در ابررساناهای سنتی الکترون‌ها با اسپین‌های مخالف جفت‌های کوپری را تشکیل می‌دهند. این جفت‌ها بدون پراکندگی از شبکه‌ی اتمی عبور می‌کنند. این اندرکنش در نتیجه‌ی حضور الکترونی است که از سمت یون‌های مثبت شبکه کشیده می‌شود و این به نوبه‌ی خود باعث جذب الکترون دیگر می‌شود. سپس این جفت‌ها باهم  اندرکنش کرده و یک حالت چگال به خود می‌گیرند و تک‌الکترون‌ها به آسانی نمی‌توانند از آن پراکنده شوند. با این وجود برای آن‌که چنین سازوکاری رخ دهد الکترون‌ها بایستی نسبتاً به هم نزدیک باشند. این کار در مورد تیتانات استرانسیوم اتفاق نمی‌افتد. این ماده٬ چگالی الکترونی بسیار پائینی دارد ولی هنوز در دماهای پائین‌تر از دمای بحرانی (T_C) که در حدود ۳۰۰ میلی‌کلوین است٬ ابررساناست.

سازوکار غیرقابل توجیه

سال ۱۹۶۹ دیوید ایگلز (David Eagles) از مرکز پژوهشی الکترونیک ناسا در ماساچوست ویژگی‌های یک ماده‌ی فرضی را محاسبه کرد. این ماده از سازوکار فیزیکیِ غیرمشخصی برخوردار بود که باعث می‌شد با وجود آن‌که الکترون‌ها جفت می‌شوند اما یک چگالیده را تشکیل ندهند. او دریافت که اگر چنان ماده‌ای را به پائین‌تر از یک دمای بحرانی سرد کنیم این جفت‌های الکترونی یک چگالیده را تشکیل داده و آن ماده ابررسانا خواهد شد. این موضوع تا آن زمان مشاهده نشده بود اما این سازوکار تنها پیشنهادِ ممکن برای توضیح ویژگی‌های غیرقابل توجیه ابرساناهای دمای بالای کوپریت بود.

اکنون جِرِمی لِوی (Jeremy Levy) از دانشگاه پیتسبرگ و موسسه‌ی کوانتومی پیتسبرگ که هر دو در پنسیلوانیا قرار دارند و همکاران او اولین گواه بر جفت‌شدگیِ الکترون‌ها در دماهای بالای دمای بحرانی مشاهده کرده‌اند. به این منظور این تیم ترانزیستورهای تک‌الکترونی را مابین تیتانات ایسترانسیوم و لایه‌ای از جنس لانتانیوم آلومینات ساخته‌اند. آن‌ها اینکار را با استفاده از یک میکروسکوپ نیروی اتمی انجام داده‌اند تا منبعی در ابعاد نانومتر٬ الکترودهایی گیت (Gate) و تخلیه (drain) که با نقطه‌ی کوانتومی از هم جدا شده‌اند را ایجاد کنند.

با تغییر ولتاژ گیت ترانزیستور٬ پژوهش‌گران می‌توانند الکترون‌ها را تک به تک به نقطه‌ی کوانتومی اضافه کرده و یا از آن کم کنند. آن‌ها چگونگیِ تغییر رسانندگی مابین منبع و تخلیه را با تغییر ولتاژ اعمالی به گیت اندازه گرفته‌اند. زمانی که چگالی الکترونی در نقطه‌ی کوانتومی به اندازه‌ی کافی بزرگ بوده و میدان الکتریکی خیلی ضعیف باشد سیستم به شکل موثری همچون یک ابررسانا رفتار می‌کند. با این حال وقتی چگالی پائین آورده می‌شود (با اضافه یا حذف کردن الکترون‌ها) مجموعه‌ای از افت و خیزهای مکرر در رسانایی ظاهر می‌شوند. همانطور که در مورد یک ترانزیستور تک‌الکترونی نیز انتظار می‌رود.

شواهد بسیار مهم

گواه اساسی وقتی بروز کرد که این پژوهش‌گران یک میدان مغناطیسی را به این نمونه اعمال کرده‌اند. در میدان‌هایی با قدرت بیش از یک تسلا٬ پیک‌هایی که در رسانندگی دیده شده بود به دو پیک نزدیک بهم تفکیک می‌شود. این یعنی الکترون‌ها به شکل یک‌به‌یک وارد ترانزیستور نمی‌شوند بلکه دو تا دوتا وارد می‌شوند. و این ثابت می‌کند که حتی وقتی سیستم ابررسانا نیست هم الکترون‌ها هنوز جفت می‌شوند.

اکنون پژوهش‌گران در پی آن هستند تا سازوکار فیزیکیِ که باعث می‌شود الکترون‌ها جفت شوند را جستجو کنند. فهم و درک بهتر از این سیستم نسبتاً ساده می‌تواند به درک بیشتر از ابررسانایی در مواد پیچیده‌ترکمک کند. لوی معتقد است این دانش به فیزیک‌دانانی که پژوهش آن‌ها بر روی موادی است که راهی به سوی ابررسانایی در دماهای بالا دارند (حدود بیش از ۱۶۰ درجه گرم‌تر از بالاترین دمای بحرانی شناخته شده) کمک شایانی خواهد کرد.

پژوهشی با نتایج صریح‌تر

دیوید ایگلز از این پژوهش خرسند است. او خاطرنشان می‌کند که گروهی در CSIRO بخش فیزیک کاربردی در استرالیا که او عضو آن بوده گواهی بر جفت‌شدگی‌های مشابه در تیتانات استرانسیوم حجمی آلاییده با زیرکونیم در سال ۱۹۸۰ را یافته‌اند  اگرچه به بیان او «این مورد صریح‌تر از مورد ماست».

کریستوفر بل (Christopher Bell) از دانشگاه بریستول٬ نظری بر قابلیت‌های آزمایشگاهی کار لوی و همکارانش دارد: «این سیستم بی‌نهایت پیچیده است. تکنیک لیتوگرافیِ جرمی دشوار بوده و آن‌ها برای آن‌که این تکنیک را بکار برند بایستی به سختی کار کنند.» کامران بهنیا (Kamran Behnia) از EPSCI  پاریس تحت تاثیر این نتایج قرار گرفته است. به گفته‌ی وی: «این آزمایش نشان می‌دهد که الکترون‌ها به شکل جفت حرکت می‌کنند. آیا این‌ جفت‌ها همان جفت‌های کوپری هستند؟ بنظر من این موضوع هنوز تا اثبات کامل راه دارد.»

درباره‌ی نویسنده:

تیم وگان (Tim Wogan) نویسنده‌ی علمی از انگلستان است.

منبع:

Portable 'battlefield MRI' comes out of the lab