کشف رفتار «غیرممکن» ابررساناها در دماهای پایین

به گزارش lastech و به نقل از اسپیس، این پیوستگی الکترون‌ها یکی از عناصر مهم در جریان تقریباً بدون اتلاف انرژی در مواد ابررسانا در دماهای بسیار پایین است.
 
تاکنون، از اینکه چرا این پدیده رخ می‌دهد، شگفت‌زده شده‌اند. اما درک این مسئله می‌تواند به آنها کمک کند تا به ابررساناهای دمای اتاق دست یابند.
 
کِه-جون شو (دانشجوی دکتری در فیزیک کاربردی در دانشگاه استنفورد و یکی از نویسندگان مقاله) اظهار می‌دارد: «الکترون‌های جفت‌شده به ما می‌گویند که آماده ابررسانا شدن هستند، اما چیزی مانع آنها می‌شود. اگر ما بتوانیم روشی جدید برای هماهنگ کردن این جفت‌ها پیدا کنیم، ممکن است بتوانیم آن را برای ساخت ابررساناهای با دمای بالاتر به کار بگیریم.»
 
گفتنی است ابررسانایی از نوساناتی که در پی حرکت الکترون‌ها در یک ماده به جا می‌ماند، پدید می‌آید. در دماهای بسیار پایین، این نوسانات هسته‌های اتمی را به سمت یکدیگر جذب می‌کنند و این جاذبه باعث تغییرات کوچکی در بار الکتریکی می‌شود که الکترون دیگری را به الکترون اولی جذب می‌کند.
 
معمولاً دو بار منفی باید یکدیگر را دفع کنند. اما در اینجا، اتفاق عجیبی می‌افتد: الکترون‌ها به یکدیگر متصل می‌شوند و «جفت کوپر» تشکیل می‌دهند.
 
جفت‌های کوپر از قوانین مکانیک کوانتومی متفاوتی نسبت به الکترون‌های تک‌افتاده پیروی می‌کنند. به جای اینکه در لایه‌های انرژی مختلف قرار بگیرند، آنها مانند ذرات نور رفتار می‌کنند و تعداد نامحدودی از آنها می‌تواند در یک نقطه از فضا به طور همزمان حضور داشته باشد.

اگر تعداد کافی از این جفت‌های کوپر در یک ماده ایجاد شود، آنها به یک ابرسیال تبدیل می‌شوند که بدون از دست دادن انرژی به دلیل مقاومت الکتریکی جریان می‌یابد.
 
اولین ابررساناها توسط فیزیکدان هلندی، هایک کامرلینگ اونِس، در سال ۱۹۱۱ کشف شدند. این مواد در دماهای بسیار پایین، نزدیک به صفر مطلق (منفی ۲۷۳٫۱۵ درجه سلسیوس)، به این حالت بدون مقاومت الکتریکی تبدیل می‌شدند.
 
اما فیزیکدانان در سال ۱۹۸۶ ماده‌ای مبتنی بر مس به نام کوپرات کشف کردند که در دمای بسیار گرم‌تر (اما هنوز بسیار سرد) منفی ۱۳۵ درجه سلسیوس ابررسانا می‌شد.
 
فیزیکدانان امیدوار بودند که این کشف به آنها در دستیابی به ابررساناهای دمای اتاق کمک کند. اما پیشرفت در فهم علل رفتار عجیب کوپرات‌ها کند شد و سال گذشته، ادعاهای مطرح شده درباره ابررساناهای دمای اتاق با اتهامات جعل داده‌ها و ناامیدی همراه شد.
 
برای تحقیق بیشتر، دانشمندان در تحقیق جدید خود به کوپراتی به نام اکسید نئودیمیوم سریم مسی روی آوردند. حداکثر دمای ابررسانایی این ماده نسبتاً پایین و در حدود منفی ۲۴۸ درجه سلسیوس است، بنابراین دانشمندان چندان به مطالعه آن علاقه‌مند نبوده‌اند. اما زمانی که محققان به سطح آن نور فرابنفش تاباندند، مشاهده کردند که رفتار عجیبی رخ می‌دهد.
 
معمولاً زمانی که بسته‌های نوری، یا فوتون‌ها، به یک کوپرات که دارای الکترون‌های تک‌افتاده است برخورد می‌کنند، این فوتون‌ها به الکترون‌ها انرژی کافی می‌دهند تا از ماده خارج شوند و باعث می‌شوند که ماده مقدار زیادی انرژی از دست بدهد.
 
اما الکترون‌های درون جفت‌های کوپر می‌توانند در برابر خروج فوتونی مقاومت کنند و باعث می‌شوند که ماده تنها مقدار کمی انرژی از دست بدهد.
 
با وجود اینکه حالت بدون مقاومت این ماده تنها در دماهای بسیار پایین رخ می‌دهد، محققان دریافتند که فاصله انرژی در این ماده جدید تا دمای ۱۵۰ کلوین (معادل منفی ۱۲۳ درجه سلسیوس) پایدار است و جفت‌سازی الکترون‌ها به طرز عجیبی در نمونه‌هایی که در برابر جریان الکتریکی مقاومت بیشتری دارند، قوی‌تر است.
 
این بدان معناست که اگرچه این کوپرات به احتمال زیاد به ابررسانایی در دمای اتاق نمی‌رسد، اما می‌تواند سرنخ‌هایی در یافتن ماده‌ای که قادر به این کار است، فراهم کند.