کشف نوع جدیدی از ابررسانایی : دنیای هیجان‌انگیزی که قابل‌ تصور نبود!

ابررسانایی پدیده‌‌ی عجیب و جذابی است که تحولات بسیاری را به ارمغان آورده و دانشمندان در تلاشند تا بتوانند از ثمرات این پدیده‌ی جالب، بیشتر و بهتر بهره‌مند بشوند. با وجود پیشرفت‌های بسیاری که در تاریخ صد ساله‌ی تحقیقات این عرصه رخ داده، اکنون دانشمندان توانسته‌اند گام مهمی دیگری بردارند و آن، کشف نوع جدیدی از ابررسانایی است. این کشف مهم که طی مقاله‌ای چهار روز پیش در مجله معتبر Science Advances گزارش شد، پنجره‌ی تازه‌ای به سوی دنیایی ناشناخته باز می‌کند. با دیپ‌لوک همراه باشید…

یکی از مهمترین اهداف فیزیک مدرن، استفاده از قدرت ابررسانایی است، به گونه‌ای که جریان الکتریسیته در دمای اتاق، با مقاومت الکتریکی صفر جریان یابد. پیشرفت در حوزه‌ی ابررسانی، کند شده بود، تا اکنون که فیزیکدانان به یک پیشرفت دور از انتظار دست یافته‌اند. آنها نوعی ابررسانایی کشف کرده‌اند که قبلا مشابه آن مشاهده نشده بود. به عبارت دیگر، آنها یک نوع کاملا جدید از ابررسانایی را شناسایی کرده‌اند.

چرا این موضوع اهمیت دارد؟ وقتی الکتریسیته به طور عادی درون یک ماده جریان می‌یابد، مثلا وقتی کلید روشن کردن لامپ را می‌زنید، الکتریسیته از درون سیم‌های داخل دیوار عبور می‌کند؛ این جریان الکتریکی سریع است، اما بهره‌وری به شدت پایینی دارد. الکتریسیته توسط الکترون‌هایی حمل می‌شود که درون ماده و در طول مسیر به اتم‌ها برخورد می‌کنند و در هر برخورد، مقداری از انرژی خود را از دست می‌دهند. این پدیده که مقاومت الکتریکی نام دارد، باعث از دست رفتن الکتریسیته‌ی شبکه‌ها تا میزان ۷ درصد می‌شود. اما هنگامی که مواد تا دماهای بسیار پایین، سرد می‌شوند، اتفاقی دیگری رخ می‌دهد: الکترون‌ها جفت شده و بدون مقاومت جریان می‌یابند. این پدیده ابررسانایی نام دارد و ظرفیت بسیار بالایی برای تحول دنیای ما دارد. به این معنی که بهره‌وری صنایع الکترونیکی را به شدت، افزایش می‌دهد.

خبر خوب اینکه این پدیده در مواد بسیاری، خیلی قبل‌تر کشف شده است. در حقیقت، ابررسانایی قبلا برای ساخت میدان‌های مغناطیسی قوی در دستگاه‌های MRI و قطارهای مغناطیسی مورد استفاده قرار گرفته است. خبر بد اینکه، ابرسانایی به تجهیزات حجیم و گرانی نیاز دارد تا دما به اندازه‌ی کافی سرد نگاه داشته شوند. در نتیجه این پدیده برای کاربردهای وسیع‌تر بلااستفاده باقی می‌ماند.

اکنون محققان دانشگاه مریلند، هنگام بررسی یک ماده عجیب و ناشناخته در دماهای بسیار پایین، نوع جدیدی از ابررسانایی را مشاهده کرده‌اند. این نوع ابررسانایی نه تنها در مواد غیرقابل انتظاری رخ می‌دهد، بلکه به نظر می‌رسد به برهمکنش‌های بین الکترونی بستگی دارد که با جفت‌شدگی الکترون‌ها که تاکنون دیده شده بود، کاملا متفاوت است. هنوز اطلاعاتی در مورد ظرفیت‌های این نوع ابررسانایی وجود ندارد.

برای درک تفاوت این دو نوع ابررسانایی، ابتدا باید بدانیم که برهمکنش الکترون‌ها با یکدیگر با ویژگی کوانتومی اسپین تعیین می‌شود. در ابررساناهای معمولی، الکترون‌ها اسپین ۱/۲ دارند، اما در این مواد خاص که تحت عنوان YPtBi شناخته می‌شوند، اسپین الکترون‌ها ۳/۲ است. دانشمندان می‌گویند:

هیچ کس فکر نمی‌کرد چنین حالتی در مواد جامد وجود داشته باشد. حالت‌های پر اسپین‌ (High-spin) ممکن است در اتم‌های مجزا و منفرد رخ دهد، اما اگر اتم‌ها را در یک جامد، کنار یکدیگر قرار دهیم، این حالت‌ها، معمولا شکسته شده و اسپین‌ ۱/۲ بوجود می‌آید.

YPtBi اولین نمونه‌ای بود که بیست سال قبل به عنوان یک ابررسانا کشف شد و در عین حال یک شگفتی درون آن وجود داشت؛ به این علت که، این ماده با یکی از مهم‌ترین معیارها، یعنی رسانایی بالا با داشتن تعداد زیادی الکترون آزاد در دماهای عادی، به هیچ وجه سازگاری نداشت. با توجه به نظریه‌های معمول، YPtBi باید هزار برابر، الکترون بیشتر داشته باشد تا در دمای زیر ۰.۸ کلوین ابررسانا باشد، اما وقتی محققان این ماده را سرد کردند، مشاهده کردند که ابررسانایی در هر صورت، رخ می‌دهد.

برای کشف راز این پدیده، دانشمندان نحوه‌ی برهمکنش ماده با میدان‌های مغناطیسی را بررسی کردند. به طور معمول هنگامی که یک ماده تحت تغییراتی در جهت ابررسانا شدن قرار می‌گیرد، سعی خواهد کرد هرگونه میدان مغناطیسی اضافه‌شده را از سطح خود بیرون بیاندازد، اما یک میدان مغناطیسی، قبل از اینکه به سرعت از بین برود، می‌تواند کمی به داخل ماده نفوذ کند. مقدار نفوذ میدان‌های مغناطیسی، به طبیعت جفت‌شدگی الکترون‌های داخل ماده بستگی دارد.

محققان از سیم‌پیچ‌های مسی برای شناسایی تغییرات ویژگی‌های مغناطیسی YPtBi، بر حسب تغییرات دما، استفاده کردند. چیزی که آنها بدست آوردند شگفت‌انگیز بود. با افزایش دمای ماده از صفر کلوین، مقدار نفوذ میدان مغناطیسی در ماده، بصورت خطی افزایش می‌یافت. درحالیکه این افزایش، آنطور که قبلا مشاهده شده بود، بصورت نمایی بود. بعد از انجام اندازه‌گیری‌ها و محاسبات، محققان به این نتیجه رسیدند که بهترین توضیح برای اتفاقی که رخ می‌دهد، این است که الکترون‌ها به ذراتی با اسپین بالاتر تبدیل شده‌اند. این پدیده چیزی بود که تا آن زمان حتی احتمال رخ دادن آن، قابل تصور نبود. اگرچه این نوع ابررسانایی هنوز به دماهای بسیار پایین نیاز دارد، اما زمینه‌ی تحقیقاتی جدیدی را باز می‌کند. دانشمندان می‌گویند:

ما محدود به ذرات جفت‌شده با اسپین ۱/۲ بودیم، اما اگر با اسپین‌های بالا شروع کنیم، حوزه‌ی تحقیقات ابررسانایی گسترش یافته و بسیار جالب می‌شود. در حال حاضر در ابتدای این مسیر قرار داریم و ناشناخته‌های زیادی وجود دارد که باید بیاموزیم. اکنون ما نوع کاملا جدیدی از ابررسانایی داریم که پیشرفت جدیدی به تاریخ صد ساله‌ی این تحقیقات می‌افزاید.