في مختبر جامعة توهوكو، جعل الفيزيائيون للمرة الأولى ظاهرة كمومية غير عادية تخضع لأوامر تيار كهربائي. والحديث عن تأثير هول الكمّي الهندسي غير الخطي — وهي حالة لا يزداد فيها الجهد في المادة طردياً مع التيار، بل وفق قانون أكثر تعقيداً. وكان يُعتقد حتى الآن أن هذه «الهندسة» الخاصة بالإلكترونات لا يمكن إعادة تشكيلها من الخارج، كما لا يمكن إعادة رسم خريطة مدينة دون هدم المنازل.
عمل الباحثون مع أغشية رقيقة من المادة المضادة للمغناطيسية Mn₃Sn. في هذه المادة تشكّل سبينات الذرات بنية خاصة ترتبط ارتباطاً وثيقاً بالهندسة الكمومية للإلكترونات. وعند درجة حرارة الغرفة سجّل العلماء الرتبة الثالثة لتأثير هول غير الخطي: إذ تبيّن أن الجهد العرضي يتناسب مع مكعب التيار. وأكدت الحسابات النظرية أن التأثير ناتج فعلاً عن الهندسة الكمومية، لا عن آليات كلاسيكية عادية.
الخطوة الأساسية هي التبديل الكهربائي. فعندما كانت تُمرَّر نبضات تيار قصيرة عبر طبقة مجاورة من معدن ثقيل، كان ينشأ عزم دوراني مداري مغزلي يعيد توجيه البنية المغناطيسية لـ Mn₃Sn. ومعها كانت تتغير إشارة الاستجابة غير الخطية. النبضة الموجبة — إشارة واحدة، والسالبة — الإشارة المعاكسة. وهكذا أصبحت الحالة الكمومية الهندسية قابلة للتحكم للمرة الأولى، كترانزستور عادي.
تخيّل نهراً يمكن ثني مجراه في لحظة بضغطة زر خفيفة: فيبدأ الماء بالجريان لا إلى الأمام فحسب، بل وإلى الجانب أيضاً وفق قانون جديد. هكذا بالضبط تتصرف الإلكترونات في Mn₃Sn تحت تأثير التيار. وتساعد هذه المشابهة على فهم سبب تسمية التأثير غير خطي: فالتناسب المعتاد بين «التيار والجهد» يختل، مما يفتح الطريق أمام أنواع جديدة من معالجة الإشارات.
يربط الاكتشاف بين الهندسة الكمومية والإلكترونيات غير الخطية والإلكترونيات المغزلية. فبدلاً من اعتبار الهندسة الكمومية خاصية ثابتة للمادة، أظهر العلماء كيف يمكن إعادة تشكيلها بالتيار. وهذا يفتح الطريق أمام أجهزة مدمجة — مضاعفات ترددية ومقوّمات — ستعمل بسرعة أكبر واقتصاد أعلى بفضل مبادئ الذاكرة المقاومة المغناطيسية.
أُجريت التجربة على أغشية فوقية عند درجة حرارة الغرفة، ونُشرت في مجلة Newton. ويؤكد المؤلفون: أصبح بالإمكان الآن لا مراقبة الاستجابات الكمومية الهندسية فحسب، بل وتغييرها عن قصد في الزمن الحقيقي.
تضع هذه الأعمال الأساس لإلكترونيات المستقبل، حيث ستصبح الخصائص الكمومية للمواد ليست مجرد موضوع للدراسة، بل أداة عمل يتحكم فيها تيار عادي.
