دانشمندان راز ابررسانایی دمای بالا را پیدا کردند!
به گزارش شفق نیوز، پژوهشگران در آزمایشی تازه، شواهدی به دست آورده‌اند که نشان می‌دهد ابررسانایی و حالت کوانتومی موسوم به شبه‌گاف در مواد اکسید مس با یکدیگر رقابت می‌کنند. این یافته به بررسی یکی از پرسش‌های مهم فیزیک ماده چگال مربوط است: چرا برخی مواد فقط در دماهای بسیار پایین می‌توانند جریان الکتریکی را بدون مقاومت عبور دهند و چه عواملی مانع افزایش دمای ابررسانایی می‌شوند؟
نتایج این تحقیق در ۲۰ اکتبر ۲۰۲۶ در مجله علمی Nature Physics منتشر شد. پژوهشگران مؤسسه ملی پژوهش‌های علمی کانادا (INRS) و مرکز فیزیک کوانتومی محاسباتی مؤسسه فلت‌آیرون در نیویورک در این مطالعه همکاری داشتند. تیم آزمایشگاهی با استفاده از پالس‌های لیزری، حالت ابررسانایی را در نمونه‌ای از مواد کوپرات تغییر داد و سپس رفتار الکترون‌ها را هنگام تغییر وضعیت ماده بررسی کرد.
ابررسانایی چگونه در مواد کوپرات شکل می‌گیرد؟
ابررسانایی حالتی از ماده است که در آن مقاومت الکتریکی به صفر می‌رسد. در این شرایط، جریان الکتریکی بدون اتلاف انرژی ناشی از مقاومت حرکت می‌کند. این ویژگی برای انتقال برق، تولید میدان‌های مغناطیسی قوی و ساخت تجهیزات پزشکی مانند دستگاه‌های تصویربرداری تشدید مغناطیسی کاربرد دارد.
مواد کوپرات ترکیباتی بر پایه اکسید مس هستند که در شرایط مشخص می‌توانند در دماهایی بالاتر از ابررساناهای متعارف به حالت ابررسانایی برسند. با وجود دهه‌ها پژوهش، سازوکار کامل این پدیده همچنان مشخص نشده است. در کوپرات‌ها، با افزایش دما و عبور از دمای بحرانی ابررسانایی، برخی مواد وارد حالتی به نام شبه‌گاف (Pseudogap) می‌شوند.
حالت شبه‌گاف از نظر ویژگی‌های الکترونی با حالت عادی ماده تفاوت دارد. در این وضعیت، رفتار الکترون‌ها در بخش‌های مختلف فضای انرژی و تکانه یکسان نیست. دانشمندان درباره ارتباط این حالت با ابررسانایی دو دیدگاه اصلی را بررسی می‌کنند: بر اساس دیدگاه نخست، شبه‌گاف و ابررسانایی برای غالب شدن در ماده با یکدیگر رقابت دارند؛ دیدگاه دیگر احتمال می‌دهد شبه‌گاف مرحله‌ای مرتبط با شکل‌گیری ابررسانایی باشد.
پالس لیزری چگونه رفتار الکترون‌ها را آشکار کرد؟
پژوهشگران برای بررسی این دو دیدگاه از روش طیف‌سنجی فوتوالکترونی تفکیک‌شده برحسب زاویه (ARPES) استفاده کردند. در این روش، نور به نمونه تابانده می‌شود و الکترون‌های خارج‌شده از ماده اندازه‌گیری می‌شوند. بررسی انرژی و تکانه این الکترون‌ها اطلاعاتی درباره وضعیت کوانتومی ماده در اختیار پژوهشگران قرار می‌دهد.
در آزمایش، پالس نوری ماده ابررسانا را تحریک کرد تا از حالت ابررسانایی خارج شود و وارد وضعیت شبه‌گاف شود. پژوهشگران سپس تغییرات الکترونی نمونه را هنگام گذار میان این دو حالت ثبت کردند. آن‌ها همچنین اندازه‌گیری‌های جداگانه‌ای از ماده در شرایط پایدار ابررسانایی و شبه‌گاف انجام دادند تا داده‌های دو وضعیت را مقایسه کنند.
نتایج آزمایش ابررسانایی دمای بالا و شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای با مدل رقابت دو حالت سازگار بود. بر اساس این مدل، در شرایط تعادل و در نمونه بررسی‌شده، حالت ابررسانایی و حالت شبه‌گاف برای غالب شدن با یکدیگر رقابت می‌کنند.
چرا حالت شبه‌گاف برای دانشمندان اهمیت دارد؟
در ابررساناهای کوپرات، دمای بحرانی مشخص می‌کند که ماده تا چه دمایی می‌تواند خاصیت ابررسانایی خود را حفظ کند. حتی کوپرات‌هایی که بالاترین دمای بحرانی شناخته‌شده را دارند نیز باید در دماهای کمتر از حدود ۱۵۱ کلوین، معادل منفی ۱۲۲ درجه سانتی‌گراد، نگهداری شوند.
شناخت رابطه میان شبه‌گاف و ابررسانایی برای پژوهشگرانی اهمیت دارد که به دنبال افزایش دمای بحرانی هستند. اگر بتوان شکل‌گیری حالت رقیب را کاهش داد و در عین حال ابررسانایی را حفظ کرد، امکان بررسی مسیرهای تازه برای افزایش دمای گذار فراهم می‌شود. با این حال، مطالعه جدید به‌تنهایی روشی عملی برای تولید ابررسانا در دمای اتاق ارائه نمی‌کند.
مشخصات پژوهش درباره ابررسانایی دمای بالا
- موضوع: رقابت حالت ابررسانایی و شبه‌گاف در مواد کوپرات
- مجله علمی: Nature Physics
- تاریخ انتشار: ۲۰ اکتبر ۲۰۲۶
- روش آزمایش: تحریک نوری و طیف‌سنجی فوتوالکترونی تفکیک‌شده برحسب زاویه
- روش تحلیل: مقایسه داده‌های آزمایشگاهی با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای
- یافته اصلی: شواهدی به نفع رقابت دو حالت کوانتومی در ماده بررسی‌شده
پژوهشگران با تحریک نوری ابررسانا و مشاهده تغییرات الکترونی آن، توانستند گذار میان حالت ابررسانایی و شبه‌گاف را بررسی کنند. نتایج تحلیل نشان داد که مدل رقابت دو حالت، با مشاهدات آزمایشگاهی سازگاری دارد.
این مطالعه در چارچوب تلاش‌های علمی برای شناخت رفتار الکترون‌ها در مواد کوانتومی انجام شده است. گزارش بنیاد سیمونز درباره این پژوهش توضیح می‌دهد که بررسی رقابت میان حالت‌های ماده می‌تواند به شناخت عواملی کمک کند که دمای بحرانی ابررسانایی را محدود می‌کنند.
منابع اصلی:
