شبیه سازی ابررسانایی دمای بالا به کمک اتم های گازی دمای پایین!

ابررسانایی دمای بالا ، یکی از حوزه های جذابی است که در صورت عملی شدن می تواند، تاثیر شگرفی بر علم و صنعت بگذارد. اما دانشمندان ابررسانایی دمای بالا را هنوز به خوبی درک نکرده اند، زیرا هیچ کامپیوتری قادر به شبیه سازی آن نیست، اما در این مقاله خواهیم دید که محققان با روشی هوشمندانه و به کمک اتم های گازی، موفق به شبیه سازی ابررسانایی دمای بالا شده اند. با دیپ لوک همراه باشید…

اگر بخواهید اتم های یک بطری حاوی یک گاز را با استفاده از میکروسکوپ های قدرتمند امروزی مشاهده کنید، یک سایه ی تار خواهید دید، چرا که اتم ها، با سرعت بسیار زیادی در حال حرکتند و دیدن آنها به صورت جدا، واقعا دشوار است. اگر اتم ها را سرد کنیم، سرعت آنها بسیار کمتر شده و می توانیم بهتر آنها را ببینیم و حالا آن سایه ی تار، واضح تر خواهد شد. این ترفندی است که دانشمندان برای مطالعه ی اتم ها و حالت های عجیب و غریب ماده مانند ابرسیال ها، ابررسانایی دمای بالا و آهنرباهای کوانتومی استفاده می کنند.

فیزیکدانان MIT، گازی متشکل از اتم های پتاسیم را تا چندین درجه ی کلوین، سرد کرده و آنها را درون یک صفحه ی دو بعدی یک شبکه ی نوری (متشکل از لیزرهای متقاطع)، به دام انداختند؛ سپس با استفاده از یک میکروسکوپ با قدرت تفکیک بالا، از آنها عکس گرفتند. محققان با بررسی چند صد عکس، اتم های جداگانه ای را مشاهده کردند که با توجه به مکانشان در شبکه، به طرز عجیبی با یکدیگر برهمکنش می کردند. برخی اتم ها، رفتار ضداجتماعی از خود نشان داده و دور از یکدیگر قرار می گرفتند، در حالیکه برخی دیگر با تغییر جهت مغناطیسی، به یکدیگر چسبیده و یک خوشه را تشکیل داده بودند. حتی برخی اتم ها روی اتم دیگر قرار گرفته و در نتیجه فضاهای خالی یا حفره هایی درشبکه ایجاد کرده بود.

دانشمندان معتقدند این همبستگی های خاص می توانند ریشه ی ابررسانایی را توضیح دهند. ابررساناها، مواد جالبی هستند که الکترون های آنها، بدون اصطکاک، با یکدیگر جفت شده و حرکت می کنند و این بدان معناست که هیچگون اتلاف انرژی در حرکت آنها اتفاق نمی افتد و این همان مزیتی است که بشر همیشه به دنبال آن بوده است. اگر بتوان ابررساناها را طوری طراحی کرد که در دمای اتاق وجود داشته باشند (ابررسانایی دمای بالا)، با قاطعیت می توان گفت یک انقلاب شگفت انگیز در حوزه ی الکترونیک آغاز خواهد شد. دانشمندان معتقدند نتایج این پژوهش می تواند آنها را در تشخیص شرایط ایده آل برای رسیدن به ابررسانایی دمای بالا کمک کند. در واقع آنها باور دارند که به کمک این مدل اتمی، می توانیم اتفاقات دل ابررسانا را درک کرده و سپس با استفاده از این اطلاعات، ابررسانای دمای اتاق طراحی کنیم. نتایج این تحقیق جالب دو روز پیش در ژورنال مشهور ساینس به چاپ رسید. تیم این پژوهش شامل دانشمندانی از دانشگاه های MIT، هاروارد، سن خوزه، اوهایو، ریو دو ژانیرو و پن بود.

درک رفتار الکترون ها به کمک اتم ها

مدلسازی ابررسانایی دمای بالا حتی با استفاده از قویترین کامپیوترهای امروزی هم غیر ممکن است، زیرا برهمکنش بین الکترون ها، بسیار قوی است، بنابراین محققان با یک ترفند هوشمندانه، سعی کردند تا رفتار الکترون ها را درک کنند. به این منظور، آنها از اتم های گازی به عنوان یک شبیه ساز کوانتومی، استفاده کردند. در واقع آنها به کمک اتم های یک گاز، رفتار الکترون های یک جامد ابررسانا را شبیه سازی کردند.

اما این سوال پیش می آید که با چه استدلالی، این شبیه سازی، معتبر است؟ دانشمندان با استفاده از چند استدلال تاریخی به این سوال پاسخ دادند:

۱- در سال ۱۹۲۵، ولفگانگ پائولی، اصل طرد پائولی را فرمول بندی کرد که بیان می کند هیچ دو الکترونی نمی توانند حالت کوانتومی یکسانی را اشغال کنند. او فرض کرد اطراف هر الکترون، یک فضای کروی وجود دارد که هیچ الکترون دیگری حق ورود به آن را ندارد که به حفره ی پائولی مشهور است. نظریه ی او برای توضیح ساختار جدول تناوبی عناصر، استفاده شد: آرایش های متفاوت الکترون ها منجر به تولید عناصر متفاوتی می شوند، مثلا آرایش الکترون ها در اتم کربن با اتم هیدروژن متفاوت است. (این مفاهیم به طور مفصل در تازه ترین قسمت کلاس درس کوانتومی توضیح داده شده است).

۲- فیزیکدان ایتالیایی، انریکو فرمی دریافت که اصل طرد پائولی، نه تنها در مورد الکترون ها، بلکه در مورد اتم های یک گاز هم قابل استفاده است: میزان تمایل اتم ها برای قرار گرفتن در کنار یکدیگر، ویژگی هایی مانند تراکم پذیری را تعریف می کند. از طرفی او فهمید که این گازها در دمای پایین، می توانند به شیوه های عجیب و غریبی رفتار کنند.

۳- در نهایت، فیزیکدان انگلیسی، جان هوبارد اصل طرد پائولی را در نظریه ای به نام مدل فرمی-هوبارد، استفاده کرد که ساده ترین مدل برای توضیح برهمکنش اتم ها در یک شبکه است. امروزه، از این مدل برای توضیح ریشه ی ابررسانایی استفاده می شود. اگرچه نظریه پردازان به کمک این مدل می توانند رفتار الکترون های ابررسانا را محاسبه کنند، اما این توانایی فقط به الکترون هایی با برهمکنش ضعیف، محدود می شود. در واقع، یکی از دلایل مهمی که ابررسانایی دمای بالا را درک نمی کنیم، برهمکنش بسیار قوی بین الکترون هاست. هیچ کامپیوتر کلاسیکی در جهان نمی تواند برهکمنش بین الکترون ها را در دمای بسیار پایین، محاسبه کند. از طرفی همبستگی های بین آنها هیچگاه به صورت جداگانه و در جا، مشاهده نشده، زیرا هیچ کس یک میکروسکوپ برای نگاه کردن به هر الکترون به صورت مجزا در اختیار ندارد!

عکس های اتمی!

در این پژوهش، دانشمندان به دنبال آن بودند تا آزمایشی برای درک مدل فرمی-هوبارد با اتم ها طراحی کنند، به امید اینکه رفتار اتم های فوق سرد  را در الکترون های دخیل در ابررسانایی دمای بالا هم ببینند. آنها قبلا یک روش آزمایشگاهی طراحی کرده بودند که در آن، ابتدا اتم های گازی را تا نزدیکی صفر مطلق، سرد کردند و سپس آنها را در یک صفحه ی دو بعدی شبکه ای و متشکل از دو لیزر متقاطع، به دام انداختند. در چنین دمایی، اتم ها به قدر کافی آهسته می شوند به طوری که برای اولین بار، محققان توانستند از برهمکنش آنها در شبکه، عکس بگیرند.

اجازه دهید ببینیم دانشمندان در این عکس چه چیزی دیدند: در لبه های شبکه، یعنی جاییکه گاز رقیق تر می شود، محققان توانستند حفره های پائولی را در اطراف اتم ها، مشاهده کنند. اما جالب اینجاست زمانیکه فشار بیشتر شد و اتم ها متراکم شدند، رفتارهای غیرعادی ظاهر شد: اتم ها در برابر ورود سایر اتم ها به حفره ی اطرافشان، تسلیم شدند و بسیار محکم به یکدیگر چسبیدند. در جایی دیگر، اتم ها روی یکدیگر قرار گرفته بودند که یادآور مکانیسمی است که برای ابررسانایی دمای بالا پیشنهاد شد. طبق این مکانیسم، جفت الکترون های مستقر در مرز دو شبکه ی همسایه می توانند بدون اصطکاک جابه جا شوند، البته در صورتی که فضای خالی کافی در اختیار داشته باشند. با توجه به تفاسیر بالا، آزمایش های انجام شده با اتم های گازی می تواند به دانشمندان در تشخیص شرایط ایده آل برای ابررسانایی دمای بالا کمک کند.

دانلود مقاله ی اصلی به صورت PDF