا مشتركًا — عبر المائع كله، على غرار أزواج الإلكترونات في الموصل الفائق. وكانت هناك بصمات كهربائية، لكن الدليل القاطع على هذا الترابط الطوري الشامل ظلّ، كما يكتب المؤلفون، بعيد المنال.

أين ستذهب الشحنة الإضافية

ما الذي ينبغي أن يفعله مثل هذا المائع: في مجال مغناطيسي قوي، أضِف بضعة إلكترونات إضافية، فينبغي أن تنقسم شحنتها إلى كسور تستقر في أنوية الدوّامات والدوّامات المضادة، وهي دوّامات في الطور المشترك تدور في اتجاهين متعاكسين. وعادةً ما يُفني بعضها بعضًا. لكن أنويتها المشحونة هنا تتنافر، وقد تنبّأ في عام 2025 اثنان من المؤلفين، هما Bo Zou وAllan MacDonald من جامعة تكساس في أوستن، بأنها ستثبت في نمط خلايا النحل: الدوّامات في مجموعة من المواقع، وشحنتها في الطبقة العليا، والدوّامات المضادة في المجموعة الأخرى، في الطبقة السفلى.

وخلافًا لدوّامات الموصل الفائق، التي تحمل تدفقًا مغناطيسيًا، تحمل هذه الدوّامات شحنة كهربائية. وتضمّ كل خلية من خلايا النمط شحنة أولية واحدة بالضبط، هي شحنة إلكترون واحد. لذا كلما أُضيفت شحنة أكثر، صغرت الخلايا: إذ تتقلّص مساحتها بتناسب عكسي مع الشحنة الإضافية.

طبقتان من الكربون وإبرة

راكب Ryan Lee وJungwoo Lee وViliam Vaňo وزملاؤهم في مجموعة Ali Yazdani بجامعة برينستون طبقتين من الغرافين، سُمك كل منهما ذرة واحدة، تفصل بينهما 3.2 نانومتر — أي نحو ثلاثة أجزاء من مليون من المليمتر — مع حاجز من نتريد البورون السداسي مصدره المعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان، تحت مجال قدره 9 تسلا (والتسلا وحدة شدة المجال المغناطيسي). وهناك، تتجمّع طاقات الإلكترونات في درجات تُسمّى مستويات لانداو (Landau levels). ويحدّد جهدان كهربائيان مدى امتلائها: أحدهما، من بوابة أسفل الطبقتين، يضبط الشحنة الكلية؛ والآخر ينقل الشحنة بين الطبقتين. وحين تملأ الطبقتان معًا عددًا صحيحًا من المستويات، وكل منهما ممتلئة جزئيًا فقط، يقترن إلكترون في إحداهما بفجوة في الأخرى، فيتشكّل المتكاثف.

صوّره الفريق بـمجهر المسح النفقي عند 0.2 درجة فوق الصفر المطلق: تقفز الإلكترونات بين رأس حادّ والطبقة العليا، ويتوقّف التيار على ما يوجد تحتها، بما في ذلك الشحنة في أنوية الدوّامات.

شبكة تضيق مع الشحنة

مع إضافة بضعة إلكترونات أو إزالتها، أظهرت خرائط التيار لمناطق خالية من العيوب يبلغ عرضها نحو 400 نانومتر بقعًا لامعة منتظمة. وأعطى تحويل فورييه، وهو حساب يحوّل النمط المتكرّر إلى قمم حادّة، ست قمم: شبكة ذات تناظر سداسي.

ومع إضافة الإلكترونات، ازدادت الشبكة كثافة، وانخفضت المسافة بين عقدها من نحو 135 نانومترًا في البداية إلى نحو 60، قريبًا من المنحنى المتوقَّع. وانتقلت من التبعثر إلى الانتظام الجيد، ثم ذابت مع إضافة المزيد. وتشكّل البقع نمطًا مثلثيًا لا نمط خلايا النحل: فالرأس يستشعر الطبقة العليا، حيث تحمل الدوّامات شحنة أكبر من الدوّامات المضادة في الأسفل.

الاختبار الذي تفشل فيه بلّورة الإلكترونات

الإلكترونات التي يتنافر بعضها مع بعض قد تتجمّد هي أيضًا من تلقاء نفسها في شبكة، تُسمّى بلّورة فيغنر (Wigner crystal). وبلّورة كهذه في الطبقة العليا ستكون المسافة بين عقدها محدّدة بشحنة تلك الطبقة وحدها. وقرب المتكاثف، تكاد تلك الشحنة لا تتغيّر، لأن الطبقة السفلى تحجب الطبقة العليا عن البوابة؛ ومع ذلك تغيّرت المسافة المقيسة. وتحت امتلاء إضافي قدره 0.17 من مستوى، يخطئ تنبّؤ بلّورة فيغنر البيانات بوضوح.

الاختبار الحاسم: ينبغي أن تتوقّف المسافة في شبكة الدوّامات على الشحنة الإضافية الكلية وحدها، لا على طريقة تقاسم الطبقتين لها، لأن الكلية وحدها هي التي تقترن بالطور المشترك. فثبّت الفريق الكلية ونقل الشحنة بين الطبقتين، مغيّرًا امتلاء كل طبقة بما يصل إلى 30%. ولو كانت هناك بلّورة فيغنر في الطبقة العليا، لتغيّرت المسافة بين عقدها بنحو 20 نانومترًا. لكن المسافة المقيسة بقيت عند نحو 60. ولم يخفت سوى تباين الصورة، إذ انتقلت الشحنة من الدوّامات في الطبقة العليا إلى الدوّامات المضادة في السفلى، من دون أن تتحرّك.

وقرب امتلاء إضافي قدره 0.17، تتوقّف الطبقة السفلى عن استقبال الشحنة، وتستقر جميع الإلكترونات الإضافية في الطبقة العليا. وهناك، تتقارب المسافة مع تلك الخاصة ببلّورة فيغنر عادية في الطبقة العليا: وهو الانتقال الذي توقّعته النظرية.

الفجوات ترسم النمط نفسه، معكوسًا

أما إزالة الإلكترونات بدلًا من إضافتها فأنتجت النوع نفسه من الشبكات، بل أفضل انتظامًا، ربما لأن تلك المنطقة تحوي قدرًا أقل من الفوضى. وتباينها معكوس، كما هو متوقَّع إذا تغيّرت إشارة الشحنة في الأنوية، والمسافة بين عقدها تتبع مجددًا الشحنة الإضافية الكلية وحدها.

ما يمكن أن تقوله صورة بعرض 400 نانومتر

في الموصل الفائق، تُظهر شبكة دوّامات تمتدّ عبر صورة كاملة أن المائع يحافظ على طوره على الأقل على تلك المسافة. وهنا، تضع الشبكة التي تملأ مجال الرؤية حدًّا أدنى يقارب 400 نانومتر لمدى الترابط الطوري للمتكاثف. فضلًا عن ذلك، فإن امتلاء كل طبقة يُحسب من الجهدين بواسطة نموذج كهروسكوني بدلًا من قياسه مباشرة.

يقدّم الفريق صوره على أنها دليل، وهي الكلمة الواردة في عنوانه، على الشبكة المتوقَّعة وعلى الترابط الطوري في مائع فائق من الإكسيتونات. ويمكن للمجهر نفسه الآن أن يتتبّع هذه الدوّامات وهي تتحرّك وتعلق بالعيوب وتذوب، في مائع فائق مكوّن من الإلكترونات وحدها.