پژوهشگران با استفاده از پالس‌های الکتریکی فوق‌سریع و در بازه زمانی چند پیکوثانیه توانستند ابررسانا‌ها را به جریان‌هایی بسیار بالاتر از محدوده معمول آزمایش‌های جریان مستقیم برسانند. روشی که با دور زدن اثر حرکت گردابه‌ها و گرمایش، تفاوت چشمگیری را در نحوه فروپاشی دو ماده ابررسانای NbN و YBCO نشان داد.
به گزارش گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل از ساینس دیلی، ابررسانایی یکی از مهم‌ترین پدیده‌های مواد کوانتومی است. هنگامی که برخی مواد تا دمایی پایین‌تر از دمای گذار مشخصی سرد می‌شوند مقاومت الکتریکی آنها از بین می‌رود و جریان الکتریکی می‌تواند بدون اتلاف انرژی به شکل گرما در ماده حرکت کند.
این ویژگی از شکل‌گیری جفت‌هایی از الکترون‌ها موسوم به جفت‌های کوپر ناشی می‌شود. این الکترون‌های جفت‌شده در قالب یک حالت کوانتومی هماهنگ در ماده حرکت می‌کنند و همین رفتار ابررسانا‌ها را به گزینه‌ای مهم برای فناوری‌هایی مانند آهنربا‌های قدرتمند، آشکارساز‌های بسیار حساس و مدار‌های کوانتومی تبدیل کرده است.
با این حال ابررسانایی نمی‌تواند در برابر جریان الکتریکی نامحدود مقاومت کند. با افزایش جریان، در نهایت مقاومت الکتریکی ظاهر می‌شود و حالت ابررسانا از بین می‌رود. سطح جریانی که در آن این فرایند آغاز می‌شود جریان بحرانی نام دارد.
در ابررسانا‌های نوع دوم جریان بحرانی که در آزمایش‌های معمول اندازه‌گیری می‌شود لزوما نشان‌دهنده حد بنیادی و میکروسکوپی خود ابررسانایی نیست.
یکی از عوامل اصلی پدیده‌ای موسوم به گردابه است. گردابه‌ها نواحی بسیار کوچکی در ماده هستند که شار مغناطیسی می‌تواند از آنها عبور کند. با افزایش جریان الکتریکی این گردابه‌ها شروع به حرکت می‌کنند. حرکت آنها موجب ایجاد مقاومت و تولید گرما می‌شود و در نتیجه ممکن است حالت ابررسانایی پیش از آنکه به محدودیت بنیادی خود برسد از بین برود.
حد بالاتری که در آن خود ساختار کوانتومی ابررسانایی دیگر قادر به حفظ جفت‌های کوپر نیست جریان واپاشی جفت‌ها یا Depairing Current نامیده می‌شود.
اریین وانگ، نویسنده اصلی این پژوهش برای توضیح این فرایند می‌گوید می‌توان جریان الکتریکی را به عاملی تشبیه کرد که فاز حالت کوانتومی منسجم درست مانند پیچاندن یک فنر ابررسانا را می‌پیچاند.
اگر این حالت کوانتومی بیش از اندازه پیچانده شود ناپایدار می‌شود. در آستانه جریان واپاشی جفت‌ها جفت‌های کوپر که مسئول ایجاد ابررسانایی هستند شروع به از هم گسستن می‌کنند.
اندازه‌گیری‌های متداول جریان مستقیم یا DC معمولا نمی‌توانند پژوهشگران را به این نقطه برسانند، زیرا حرکت گردابه‌ها و گرمایش نمونه معمولا پیش از رسیدن به این حد بنیادی، بر نتیجه آزمایش اثر می‌گذارند.
پژوهشگران برای حل این مشکل، مدت زمان اعمال جریان را به‌شدت کاهش دادند. وانگ می‌گوید: راهبرد ما این بود که از پویایی گردابه‌ها سریع‌تر حرکت کنیم.
گردابه‌ها معمولا با سرعتی در حدود ده‌ها کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند. این سرعت بسیار زیاد به نظر می‌رسد اما حتی چنین سرعتی نیز در یک پیکوثانیه تنها به جابه‌جایی در حد چند ده نانومتر منجر می‌شود؛ بنابراین پژوهشگران با اعمال جریان در بازه‌ای فوق‌العاده کوتاه توانستند چگالی جریان بسیار بالایی ایجاد کنند پیش از آنکه گردابه‌ها فرصت کافی برای حرکت قابل توجه یا ایجاد گرمای قابل توجه در نمونه داشته باشند.
این روش باعث می‌شود اتلاف انرژی ناشی از حرکت گردابه‌ها به میزان زیادی کاهش یابد و پژوهشگران بتوانند حالت ابررسانایی را به محدوده جریان ذاتی و بنیادی آن نزدیک‌تر کنند.
برای ایجاد این جریان‌های فوق‌سریع تیم پژوهشی از یک سکوی انتقال الکتریکی فوق‌سریع استفاده کرد که در موسسه MPSD توسعه یافته است.
گیدو مایر یکی از پژوهشگران این مطالعه، می‌گوید: برای اعمال جریان به ابررسانا‌ها تنها برای چند پیکوثانیه از سکوی انتقال الکتریکی فوق‌سریعی استفاده کردیم که در موسسه خود در حال توسعه آن هستیم.
این سامانه از کلید‌های فوتورسانا استفاده می‌کند که با پالس‌های لیزری سبز با طول مدت ۳۰۰ فمتوثانیه و طول موج ۵۱۵ نانومتر فعال می‌شوند. پس از فعال شدن این کلید‌ها پالس‌های الکتریکی تنها برای چند پیکوثانیه ایجاد می‌شوند.
این پالس‌ها سپس از طریق یک موجبر هم‌صفحه منتقل شده و به نمونه‌های ابررسانا می‌رسند، نمونه‌هایی که ابعادی در مقیاس چند میکرومتر دارند.
پژوهشگران در این مطالعه دو ماده ابررسانا یعنی NbN و YBCO را بررسی کردند. دلیل انتخاب این دو ماده تفاوت بنیادی در ساختار حالت ابررسانایی آنها بود.
در NbN شکاف انرژی ابررسانایی تقریبا در همه جهت‌ها یکنواخت است و از نوع s-wave محسوب می‌شود. در مقابل شکاف انرژی در YBCO به جهت وابسته است و ساختار d-wave دارد.
مقایسه این دو ماده به پژوهشگران اجازه داد بررسی کنند که تفاوت‌های میکروسکوپی در ساختار ابررسانایی چگونه بر رفتار ماده در برابر جریان‌های بسیار شدید و فوق‌سریع تاثیر می‌گذارد.
در آزمایش‌های انجام‌شده NbN تا زمانی که جریان به یک آستانه مشخص برسد حالت ابررسانایی خود را حفظ کرد. این آستانه بسیار بالاتر از جریان بحرانی اندازه‌گیری‌شده با روش‌های متداول DC بود.
پس از عبور جریان از این نقطه رفتار ماده به‌طور ناگهانی تغییر کرد. این تغییر ناگهانی شواهدی در اختیار پژوهشگران قرار داد که نشان می‌داد جفت‌های کوپر در حال از هم گسستن هستند اما YBCO رفتار متفاوتی نشان داد. این ماده به جای آنکه تا رسیدن به یک آستانه مشخص پایدار بماند و سپس به‌صورت ناگهانی فروبپاشد با افزایش جریان به‌تدریج از حالت ابررسانایی فاصله گرفت و این حالت به‌صورت تدریجی تضعیف شد.
پژوهشگران این تفاوت را به ساختار متفاوت حالت ابررسانایی در این دو ماده نسبت می‌دهند.
در NbN شکاف انرژی تقریبا در تمام جهت‌ها یکنواخت است، اما در YBCO این شکاف انرژی به‌شدت به جهت وابسته است و در برخی جهت‌های مشخص حتی به صفر می‌رسد.
به گفته پژوهشگران همین ساختار باعث می‌شود ابررسانایی در YBCO بتواند به‌جای فروپاشی در یک آستانه کاملا مشخص به‌تدریج ضعیف شود.
آندریا کاوالری، سرپرست گروه پژوهشی می‌گوید: نتایج ما نشان می‌دهد انتقال الکتریکی در مقیاس پیکوثانیه می‌تواند امکان دسترسی به ویژگی‌های میکروسکوپی ابررسانا‌ها از جمله تقارن شکاف انرژی آنها، را فراهم کند، ویژگی‌هایی که با انتقال الکتریکی متعارف DC به‌طور مستقیم در دسترس نیستند.
پژوهشگران تاکید می‌کنند که برای مشخص شدن میزان تعمیم‌پذیری این ارتباط، لازم است مواد ابررسانای بیشتری با این روش بررسی شوند.
نتایج این مطالعه نشان می‌دهد اعمال پالس‌های الکتریکی فوق‌کوتاه می‌تواند امکان مشاهده رفتار‌هایی از ابررسانایی را فراهم کند که در آزمایش‌های متعارف قابل مشاهده نیستند. در واقع این روش با اعمال جریان در زمانی کوتاه‌تر از مقیاس زمانی حرکت گردابه‌ها و شکل‌گیری گرمایش قابل توجه به پژوهشگران اجازه می‌دهد ابررسانا را به محدوده‌ای نزدیک‌تر به محدودیت‌های طبیعی و میکروسکوپی آن وارد کنند.
این قابلیت می‌تواند ابزار جدیدی برای مطالعه و کنترل حالت‌های ابررسانایی فراهم کند و امکان بررسی رژیمی از ابررسانایی با چگالی جریان بسیار بالا را به وجود آورد. پژوهشگران همچنین احتمال می‌دهند این توانایی در آینده برای حوزه‌هایی مانند اپتوالکترونیک و برخی فناوری‌های مغناطیسی کاربرد داشته باشد.
انتهای پیام/