شناسایی نوعی ابررسانایی کاملا جدید

کشف ابررساناها می تواند تحولی عظیم در انتقال برق بدون مقاومت ایجاد کند و در نتیجه اتلاف توان را به حداقل برساند.

  1. ۸ ماه قبل
شناسایی نوعی ابررسانایی کاملا جدید
به گزارش نوداد (سکوی اجتماعی خبر)

یکی از اهداف نهایی فیزیک مدرن، دستیابی به قدرت ابررسانایی است که در آن برق با مقاومت صفر در دمای اتاق جریان پیدا می کند. تاکنون روند پژوهش ها کند بوده است؛ اما فیزیک دان ها به پیشرفت های قابل توجهی در این زمینه رسیده اند. آن ها موفق به کشف نوعی ابررسانا شده اند که مشابه عملکرد آن تاکنون مشاهده نشده است؛ کشف این ابررسانا یک پنجره ی جدید به سمت احتمالاتی است که تاکنون نادیده گرفته شده اند.

به بیان دیگر، آن ها یک نوع جدید قابلیت ابررسانایی را شناسایی کرده اند؛ اما دلیل اهمیت این کشف چیست؟ به عنوان یک مثال از جریان عادی برق در یک ماده، پس از روشن کردن چراغ، برق به سرعت در سیم های داخل دیوار جریان پیدا می کند؛ اما این فرآیند به شدت غیر بهینه است. الکترون ها جریان برق را حمل می کنند، در ماده با اتم ها برخورد می کنند و در هر بار برخورد انرژی خود را از دست می دهند. به این ویژگی مقاومت گفته می شود، به همین دلیل معمولا شبکه های الکتریسیته تا هفت درصد از برق خود را از دست می دهند؛ اما وقتی مواد تا دماهای پائین سرد شوند، اتفاق دیگری رخ می دهد، الکترون ها جفت می شوند و بدون مقاومت جریان می یابند.

به این خاصیت ابررسانایی می گویند که پتانسیل بالایی برای متحول ساختن دنیای ما دارد و الکترون ها را به شکل غیر قابل تصوری بهینه می سازد. خبر خوب این است که تاکنون این پدیده در بسیاری از مواد کشف شده است. درواقع ابررسانایی معمولا برای ایجاد میدان های مغناطیسی قوی در دستگاه های MRI و قطارهای مگلِو کاربرد دارد.

قطار مگلو

خبر بد این است که سرد نگه داشتن ابررساناها برای دستیابی به این پدیده نیازمند تجهیزات حجیم و گران قیمت است، بنابراین این خاصیت در مقیاس وسیع تر کاربرد خود را از دست می دهد.

پژوهشگرهای دانشگاه مریلند با بررسی یک ماده ی مرموز در دماهای بسیار پائین، موفق به مشاهده ی یک نوع جدید ابررسانایی شدند. به نظر می رسد این نوع ابررسانایی تنها در مواد عجیب و مرموز ظاهر نشود؛ بلکه به واکنش الکترون هایی وابسته است که آرایش الکترونی آن ها با آنچه تاکنون مشاهده کردیم، متفاوت است. در نتیجه نمی توان چندان دقیق در مورد پتانسیل آن ها نظر داد.

برای درک این تفاوت، باید با روش برهم کنش الکترون ها بر اساس یک عدد کوانتومی به نام اسپین آشنا باشید. در ابررساناهای معمولی، الکترون ها حامل اسپین ۱/۲ هستند؛ اما تیم پژوهش در یک نوع ماده ی خاص به نام YptBi، به نتیجه ی دیگری رسیدند: الکترون ها دارای اسپین ۳/۲ بودند. به گفته ی جان پیر پائولیون فیزیک دان و مؤلف ارشد پژوهش:

هیچ کس تصور نمی کرد که این خاصیت در مواد جامد وجود داشته باشد. وضعیت هایی با اسپین بالا در اتم های مستقل وجود دارند ؛ اما وقتی اتم ها را در یک ماده ی جامد کنار یکدیگر قرار دهید، این وضعیت ها معمولا شکسته می شوند و درنهایت یک اسپین ۱/۲ خواهید داشت.

چند سال پیش برای اولین بار ابَررسانایی به نام YptBi کشف شد که در نوع خود یک شگفتی به شمار می رفت؛ زیرا خواص این ماده با معیارهای اصلی ابَررسانا یعنی رسانایی خوب و تعداد زیاد الکترون متحرک در دماهای نرمال سازگار نبود. بر اساس یک نظریه ی قراردادی، YptBi برای تبدیل شدن به ابررسانا در دماهای پایین تر از منفی ۲۷۲.۳۵ درجه ی سانتی گراد، به بیش از هزار برابر الکترون متحرک نیاز دارد؛ اما وقتی پژوهشگرها ماده را سرد کردند، در هر شرایطی ابررسانایی را مشاهده کردند. آخرین بررسی برای درک این فرآیند به بررسی برهم کنش مواد با میدان های مغناطیسی پرداخت تا به درک دقیق از فرآیندهای درونی آن برسد. معمولا وقتی ماده وارد حالت گذار به ابررسانا می شود، تلاش می کند هر میدان مغناطیسی اضافه ای را از سطح خود حذف کند؛ اما میدان مغناطیسی قبل از حذف کامل و سریع، در نزدیکی ماده باقی می ماند. میزان نفوذ میدان به ماده هم به نوع آرایش الکترونی آن وابسته است.

YptBi برای تبدیل شدن به ابررسانا در دماهای پایین تر از منفی ۲۷۲.۳۵ درجه ی سانتی گراد، به بیش از هزار برابر الکترون متحرک نیاز دارد

تیم پژوهش برای کشف تغییرات موجود در خواص مغناطیسی YptBi با دما، از حلقه های مسی استفاده کرد.  نتایج به دست آمده عجیب بودند، زیرا گرم شدن ماده از دمای صفر مطلق شروع شد؛ دمای لازم برای نفوذ میدان مغناطیسی هم به صورت خطی افزایش یافت؛ درحالی که در شرایط عادی، این دما در ابررساناها به صورت نمایی افزایش می یابد.

پس از انجام مجموعه ای از اندازه گیری ها و محاسبات، بهترین توصیف برای فرآیند فوق این بود که الکترون ها باید به عنوان ذراتی با اسپین بالاتر  تبدیل شوند، این احتمال قبلا برای ابررساناها در نظر گرفته نمی شد. بااینکه این نوع جدید ابررسانایی در دماهای بسیار پائین رخ می دهد، اکتشاف های اخیر مسیر جدیدی را در این زمینه باز می کنند. به گفته ی نویسنده ی ارشد، هیونسو کیم:

بررسی های ما قبلا محدود به جفت ذرات با اسپین ۱/۲ محدود بود؛ اما با در نظر گرفتن ذرات با اسپین بالاتر، چشم انداز پژوهش های ابررسانایی توسعه یافته و جذاب تر شد.

هنوز هم نیاز به کسب اطلاعات زیادتر در مورد این پدیده داریم؛ اما کشف این نوع جدید ابررسانایی و تست و اندازه گیری آن به تنهایی می تواند یک پیشرفت عمده در ۱۰۰ سال آینده ی این زمینه ی پژوهشی به شمار برود. به گفته ی پائولیون، در جفت الکترون هایی با اسپین بالا، چه نیرویی باعث نگه داشتن این زوج کنار هم می شود؟ نظریه هایی درمورد علت این پدیده ارائه شده است ؛اما هنوز هم سؤال های اساسی در این مورد مطرح می شوند که آن را جذاب تر از گذشته می سازند.