Real Time Web Analytics اوربیتال‌های الکترونی،کلید معمای ابررسانایی دما بالا! | دیپ لوک

اوربیتال‌های الکترونی،کلید معمای ابررسانایی دما بالا!

1

ابررسانایی، به معنای عبور جریان الکتریکی بدون مقاومت، یکی از جذاب‌ترین حوزه‌های تحقیقاتی فیزیک این روزهاست. در این میان، ابررسانایی دمای بالا، به دلیل کاربردهای بالقوه‌اش در زندگی روزمره، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. حالا گروهی از دانشمندان شواهدی برای نوع جدیدی از جفت شدگی الکترون که منجر به ابررسانایی دمای بالا می‌شود، یافته‌اند. نتایج این پژوهش که در مجله Science منتشر شده، مبنایی مشابه برای توصیف ابررسانایی مواد متفاوت (مانند ترکیبات بر پایه فلز مس و ترکیباتی بر پایه فلز آهن) بدست می‌دهد. با دیپ لوک همراه باشید…

طبق گفته دانشمندان، ویژگی های متفاوتی از مواد الکترونیکی در واقع کلیدی برای مشترک بودن را دارند. آنها می‌گویند:

دانشمندان بر این باورند که نقطه‌ی آغاز ابررسانایی در این دو دسته از مواد، بسیار متفاوت از یکدیگر است و برای توصیف ابررسانایی هر یک، به دیدگاه‌های نظری متفاوتی نیاز خواهیم داشت. این در حالی است که انگیزه‌ی ما کشف مشترکات این دو سیستمکاملا متفاوت است.

دانشمندان دریافته‌اند که مکانیسم ابررسانایی در ترکیبات اکسید مس، به توانایی جفت‌شدن الکترون‌های اتم‌های مجاور مس بستگی دارد. هر اتم مس، یک الکترون در لایه آخر انرژی خود دارد. در حالی که الکترون های اتم های مجاور مس با یکدیگر به شدت برهمکنش می‌کنند، الکترون های لایه‌های درونی آن‌ها در جای خود قفل شده و در «ترافیک کوانتومی» گیر می‌افتند. ماده بدون حرکت الکترونی، به عنوان یک عایق الکتریکی «به شدت وابسته» عمل می‌کند. حذف برخی از الکترون‌هایی که روی اتم‌های مس قرار می‌گیرند، موجب ایجاد حفره‌های الکترونی خواهد شد. ایجاد حفره باعث کاهش ترافیک مکانیک کوانتومی می‌گردد، بنابراین زمانی که مواد تا یک دمای خاص سرد می‌شوند، جفت الکترون‌های با اسپین مخالف تشکیل شده و سپس آزادانه مانند یک زیپ عمل کرده و بدون هیچگونه محدودیتی موجب ابررسانایی می‌گردند.

اتم‌های آهن که بار هسته کمتری نسبت اتم‌های مس دارند، نیروی کمتری بر الکترون‌های خود اعمال می‌کنند. بنابراین به جای پُرکردن اوربیتال‌های الکترونی، الکترون‌های لایه‌های خارجی‌تر به صورت جفت نشده و با اسپین مشابه باقی خواهند ماند؛ اگرچه از نظر الکتریکی فعال هستند. همسویی الکترون‌های جفت نشده در آهن باعث خاصیت مغناطیسی و فلزی فوق العاده‌ی آن شده است، بنابراین علت رسانایی بالای اتم‌های آهن مشخص است. اما اینکه چگونه اتم‌های آهن در دما‌های بالا و بدون هیچگونه برهمکنش قوی (مانند آنچه در اتم‌های مس رُخ می‌دهد)، به صورت ابررسانا‌های با مقاومت صفر عمل می‌نمایند، واضح نیست.

فیزیکدانان نظری، با در نظر گرفتن این نکته که الکترون‌های با اسپین مخالف در اوربیتال‌های مختلف آهن می‌توانند نقش‌های مختلفی بازی کنند، در صدد رفع این ابهام برآمده‌اند. شاید الکترون‌های جفت نشده در یک مدار خاص بتوانند الکترون‌ها را در همان مدار در اتم مجاور برای انتقال جریان جفت کنند، در حالی که الکترون‌ها در  اوربیتال‌های دیگر اثرات پوششی، مغناطیسی و فلزی را ایجاد می‌کنند. محققان می‌گویند:

چالش پیش روی ما پیدا کردن راهی برای مشخص کردن تعداد الکترون‌هایی است که باعث ابررسانایی و اثرات پوششی می‌شوند.

آهن ابررساناابررسانایی بر پایه آهن در موادی مانند سلنید آهن رخ می‌دهد که دارای صفحات کریستالی لایه‌های اتم‌های آهن است (شکل بالا). در این لایه‌های آهنی، هر اتم آهن دارای دو نوع اَبر یا اوربیتال الکترونی فعال است (اوربیتال‌های  dxz به رنگ قرمز و dyz به رنگ آبی) که هر کدام دارای یک الکترون هستند. دانشمندان با شبیه سازی حالت های الکترونی در هر یک از این صفحات آهنی در سلنید آهن دریافتند که الکترون‌های موجود در اوربیتال dxz قادر به تشکیل جفت‌های مس و مشارکت در ابررسانایی نیستند، اما باعث ایجاد حالت فلزی در راستای محور x خواهند شد. اما در سوی دیگر اوربیتال‌های dyz، جفت های قوی مس با اتم‌های همسایه تشکیل می‌دهند و در نتیجه باعث القای ابررسانایی قابل توجه در سلنید آهن می‌شوند. تلاش برای یافتن موادی که در آن‌ها جفت شدگی الکترون به صورت «اوربیتال گزین» صورت می‌گیرد ممکن است منجر به کشف ابررسانا های جدید گردد.

در این پژوهش، نخستین بار شواهدی برای جفت شدگی الکترون‌ها به صورت اوربیتال گزین (orbital-selesctive) ارائه شده است. تیم دانشمندان که به صورت نظری بر روی پدیده‌ی ابررسانایی کار می‌کردند، امضا‌های الکترونی مرتیط با هر یک از اوربیتال‌های آهن را تعریف کردند. سپس تیم دانشمندان تجربی با استفاده از تکنیک تصویربرداری STM (میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی)، انرژی و تکانه‌ی الکترون‌های موجود در یک نمونه‌ی سنتزی از سلنید آهن را اندازه‌گیری نمودند. مقایسه‌‌ی اندازه‌گیری‌ها با امضاهای الکترونی پیش‌بینی شده، امکان شناسایی هر الکترون در اوربیتال مشخص را فراهم کرد. آنها می‌گویند:

با استفاده از این یافته‌ها ما قادر به اندازه‌گیری انرژی اتصال و تکانه الکترون‌ها در جفت‌های مس که مسوول ابررسانایی هستند، شدیم. ما توانستیم نشان دهیم که تقریبا تمام الکترون ها در جفت مس در سلنید آهن، از یک اوربیتال خاص با انرژی کمتر (dyz) بودند. یافته ها همچنین حاکی از این است که الکترون در اوربیتال های خارجی آهن در سلنیم آهن، نقش پوششی ایفا می کنند، مانند آنچه در ترکیبات اکسید مس وجود دارد. از آنجایی که سلنید آهن معمولا هدایت الکتریکی خوبی را نشان می‌دهد، چگونه می‌توان دریافت که الکترون‌ها در این مدار چگونه عمل می‌کنند؟

با این ویژگی پوششی اوربیتال‌های لایه‌ی خارجی اتم‌های آهن، ترکیبات آهن تمام ویژگی‌های لازم برای اینکه به صورت یک ابررسانا مانند ترکیبات مس عمل کنند را دارا هستند (برهمکنش مغناطیسی قوی الکترون‌های مستقر و حالت فلزی که اجازه می‌دهد این جفت‌ها حرکت کنند)، با این تفاوت که در سلنید آهن، این مشارکت الکترون‌ها در ابررسانایی ناشی از الکترون های مختلف در سه اوربیتال فعال جداگانه است، در صورتی که در ترکیبات مس به دلیل مشارکت تک الکترون در یک اوربیتال فعال در مس، به وجود می‌آید. نتایج این تحقیق می‌تواند جستجوی ابررساناهای جدید که به طور بالقوه در دماهای بالاتر عمل می‌کنند را گسترش دهد. چنین ابررسانا‌هایی دارای کاربرد‌های بیشتری برای ذخیره‌ی انرژی در دنیای واقعی هستند. 

مقاله اصلی را در زیر مشاهده کنید:

دانلود این مقاله

دکترای شیمی معدنی از دانشگاه فردوسی مشهد علاقه مند به بیو شیمی معدنی و شیمی محاسباتی مخصوصا بررسی نقش فلزات در سیستم های زیستی مانند نقش آهن در تالاسمی!

گفتگو۱ دیدگاه

  1. انتقال الکترون باابررسانا و انتقال الکترون باسیستم جدید انتقال بدون سیم باکمک سیستمهای جدیدکوانتومی نسبیتی مانندمقایسه مخابرات فیبرنوری با مخابرات مبنی بر امواج رادیویی هست

ارسال نظر

*