محققان یک قدم به تولید ابررساناها در دمای اتاق نزدیک‌تر شده‌اند

محققان دریافتند که مشخصه ضروری یک ابررسانا (جفت‌شدگی الکترون) در دماهایی بسیار بالاتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد نیز رخ می‌دهد.

در طول یک قرن گذشته از زمان کشف ابررساناها، خواص اسرارآمیز اتمی آن‌ها محققان را شگفت‌زده کرده است. این مواد خاص به الکتریسیته اجازه می‌دهند که بدون اتلاف انرژی از آن‌ها عبور کند. اما این ویژگی ابررساناها فقط در دماهای بسیار پایین، نزدیک به صفر مطلق (منفی 273.15 درجه سانتیگراد) کار می‌کند. اکنون محققان دریافتند که مشخصه ضروری یک ابررسانا  – که جفت‌شدگی الکترون (Electron pairing) نامیده می‌شود – در دماهای بسیار بالاتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد نیز رخ می‌دهد.

محققان تاکنون پژوهش‌های مختلفی برای تولید مواد ابررسانا در دماهای بالاتر انجام داده‌اند. پیداکردن یا ساختن چنین ماده‌ای می‌تواند تکنولوژی‌های مدرن از کامپیوتر و گوشی‌ها گرفته تا شبکه برق و حمل‌ونقل را دگرگون کند. علاوه‌براین، حالت کوانتومی منحصربه‌فرد ابررساناها، این مواد را برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی ایده‌آل می‌کند.

اکنون براساس گزارش ScienceAlert، محققان دانشگاه استنفورد جفت‌شدگی الکترون را در دماهای بسیار بالاتر و در ماده‌ای که انتظارش را نداشتند (یک عایق ضدفرومغناطیسی) یافتند. اگرچه این ماده مقاومت الکتریکی صفر نداشت، اما این پژوهش می‌تواند به محققان در یافتن راه‌هایی برای مهندسی مواد مشابه و تبدیل آن‌ها به ابررساناها در دماهای بالاتر، کمک کند.

جفت‌شدگی الکترون‌ها چیست؟

محققان مدت‌هاست می‌دانند که برای ابررساناشدن یک ماده، الکترون‌ها باید جفت شوند و این جفت‌شدگی نیز باید منسجم و هماهنگ باشد. اگر الکترون‌ها جفت شوند اما نامنسجم باشند، ممکن است این ماده یک عایق الکتریکی باشد.

در ابررساناها، الکترون‌ها مانند دو نفر در یک مهمانی رقص عمل می‌کنند. در ابتدا هیچ یک از دو نفر مایل نیست با دیگری برقصد. اما پس از آن که دی‌جی آهنگی را پخش می‌کند که هر دو نفر آن را دوست دارند، آن‌ها متوجه علاقه یکدیگر به آهنگ می‌شوند و به سمت هم می‌روند: در اینجا الکترون‌ها جفت می‌شوند، اما هنوز منسجم نشده‌اند.

سپس دی‌جی آهنگ جدیدی را پخش می‌کند، آهنگی که هر دو نفر کاملاً آن را دوست دارند. ناگهان دو نفر جفت می‌شوند و شروع به رقصیدن می‌کنند. سپس تمام افراد حاضر در مهمانی رقص هماهنگی انجام می‌دهند و دور هم جمع می‌شوند. در این مرحله، مهمانی یک رقص منسجم دارد و به عبارتی در حالت ابررسانا قرار می‌گیرد.

در مطالعه جدید، محققان الکترون‌ها را در مرحله میانی مشاهده کردند، جایی که الکترون‌ها چشم‌ در چشم شده‌اند، اما هنوز رقص را شروع نکرده‌اند.

ایجاد ابررساناها در دمای بالاتر

در این پژوهش که نتایج آن در Science منتشرشده، دانشمندان به سراغ خانواده ابررسانای کوپرات رفتند که حداکثر دمای ابررسانای آن در مقایسه با سایر مواد نسبتاً پایین بود (25 درجه کلوین). برای بررسی خواص ابررسانای این مواد در دمای بالاتر، محققان نور فرابنفش را به نمونه‌های خود تاباندند.

اکسید مس نئودیمیم سریم که محققان مورد مطالعه قرار دادند، مانند یک ابررسانای معمولی است که این پدیده را در بالای ۲۵ درجه کلوین (منفی 248 درجه سانتی‌گراد) نشان نمی‌دهد؛ بااین‌حال هنگامی که الکترون‌ها جفت شدند، مقاومت کمتری در برابر افزایش دما داشتند و الکترون‌های کمتری به بیرون پرتاب شدند؛ یعنی ماده با سرعت کمتری انرژی خود را از دست داد.

معمولاً وقتی ذرات فوتون‌ نور به کوپرات‌ها برخورد می‌کنند که الکترون‌های جفت‌نشده دارند، فوتون‌ها انرژی کافی به الکترون‌ها می‌دهند تا از ماده خارج شوند و باعث ازدست‌دادن انرژی زیادی می‌شوند. اما الکترون‌های جفت‌شده در ماده محققان، توانستند در برابر بیرون‌رانده‌شدن مقاومت کنند و انرژی کمی از دست رفت.

محققان مشاهده کردند که مواد آن‌ها انرژی بیشتری را تا دمای منفی 133 درجه سانتیگراد نیز حفظ می‌کند. اگرچه هنوز تا رسیدن به ابررسانایی با مقاومت الکتریکی صفر در دمای اتاق، راه زیادی باقی مانده، اما محققان می‌گویند بینشی برای نزدیک‌شدن به این هدف کسب کرده‌اند.