شکستن رکورد ۳۰ ساله ابررسانایی؛ دانشمندان به دمای بیسابقهای در فشار معمولی رسیدند
پژوهشگران آمریکایی موفق شدهاند پس از بیش از سه دهه رکورد دمای ابررسانایی در فشار محیط را جابهجا کنند، دستاوردی که میتواند مسیر توسعه فناوریهای مبتنی بر ابررساناها از شبکههای برق بدون اتلاف انرژی گرفته تا رایانش کوانتومی و راکتورهای همجوشی هستهای را هموارتر کند.
به گزارش انگجت، دانشگاه هیوستون و آزمایشگاه ملی آرگون (ANL) توانستهاند با استفاده از روشی نوآورانه یک ابررسانای اکسید مس را در دمای ۱۵۱ کلوین (حدود منفی ۱۹۰ درجه فارنهایت یا منفی ۱۲۳ درجه سانتیگراد) و در فشار محیط به حالت ابررسانایی برسانند. این دما بالاترین دمای ثبتشده برای ابررسانایی در شرایط فشار معمول محسوب میشود و رکورد ۳۰ ساله ۱۳۳ کلوین (حدود منفی ۲۲۰ درجه فارنهایت) را که از اوایل دهه ۱۹۹۰ پابرجا بود پشت سر گذاشته است.
شکستن رکوردی که ۳۰ سال دستنخورده باقی مانده بود
ابررساناها موادی هستند که در دمای مشخصی میتوانند جریان الکتریکی را بدون هیچگونه مقاومت الکتریکی منتقل کنند. حذف مقاومت الکتریکی به معنای از بین رفتن اتلاف انرژی در انتقال برق است و میتواند تحول بزرگی در شبکههای برق، آهنرباهای فوققدرتمند، سامانههای کوانتومی، تجهیزات پزشکی و فناوری همجوشی هستهای ایجاد کند.
با این حال یکی از بزرگترین موانع استفاده عملی از ابررساناها نیاز آنها به دماهای بسیار پایین است. اگرچه در سالهای اخیر برخی مواد در دماهای نزدیک به دمای اتاق نیز ابررسانا شدهاند اما این عملکرد تنها تحت فشارهای بسیار بالا و غیرعملی امکانپذیر بوده است. اکنون پژوهشگران نشان دادهاند که شاید دیگر نیازی نباشد فشار بالا بهطور دائمی حفظ شود.
استفاده از ابررسانای شناختهشده Hg-۱۲۲۳
در این پژوهش دانشمندان از ابررسانای اکسید مس موسوم به Hg-۱۲۲۳ استفاده کردند، همان مادهای که از اوایل دهه ۱۹۹۰ تاکنون رکورددار بالاترین دمای ابررسانایی در فشار محیط بود.
پژوهشگران در مقاله خود توضیح دادهاند که این ماده به دلیل پایداری شیمیایی بالا و همچنین حساسیت زیاد دمای گذار ابررسانایی آن نسبت به فشار بهترین گزینه برای آزمایش روش جدید محسوب میشد. این ماده در شرایط عادی در دمای ۱۳۳ کلوین ابررسانا میشود اما تحت فشار میتواند به ۱۶۴ کلوین نیز برسد.
فشاری معادل ۳۰۰ برابر فشار اعماق اقیانوس
برای انجام آزمایش نمونههای بسیار کوچک Hg-۱۲۲۳ درون یک سلول سندان الماسی قرار گرفتند و تا حدود ۳۰ گیگاپاسکال تحت فشار قرار داده شدند؛ فشاری که تقریبا ۳۰۰ برابر فشار موجود در عمیقترین نقاط اقیانوس است.
اعمال این فشار شدید باعث شد دمای ابررسانایی ماده به شکل محسوسی افزایش یابد، اما نقطه عطف این پژوهش مرحله پس از اعمال فشار بود.
آزادسازی سریع فشار راز ثبت رکورد جدید
بهجای آنکه پژوهشگران فشار را بهآرامی کاهش دهند آن را در حالی که نمونه همچنان سرد باقی مانده بود بهسرعت آزاد کردند. این روش که Pressure-Quench Process (PQP) یا فرایند کوئنچ فشاری نام دارد باعث شد ساختار بلوری ماده فرصت بازگشت کامل به حالت اولیه را پیدا نکند.
در نتیجه ماده در حالتی موسوم به حالت شبهپایدار (Metastable State) گرفتار شد؛ حالتی که بخشی از تغییرات ناشی از فشار بالا را حفظ میکند. همین موضوع سبب شد ابررسانا حتی پس از حذف کامل فشار نیز بتواند در دمای ۱۵۱ کلوین به فعالیت خود ادامه دهد.
پرتوهای ایکس علت این پدیده را آشکار کردند
پس از ثبت رکورد جدید پژوهشگران تلاش کردند علت باقی ماندن این ویژگی در فشار محیط را نیز شناسایی کنند. برای این منظور آنها از امکانات منبع فوتون پیشرفته (Advanced Photon Source) در آزمایشگاه ملی آرگون استفاده کردند. پرتوهای ایکس بسیار متمرکز این مرکز امکان بررسی دقیق تغییرات ساختاری در مقیاس اتمی را فراهم کرد.
نتایج نشان داد آزادسازی سریع فشار باعث ایجاد تعداد زیادی نقصهای بسیار ریز در شبکه بلوری ماده میشود. اگرچه معمولا چنین نقصهایی بهعنوان بینظمیهای نامطلوب شناخته میشوند اما در این مورد مشخص، همین نواقص به تثبیت حالت ابررسانایی کمک کردهاند.
ساختار بلوری ماده نوعی حافظه فشاری از شرایط فشار بالا را حفظ میکند و به همین دلیل میتواند حتی پس از حذف فشار نیز عملکرد بهتری نسبت به گذشته داشته باشد.
پژوهشگران تاکید میکنند که این دستاورد به معنای دستیابی به ابررسانایی در دمای اتاق نیست. این ماده همچنان برای عملکرد خود به سرمای بسیار شدید نیاز دارد.
با این حال اهمیت اصلی این پژوهش در آن است که برای نخستین بار نشان داده شده افزایش دمای ابررسانایی ناشی از فشار میتواند پس از حذف فشار نیز باقی بماند موضوعی که سالها یکی از اهداف مهم پژوهشگران این حوزه بوده است.
از آنجا که نمونه جدید در فشار معمولی پایدار است اکنون میتوان آن را با تجهیزات رایج آزمایشگاهی بررسی کرد موضوعی که مطالعه دقیقتر سازوکار ابررسانایی و توسعه کاربردهای صنعتی را آسانتر خواهد کرد.
هوا ژو، فیزیکدان آزمایشگاه ملی آرگون و یکی از پژوهشگران این پروژه میگوید: اکنون که این ماده در فشار معمولی نیز ابررسانا باقی میماند، دانشمندان میتوانند با استفاده از ابزارهای متداول آزمایشگاهی آن را مطالعه کنند و توسعه فناوریهایی را آغاز کنند که در شرایط عادی قابل استفاده باشند.
پژوهشگران اکنون قصد دارند بررسی کنند که آیا میتوان همین روش اعمال فشار و آزادسازی سریع را روی سایر ابررساناها نیز به کار گرفت یا خیر بهویژه موادی که تحت فشار دماهای ابررسانایی حتی بالاتری از خود نشان میدهند.
اگر این راهبرد برای سایر مواد نیز موفقیتآمیز باشد میتواند مسیر عملی و جدیدی برای تولید ابررساناهایی فراهم کند که در شرایطی هرچه نزدیکتر به دمای اتاق و فشار معمولی کار میکنند، هدفی که دهههاست یکی از بزرگترین آرزوهای دانشمندان حوزه فیزیک مواد به شمار میرود. نتایج این پژوهش در مجله علمی PNAS منتشر شده است.
انتهای پیام/
