دستیابی به ابررسانایی در زوایای جادویی

به گزارش ایسنا، به نظر می‌رسد که دنیای پدیده ابررسانایی در حال تحول یافتن است.

به نقل از ادونسد ساینس نیوز، یک پژوهش جدید نشان می‌دهد که دو لایه فلز بیسموت به ضخامت اتم ممکن است در دماهای بسیار بالاتر از دمای مورد نیاز برای یک ابررسانای معمولی مانند بیسموت حجیم، بتوانند ابررسانایی را از خود نشان دهند.

«آریل والادارس»(Ariel Valladares)، استاد «دانشگاه مستقل ملی مکزیک»(UNAM) و پژوهشگر ارشد این پروژه، گفت: درباره ابررسانایی گرافن دولایه پیچ‌خورده برای به دست آوردن زوایای جادویی، مطالب بسیاری نوشته شده است. بنابراین، برای ما طبیعی به نظر می‌رسید که وجود ابررسانایی احتمالی را بررسی کنیم. ما سعی داشتیم بفهمیم که آیا این رفتار را در مواد دیگر نیز می‌توان دید یا این که فقط برای گرافن رخ می‌دهد. همچنین می‌خواستیم راه‌های جدیدی را برای تولید مواد ابررسانا بررسی کنیم.

این یک دستاورد قابل توجه و یک گام مهم خواهد بود که بر یک مانع بزرگ بر سر راه کاربردهای عملی ابررسانایی در زمینه‌هایی مانند علوم رایانه، انرژی، ارتباطات و الکترونیک غلبه می‌کند.

چرا ایجاد یک ابررسانا تا این اندازه دشوار است؟ ابررسانایی، ناپدید شدن کامل مقاومت الکتریکی و جریان یافتن الکتریسیته بدون اتلاف انرژی است. این پدیده مبتنی بر ذرات مرکب متشکل از دو الکترون به نام «جفت کوپر»(Cooper pair) است که در آن وقتی الکترون‌های درون یک ماده در تعامل با ارتعاشات شبکه قرار می‌گیرند، بر دافعه طبیعی خود غلبه می‌کنند و حالت جفتی را تشکیل می‌دهند.

این جفت شدن به نبود مقاومت الکتریکی منجر می‌شود و به جفت‌های کوپر امکان می‌دهد تا بدون از دست دادن انرژی در مواد به حرکت درآیند و جریان الکتریکی را بدون نیاز به ولتاژ اعمالی حفظ کنند.

تشکیل جفت کوپر به وضعیت فیزیکی شبکه بستگی دارد. شرایط بیرونی که بر موقعیت‌ها و تعاملات بین اتم‌ها و الکترون‌ها تأثیر می‌گذارند، نقش مهمی را در تعیین ویژگی‌های ارتعاشات شبکه بر عهده دارند و در نتیجه، بر تشکیل جفت‌های کوپر و تجلی ابررسانایی تأثیر می‌گذارند.

دمای مورد نیاز برای تبدیل شدن یک ماده به ابررسانا معمولا تنها چند درجه بالاتر از صفر مطلق است. بنابراین، ابررسانایی تاکنون تنها در آزمایشگاه به دست آمده است.

بنابراین، پژوهشگران انگیزه پیدا کردند تا مواد جدیدی را جستجو کنند که در دماهای بسیار بالاتر از صفر مطلق می‌توانند به ابررسانایی دست یابند. یکی از این مواد، بیسموت دولایه است.

والادارس گفت: بیسموت ماده بسیار جالبی است، زیرا ساختار الکترونیکی عجیبی دارد و دیدگاه‌های گوناگونی درباره ابررسانایی آن مطرح شده‌اند. ما اخیرا ابررسانایی را در فاز کریستالی آن در فشار اتمسفر پیش‌بینی کرده‌ایم. ما معتقدیم که بیسموت در آن شرایط تلاش کرد ساختار کریستالی مکعبی داشته باشد، اما تعادل‌های ظریف، ساختار آن را به یک ساختار لایه‌ای تبدیل کردند. همچنین، همه فازهایی که تحت فشار تولید می‌شوند، عملا ابررسانا هستند و به نظر می‌رسد ذاتی بودن ابررسانایی بیسموت را نشان می‌دهند.

والادارس و همکارانش در پژوهش خود از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای دقیق برای تحلیل بیسموت دولایه استفاده کردند و تعاملات مکانیکی کوانتومی بین الکترون‌ها و اتم‌ها را بسته به موقعیت نسبی لایه‌ها مورد بررسی قرار دادند.

پیش‌بینی شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای درباره افزایش حداقلی دمای برای ابررسانایی امیدوارکننده است، اما مانند پیش‌بینی‌های قبلی پژوهشگران درباره ابررسانایی در بیسموت سه‌بعدی، این نتایج نظری به تأیید تجربی نیاز دارند.

این پژوهش در مجله «Advanced Physics Research» به چاپ رسید.