به گزارش خبرنگار علم و فناوری ایسکانیوز؛ دانشمندان سال‌هاست که تصور می‌کنند آهنرباها و ابررساناها مانند روغن و آب با هم ترکیب می‌شوند، اما یافته جدید فیزیکدانان MIT این فرض ۱۰۰ ساله را به چالش کشیده است. آنها این ابررسانایی عجیب و غریب را در یک ماده شگفت‌آور معمولی مشاهده کردند: گرافیت، ماده اصلی در نوک مداد.
گرافیت از لایه‌های زیادی از گرافن - صفحات نازک اتمی و شبکه‌ای از اتم‌های کربن - ساخته شده است که روی هم انباشته شده‌اند و می‌توانند به راحتی هنگام اعمال فشار، مانند فشار دادن برای نوشتن روی یک تکه کاغذ، پوسته پوسته شوند. یک پوسته گرافیت می‌تواند حاوی چندین میلیون صفحه گرافن باشد که معمولاً به گونه‌ای روی هم انباشته می‌شوند که هر لایه با لایه‌های دیگر هم‌تراز می‌شود. اما هر از گاهی، گرافیت حاوی حفره‌های کوچکی است که گرافن در آنها با الگویی متفاوت، شبیه به پلکانی از لایه‌های نامتقارن، روی هم چیده شده است.
تیم MIT دریافته است که وقتی چهار یا پنج ورق گرافن در این پیکربندی «رومبوهدرال» روی هم چیده می‌شوند، ساختار حاصل می‌تواند خواص الکترونیکی استثنایی از خود نشان دهد که در گرافیت به طور کلی دیده نمی‌شود.
در مطالعه جدید خود، فیزیکدانان پوسته‌های میکروسکوپی گرافن رومبوهدرال را از گرافیت جدا کردند و پوسته‌ها را تحت آزمایش‌های الکتریکی قرار دادند. آنها دریافتند که وقتی پوسته‌ها تا دمای منفی ۲۷۳ (۳۰۰ میلی‌کلوین) سرد می‌شوند، ماده به یک ابررسانا تبدیل می‌شود، به این معنی که هر جریان الکتریکی که از ماده عبور می‌کند می‌تواند بدون مقاومت از آن عبور کند.
آنها همچنین دریافتند که وقتی یک میدان مغناطیسی خارجی را به بالا و پایین جاروب می‌کنند، پوسته‌ها می‌توانند بین ۲ حالت ابررسانایی مختلف، درست مانند یک آهنربا، تغییر حالت دهند. این نشان می‌دهد که ابررسانا دارای نوعی مغناطیس درونی و ذاتی است. چنین رفتار سوئیچینگی در سایر ابررساناها وجود ندارد.
«لانگ جو»، استادیار فیزیک در دانشگاه MIT، می‌گوید: باور عمومی این است که ابررساناها میدان‌های مغناطیسی را دوست ندارند. اما ما معتقدیم که این اولین مشاهده از یک ابررسانا است که مانند یک آهنربا رفتار می‌کند، با چنین شواهد مستقیم و ساده‌ای. و این چیز کاملاً عجیبی است، زیرا برخلاف تصور عمومی مردم در مورد ابررسانایی و مغناطیس است.
جو نویسنده ارشد این تیم تحقیقاتی است که شامل محققانی از دانشگاه ایالتی فلوریدا، دانشگاه بازل در سوئیس و موسسه ملی علوم مواد در ژاپن است.
پیچش گرافن
در مواد رسانای روزمره، الکترون‌ها در یک حرکت آشفته جریان می‌یابند، با یکدیگر برخورد می‌کنند و از شبکه اتمی ماده خارج می‌شوند. هر بار که یک الکترون از یک اتم پراکنده می‌شود، در اصل با مقداری مقاومت مواجه شده و در نتیجه مقداری انرژی، معمولاً به شکل گرما، از دست می‌دهد. در مقابل، هنگامی که مواد خاصی تا دمای فوق سرد سرد می‌شوند، می‌توانند ابررسانا شوند، به این معنی که ماده می‌تواند به الکترون‌ها اجازه دهد تا جفت شوند، چیزی که فیزیکدانان آن را «جفت‌های کوپر» می‌نامند. این جفت‌های الکترونی به جای پراکنده شدن، بدون مقاومت از یک ماده عبور می‌کنند. بنابراین، با یک ابررسانا، هیچ انرژی در انتقال از دست نمی‌رود.
از زمانی که ابررسانایی برای اولین بار در سال ۱۹۱۱ مشاهده شد، فیزیکدانان بارها نشان داده‌اند که مقاومت الکتریکی صفر از ویژگی‌های یک ابررسانا است. یکی دیگر از ویژگی‌های تعیین‌کننده برای اولین بار در سال ۱۹۳۳ مشاهده شد، زمانی که فیزیکدان والتر مایسنر کشف کرد که یک ابررسانا یک میدان مغناطیسی خارجی را دفع می‌کند. این «اثر مایسنر» تا حدودی به دلیل جفت الکترون‌های ابررسانا است که به طور جمعی برای دفع هرگونه میدان مغناطیسی عمل می‌کنند.
فیزیکدانان فرض کرده‌اند که همه مواد ابررسانا باید هم مقاومت الکتریکی صفر و هم دافعه مغناطیسی طبیعی از خود نشان دهند. در واقع، این ۲ ویژگی همان چیزی است که می‌تواند قطارهای مگلو یا «شناور مغناطیسی» را فعال کند، که در آن یک ریل ابررسانا، یک واگن مغناطیسی را دفع و در نتیجه آن را شناور می‌کند.
جو و همکارانش هنگام انجام آزمایش‌های خود در MIT دلیلی برای زیر سوال بردن این فرض نداشتند. در چند سال گذشته، این تیم در حال بررسی خواص الکتریکی گرافن لوزی‌وجهی پنج لایه بوده است. محققان خواص شگفت‌انگیزی را در ساختار گرافن پنج لایه و پله‌مانند مشاهده کرده‌اند، که اخیراً این ساختار به الکترون‌ها اجازه می‌دهد تا به کسری از خودشان تقسیم شوند. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که ساختار پنج لایه روی یک ورق نیترید بور ۶ ضلعی (ماده‌ای شبیه به گرافن) قرار گیرد و کمی با یک زاویه یا پیچش خاص جابجا شود.
محققان که کنجکاو بودند بدانند کسر الکترون‌ها چگونه ممکن است با تغییر شرایط تغییر کند، کشف اولیه خود را با آزمایش‌های مشابه دنبال کردند، این بار با ناهم‌ترازی ساختارهای گرافن و نیترید بور شش‌ضلعی. در کمال تعجب، آنها دریافتند که وقتی ۲ ماده را ناهم‌تراز کردند و جریان الکتریکی را در دماهای کمتر از ۳۰۰ میلی‌کلوین از آنها عبور دادند، مقاومت صفر را اندازه‌گیری کردند. به نظر می‌رسید که پدیده کسر الکترون‌ها ناپدید شده و آنچه در عوض ظاهر شد، ابررسانایی بود.
محققان یک قدم فراتر رفتند تا ببینند که این حالت ابررسانایی جدید چگونه به یک میدان مغناطیسی خارجی پاسخ می‌دهد. آنها یک آهنربا را به همراه یک ولتاژ به ماده اعمال کردند و جریان الکتریکی خروجی از ماده را اندازه‌گیری کردند. همانطور که میدان مغناطیسی را از منفی به مثبت (شبیه به قطب شمال و جنوب) و دوباره به حالت قبل تغییر دادند، مشاهده کردند که ماده حالت ابررسانایی و مقاومت صفر خود را حفظ می‌کند، به جز در ۲ مورد، یک بار در هر ۲ قطب مغناطیسی. در این موارد، مقاومت قبل از بازگشت به صفر و بازگشت به حالت ابررسانایی، برای مدت کوتاهی افزایش یافت.
«زک هجری»، دانشجوی سال اول این گروه، می‌گوید: اگر این یک ابررسانای معمولی بود، تا زمانی که میدان مغناطیسی به نقطه بحرانی نرسد، در مقاومت صفر باقی می‌ماند، جایی که ابررسانایی از بین می‌رود. در عوض، به نظر می‌رسد این ماده بین ۲ حالت ابررسانایی تغییر می‌کند، مانند آهنربایی که ابتدا به سمت بالا است و وقتی میدان مغناطیسی اعمال می‌شود، می‌تواند به سمت پایین بچرخد. بنابراین به نظر می‌رسد که این یک ابررسانا است که مانند آهنربا نیز عمل می‌کند. که هیچ منطقی ندارد!
بی‌همتا
هرچند این کشف ممکن است دور از انتظار به نظر برسد، تیم همین پدیده را در شش نمونه مشابه مشاهده کرد. آنها گمان می‌کنند که پیکربندی منحصر به فرد گرافن رومبوهدرال کلید این موضوع است. این ماده دارای چیدمان بسیار ساده‌ای از اتم‌های کربن است. هنگامی که تا دمای فوق سرد سرد می‌شود، نوسان حرارتی به حداقل می‌رسد و به هر الکترونی که از طریق ماده جریان می‌یابد اجازه می‌دهد تا کند شود، یکدیگر را حس کند و تعامل داشته باشد.
چنین تعاملات کوانتومی می‌تواند منجر به جفت شدن الکترون‌ها و ابررسانایی شود. این تعاملات همچنین می‌توانند الکترون‌ها را به هماهنگی تشویق کنند. به عبارت دیگر، الکترون‌ها می‌توانند به طور جمعی یکی از ۲ حالت تکانه مخالف یا «دره» را اشغال کنند. وقتی همه الکترون‌ها در یک دره هستند، به طور مؤثر در یک جهت می‌چرخند، نه در جهت مخالف. در ابررساناهای معمولی، الکترون‌ها می‌توانند هر ۲ دره را اشغال کنند و هر جفت الکترون معمولاً از الکترون‌های دره‌های مخالف ساخته می‌شود که یکدیگر را خنثی می‌کنند. بنابراین، این جفت در کل، تکانه صفر دارد و نمی‌چرخد.
با این حال، در ساختار ماده تیم، آنها گمان می‌کنند که همه الکترون‌ها به گونه‌ای تعامل می‌کنند که دره یا حالت تکانه یکسانی را به اشتراک بگذارند. وقتی الکترون‌ها جفت می‌شوند، جفت ابررسانا در مجموع تکانه و چرخش «غیر صفر» دارد که به همراه بسیاری از جفت‌های دیگر می‌تواند به یک مغناطیس ابررسانایی داخلی منجر شود.
«تونگهانگ هان»، دانشجوی سال پنجم گروه، توضیح می‌دهد: می‌توانید ۲ الکترون را در یک جفت در حال چرخش در جهت عقربه‌های ساعت یا خلاف جهت عقربه‌های ساعت در نظر بگیرید که مربوط به یک آهنربا به سمت بالا یا پایین است. بنابراین ما فکر می‌کنیم این اولین مشاهده یک ابررسانا است که به دلیل حرکت مداری الکترون‌ها، مانند یک آهنربا رفتار می‌کند، که به عنوان یک ابررسانای کایرال شناخته می‌شود. این یک نوع منحصر به فرد است. همچنین کاندیدایی برای یک ابررسانای توپولوژیکی است که می‌تواند محاسبات کوانتومی قوی را ممکن سازد.
«ژنگ‌گوانگ لو»، دانشجوی سابق فوق دکتری در گروه و اکنون استادیار دانشگاه ایالتی فلوریدا، می‌گوید: هر چیزی که در این ماده کشف کرده‌ایم کاملاً غیرمنتظره بوده است. اما از آنجا که این یک سیستم ساده است، فکر می‌کنیم شانس خوبی برای درک آنچه در حال رخ دادن است داریم و می‌توانیم برخی از اصول فیزیک بسیار عمیق و ژرف را نشان دهیم.
«لیانگ فو»، استاد فیزیک در دانشگاه MIT اضافه می‌کند: واقعاً قابل توجه است که چنین ابررسانای کایرال عجیب و غریبی از چنین مواد ساده‌ای پدید می‌آید. ابررسانایی در گرافن لوزی‌شکل مطمئناً چیزهای زیادی برای ارائه خواهد داشت.
گفتنی است که بخشی از تحقیقات انجام شده در MIT توسط وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی شده است.
انتهای پیام/
نظر شما