Brian Josephson

في الاحتضان البارد للهيليوم السائل، تتجلى ظاهرة تبدو مستحيلة: تيار كهربائي يتدفق بسهولة، دون أن تعيقه مقاومة. هذه هي الموصلية الفائقة، وهي حالة كمومية تتحرك فيها الإلكترونات في تناغم تام. ولكن في عام ألف وتسعمائة واثنين وستين، تنبأ الفيزيائي البريطاني الشاب، براين جوزيفسون، بشيء أكثر استثنائية. فقد اقترح أن هذا "التيار الفائق" يمكن أن ينفق كمومياً عبر حاجز عازل رقيق يفصل بين موصلين فائقين، وهو إنجاز اعتبرته الفيزياء الكلاسيكية مستحيلاً.

لفهم رؤية جوزيفسون، يجب علينا أولاً فهم الموصلية الفائقة. اكتشفها هايك كامرلينغ أونس في عام ألف وتسعمئة وأحد عشر، وتسمح هذه الحالة لبعض المواد، عند تبريدها إلى ما يقرب من الصفر المطلق، بتوصيل الكهرباء بمقاومة صفرية. فبدلاً من أن تتشتت الإلكترونات، تتزاوج لتشكل "أزواج كوبر" - وهو رقص كمي دقيق يسمح لها بالانزلاق عبر المادة دون عوائق، حاملة التيار إلى أجل غير مسمى. وقد أرست هذه الظاهرة الكمومية العيانية الأساس للاختراقات المستقبلية.

قبل جوزيفسون، بدت فكرة تحرك الإلكترونات عبر مادة عازلة متناقضة. ومع ذلك، تسمح مبادئ ميكانيكا الكم بحدوث "النفق الكمومي". وفي هذا التأثير غير البديهي، يمكن لجسيم أن يمر عبر حاجز طاقة، حتى لو لم يمتلك طاقة كلاسيكية كافية لتجاوزه. إنه كما لو أن كرة يمكن أن تمر عبر جدار بدون ثقب، وهي مجرد احتمالية ميكانيكية كمومية بحتة. وقد لوحظت هذه الظاهرة بالفعل في أشباه الموصلات من قبل ليو إيساكي وفي الموصلات الفائقة من قبل إيفار غيايفر.

بناءً على مفهوم النفق الكمومي، أحدث برايان جوزيفسون، الذي كان آنذاك طالب دكتوراه في كامبريدج، قفزة نظرية عميقة. فبينما أظهرت الأعمال السابقة أن الإلكترونات الفردية تنفق، تجرأ جوزيفسون على التساؤل: هل يمكن لأزواج كوبر أن تنفق؟ والأهم من ذلك، هل يمكن لتيار فائق - وهو تدفق من الإلكترونات المزدوجة - أن ينفق عبر طبقة عازلة رقيقة بين موصلين فائقين دون تطبيق أي جهد كهربائي؟ كان هذا خروجًا جذريًا، وتنبأ بتأثير كمومي عياني.

توقع جوزفسون، المعروف الآن بتأثير جوزفسون للتيار المستمر، أن تيارًا فائقًا يمكن أن يتدفق بالفعل عبر "وصلة" كهذه حتى بدون جهد كهربائي مطبق، وصولاً إلى تيار حرج. وهذا يعني أن الدالة الموجية الكمومية التي تصف أزواج كوبر حافظت على تماسكها، أو "طورها"، عبر الحاجز العازل. لقد كان ذلك تجليًا مباشرًا لميكانيكا الكم على نطاق عياني، وهو أمر مدهش حقًا.

بالإضافة إلى تيار جوزيفسون الفائق المستمر، تنبأ جوزيفسون أيضًا بتأثير جوزيفسون المتردد: إذا تم تطبيق جهد عبر الوصلة، فإن التيار الفائق سيتذبذب بتردد دقيق بشكل لا يصدق يتناسب مع هذا الجهد. هذا التنبؤ الرائد يعني أنه يمكن تحويل الجهد إلى تردد، والعكس صحيح، بدقة لا مثيل لها. أصبحت هذه العلاقة الأساسية حجر الزاوية في القياسات عالية الدقة.

تأكدت تنبؤات جوزيفسون النظرية بسرعة تجريبياً في عامي ألف وتسعمئة واثنين وستين وثلاثة وستين على يد فيليب أندرسون وجون راويل في مختبرات بيل. وقد أكسبه وضوح وعمق عمله، الذي طوره خلال دراسته للدكتوراه، نصيباً من جائزة نوبل في الفيزياء عام ألف وتسعمئة وثلاثة وسبعين، مما جعله أحد أصغر الحائزين على الجائزة على الإطلاق في الثالثة والثلاثين من عمره. وقد أظهر عمله، إلى جانب عمل إيساكي وجيايفر، قوة ميكانيكا الكم في تفسير الظواهر العيانية.

أحد أبرز تطبيقات تأثير جوزيفسون هو جهاز التداخل الكمي فائق التوصيل، أو سكْويد (SQUID). تستطيع مقاييس المغناطيسية هذه، شديدة الحساسية، الكشف عن حقول مغناطيسية أضعف بملايين المرات من المجال المغناطيسي للأرض. تستغل أجهزة السكْويد التداخل الكمي للتيارات الفائقة التي تمر عبر نفقين متوازيين من وصلات جوزيفسون، مما يخلق كاشفًا للمجال المغناطيسي عالي الحساسية.

لقد أحدثت أجهزة السكويد ثورة في مجالات متعددة، من الطب، حيث ترسم خرائط المجالات المغناطيسية الخافتة للغاية الناتجة عن نشاط الدماغ (تخطيط الدماغ المغناطيسي، MEG)، إلى الجيولوجيا، حيث تكتشف الشذوذات المغناطيسية الدقيقة في أعماق الأرض. وبعيداً عن أجهزة السكويد، تُعد وصلات جوزيفسون مكونات أساسية في الحوسبة الكمومية، حيث تعمل ككيوبتات فائقة التوصيل. ويقدم سلوكها الكمومي الدقيق، الذي توقعه جوزيفسون، مساراً لفتح قوة حاسوبية لا مثيل لها.

لقد ربط العمل الرائد لـ برايان جوزيفسون العالم المجهري لميكانيكا الكم بالظواهر المرئية على المستوى العياني. معادلاته، التي استنتجها عندما كان طالبًا، لم تكشف فقط عن تأثير كمي جديد، بل أدت أيضًا إلى ظهور جيل من أجهزة الاستشعار فائقة الحساسية ووضعت عناصر أساسية لتقنيات الكم المستقبلية. يذكرنا إرثه بأن حتى أكثر التنبؤات النظرية تجريدًا يمكن أن تعيد تشكيل فهمنا للفيزياء بشكل كبير وتدفع ابتكارات الغد.