٦٫١١ الموصلية الفائقة وتأثير جوزيفسون

الصفحة الرئيسية ／ ٦. المجال الكمي

أولًا الظواهر والأسئلة

عند تبريد بعض المعادن أو السيراميك تبريدًا كافيًا تهبط المقاومة إلى ما دون حدّ القياس، ويمكن لتيار أن يدور سنوات من دون وهن. ويُطرَد المجال المغناطيسي من داخل العيّنة ولا ينفذ إلا على هيئة أنابيب تدفّق مُكمّاة. وإذا فصلنا موصلين فائقين بحاجز عازل رقيق جدًّا، يتدفّق تيار ثابت بلا جهد؛ وتحت إشعاع تردّد عالٍ تظهر في الجهد درجاتٌ منفصلة.

هذه العلامات—مقاومة معدومة، وقطبية معاكسة كاملة (مع نفاذ مُكمّى)، وتيارٌ فائق عند جهدٍ صفري، ودرجات تحت التردّدات الراديوية—تثير أسئلة مباشرة: لماذا تزول «الاحتكاكات» بمجرد التبريد؟ ولماذا لا ينفذ المجال إلا بحصص ثابتة؟ وكيف يعبر التيار حاجزًا عازلًا، ولماذا تنحت الموجات الميكروية مصاطب منتظمة في الجهد؟

ثانيًا قراءة من منظور «خيوط الطاقة»: أزواج إلكترونية مقفلة الطور، وإغلاق جماعي لمسارات الفقد، وتناوبٌ مترابط عبر الحاجز

1. نقرن أولًا ثم نخيط الطور.
   نفترض أن للإلكترون لُفافة ثابتة تتفاعل قشرته الخارجية مع بحر الطاقة والشبكة البلورية. ومع الانخفاض الحراري يقلّ اهتزاز الشبكة، وفي بعض المواد ينفتح «ممر شدّ» أملس يسمح لإلكترونين باتباع أحدهما الآخر بتوجّهين متعاكسين فيتكوّن زوج إلكتروني. الاقتران يلغي مسارات فقد كثيرة أو يخفض عتباتها. ومع تبريد إضافي تتراصف أطوار أزواج كثيرة، فتتمدد شبكة طور مشتركة تغطي العيّنة كأنها «سجّادة طور» سيّالة.
2. لماذا المقاومة معدومة: نسدّ مسارات الفقد جماعيًا.
   المقاومة العادية تنشأ من مسالك دقيقة تُسرب الطاقة إلى الوسط—شوائب، فونونات، خشونة حدود. بعد أن تُفرش سجّادة الطور يصبح توليد تجاعيد موضعية تكسر الترابط صعبًا، فيرتفع حدّ الفقد فجأة. ما دام التحفيز لا يمزّق السجّادة، لا يُسرب التيار طاقة، فنقيس مقاومة معدومة.
3. لماذا الطرد والكمّية في التدفق: الطور يأبى الفتل الاعتباطي.
   للحفاظ على الاستواء، لا يجوز لف الطور كيفما اتفق بالمجال. تظهر تيارات سطحية تحجب المجال (مايسنر). وفي بعض المواد يُسمح بالنفاذ في أنابيب رفيعة، يُلزم كلٌّ منها الطور بدورة عددية صحيحة—أي كمّية في التدفق. يمكن تخيُّل كل أنبوب كـ نواة شدّ مجوّفة يلتف حولها الطور؛ والأنابيب تتنافر وتتخذ صفائف هندسية.
4. لماذا تيار جوزيفسون: تناوب مترابط في شِقٍّ قريبٍ من العتبة.
   إذا فصلنا سجّادتين طوريتين بحاجز فائق الرقة صار الوسط شقًّا ضيقًا على مقربة من الحدّ الحرج. عبر هذا الشقّ تتناوب الأطوار على الضفتين بتآلفٍ مبدّل؛ ليس «دفع» جسيمات منفردة، بل جسر طور قصير نحاك بين الجانبين.
   • إذا توحد الإيقاع على الضفتين، ينقل الجسر الطور بثبات فيمر تيارٌ فائق مستمر بلا جهد.
   • وإذا اختلف الإيقاع—بسبب جهد مستمر أو إثارة راديوية—يتقدّم فرق الطور بانتظام أو ينغلق على الإثارة، فيقوم الجسر بضخّ تيار فائق على وتيرات محددة، فتظهر استجابة متناوبة ودرجات في الجهد تحت الميكروويف.
5. لماذا لا يكون المثال كاملًا دائمًا: العيوب والتمزقات تعيد فتح الفقد.
   تيّارات كبيرة، وحقول قوية، وحرارة أعلى، ومواقع تثبيت للدوّامات الكمّية تسحب السجّادة وتثقبها فتتسرّب الطاقة؛ نلاحظ تيارًا حرجًا، وقمم خسارة، ولاخطّيات.

ثالثًا مشاهد معيارية

• فئتان من الموصلات الفائقة.
  فئة تطرد المجال تقريبًا كليًا ثم تنهار فوق عتبة؛ وفئة تسمح بدخول التدفق أنبوبيًا، وتكوّن مصفوفات دوّامية عند الحقول العالية مع بقاء النقل. الفرق يعكس مدى تسامح «سجّادة الطور» مع فتلٍ مغناطيسي.
• حلقات فائقة و تيارات مستديمة.
  في الحلقة المغلقة يجب أن يلتف الطور عددًا صحيحًا من الدورات؛ ما لم تتمزق السجّادة يستمر التيار. وإذا ضُبط التدفق على قيمة غير صحيحة، يقفز النظام إلى أقرب عدد صحيح، فتتولّد حالات مستقرة منفصلة.
• وصلات نفقية وروابط ضعيفة.
  في شقٍّ فائق الرقة ينساب تيارٌ فائق بلا جهد؛ وتحت الميكروويف ينغلق الجهد على درجات منتظمة—إشارة إلى انغلاق الطور على الإيقاع الخارجي.
• حلقات متوازية: مِقياسُ تداخُل.
  جسران طورِيّان يؤلفان حلقةً صغيرة يلتقطان إزاحتين طوريتين مختلفتين بفعل الفيض الخارجي؛ فيتأرجح التيار الفائق دوريًا مع الفيض، ما يتيح قياسًا مغناطيسيًا بالغ الحساسية.

رابعًا بصمات يمكن رصدها

• هبوطٌ حاد إلى مقاومة معدومة عند درجة حرجة.
• قطبية معاكسة كاملة أو صفائف هندسية من أنابيب التدفق.
• تيار فائق بلا جهد وتيار حرج واضح.
• درجات جهد تحت التردّد الراديوي (انغلاق طور).
• دورية تداخل في الحلقات.
• تثبيت الدوّامات وانزلاقها: العيوب تخفّض الخسائر وتزيد التيار الحرج؛ وحين تنزلق الدوّامات تظهر قممُ تبديد.

خامسًا التطابق مع الوصف السائد

• يكتب الوصف التقليدي تكاثف الأزواج بمعامل ترتيبٍ ماكروسكوبي (مطال مركّب ذو طور)، فتأتي المقاومة المعدومة من جريان طورٍ بلا خسارة، ويأتي الطرد من رفض الطور للفتل، وتنبثق كمّية التدفق والدوّامات من شرط الطواف بعددٍ صحيح.
• وتستعيد «خيوط الطاقة» الصورة نفسها بلغةٍ مجسّمة: زوج إلكتروني = لفّتان مقترنتان، سجّادة الطور = شبكة طورٍ مشتركة على كامل العيّنة، الصفر في المقاومة = إغلاقٌ جماعيّ لمسارات الفقد، كمّية التدفق = عيوب طوبولوجية ذات نواة مجوّفة، تأثير جوزيفسون = جسر طورٍ قصير يُحاك في شقٍّ شبه حرج. تتوافق الظواهر والعلاقات الكمية؛ والفارق أن هذا السرد يهب المادة «خيوطًا وبحرًا».

سادسًا خلاصة

الموصلية الفائقة لا تعني أنّ الإلكترونات «أصبحت مثالية» فجأة. إنما المسار هو: نُقرن، ثم نُقفل الطور، ثم نُناوب عبر الحاجز.

• عند التحفيز الخفيف تُغلق السجّادة الفقد ← مقاومة معدومة.
• ترفض السجّادة الفتل الاعتباطي ← تطرد المجال أو تسمح به فقط كدوّامات مُكمّاة.
• بين سجادتين يُمكن حياكة جسر طور في شقٍّ شبه حرج ← ينساب تيارٌ فائق بلا جهد، وتحت الميكروويف ينغلق الجهد على درجات منتظمة.