فیزیکدانان بتازگی کشف کردهاند که اگر ساندویچی از دو لایهی گرافنی در یک «زاویهی جادویی» جفت شوند، میتوانند الکترونها را بدون مقاومت هدایت کنند. این یافتهها میتواند گامی مهم در پژوهش چنددههای در مورد ابررساناهای دمای اتاق باشند.

بسیاری از ابررساناها تنها در دماهای نزدیک به صفر مطلق کار میکنند. حتی ابررساناهایی که دمای بالا خوانده میشوند، نسبی هستند: بالاترین دمایی که این ابرساناها بدون مقاومت هدایت دارند حدود ۱۴۰- درجه سلسیوس است. مادهای که این ویژگی در آن نشان داده شده (با حذف سردسازی هزینهبر آن) توانسته در انتقال انرژی، اسکنرها و انتقالهای پزشکی انقلابی را ایجاد کند.

اکنون فیزیکدانان آرایش دولایهای از گرافنهای به ضخامت یک اتم را گزارش دادهاند که الگوی اتمهای کربن آن با زاویهی ۱/۱ درجه منحرف شده و این ماده را یک ابررسانا میسازد. اگرچه این سیستم باید تا ۷/۱ درجه بالاتر از صفر مطلق سرد شود، نتایج پیشنهاد میدهند که این ماده میتواند الکتریسیته را بسیار شبیه به ابررساناهای دمای بالا هدایت کند. یافتههای این پژوهش در مجله نیچر در ۵ مارس به چاپ رسیده است [1,2].

به گفتهی النا باسکونز (Elena Bascones)، فیزیکدانی از موسسهی علوم مواد مادرید: «اگر این کشف به اثبات برسد، برای درک ابررساناهای دمای بالا بسیار مهم خواهد بود». به بیان روبرت لاگلین ( Robert Laughli) فیزیکپیشه و برندهی جایزهی نوبل از دانشگاه استانفورد کالیفرنیا: «میتوانیم منتظر شور و هیچان فعالیت تجربی، طی چند هفتهی بعد برای تکمیل بخشهای گمشدهی این پازل باشیم».

ابررساناها عمدتاً به دو صورت وجود دارند: ابررساناهای سنتی که با نظریهی اصلی ابررسانایی قابل توضیح است و دومی غیرسنتی که با این نظریه قابل توضیح نیست. مطالعات اخیر پبشنهاد میدهند که رفتار ابررسانایی گرافن، غیرسنتی است و با فعالیت مشاهده شده در دیگر ابررساناهای غیرسنتی که کوپراتها نامیده میشوند تطابق دارد؛ این اکسیدهای مسِ پیچیده، الکتریسیته را تا ۱۳۳ درجه بالاتر از صفر مطلق هدایت میکنند. اگرچه فیزیکدانان در سه دههی گذشته بر روی کوپراتها برای ابررساناهای دمای بالا متمرکز شدهاند، سازوکار این مواد آنها را گیج کرده است.

گرافن، مادهای کربنی به ضخامت یک اتم که وقتی دولایه از آن در زاویهی ویژهای قرار میگیرند، به عنوان ابررسانا عمل میکند.

سیستم گرافنی پیشنهاد شده، برخلاف کوپراتها نسبتاً ساده بوده و این مواد به خوبی شناخته شدهاند. به گفتهی لاگنین: «مفهوم خیرهکننده آن است که ابررسانایی کوپراتها چیز سادهای بوده و فقط محاسبهی درست و صحیح آنها دشوار بوده است.»

حقهی جادویی

گرافن ویژگیهای قابل توجهی دارد: ورقههای آن که از تکلایههای اتمهای کربن آرایش یافته در ششوجهیها ساخته شدهاند، مستحکمتر از استیل بوده و الکتریسیته را بهتر از مس هدایت میکند. گرافن قبلا ابررسانایی را نشان داده [3] اما وقتی در تماس با دیگر مواد قرار میگرفته این پدیده رخ داده است و این رفتار با ابررسانایی سنتی توضیح داده شده است.

پابلو جاریلو-هررو (Pablo Jarillo-Herrero) فیزیکدانی از موسسهی فناوری ماساچوست (MIT) در کمبریج و تیمش وقتی آزمایششان را برپا میکردند، به دنبال ابررسانایی نبودند. درعوض آنها در پی این بودند که چگونه جهتگیری زاویهی جادویی میتواند گرافن را تحت تاثیر قرار دهد. نظریهپردازان پیشبینی کردهاند که منحرف ساختن اتمها بین لایههای مواد دوبعدی در این زاویهی ویژه، ممکن است موجب القای الکترونهایی شود که در ورقهها با سرعت حرکت میکنند؛ اگرچه چگونگی این امر هنوز دقیقا مشخص نیست.

این تیم بلافاصله رفتار دور از انتظاری را در سیستم دوورقهایاشان مشاهده کردند. اولاً اندازهگیری رسانندگی گرافن و چگالی ذرات حامل بارِ درون آن پیشنهاد میدهد که این ساختار یک عایق مات (Mott) شده است؛ مادهای که تمامی مولفههای هدایت الکترونها را داراست اما اندرکنش مابین ذرات، آنها را از شارش باز میدارد. ثانیاً این پژوهشگران یک میدان الکتریکی کوچک را برای به راه انداختن تنها چند حامل اضافی در درون سیستم اعمال کردهاند که موجب ابررسانا شدن آن شده است. به گفتهی جاریلو: «ما تمام اینها را در قطعات مختلف تولید کرده و با همکارانمان اندازه گرفتهایم؛ چیزی که با انجام آن به اطمینان رسیدهایم».

مادهای که از دو لایهی گرافنی ساخته شده و به اندازهی ۱/۱ درجه پیچیده شده است (سمت راست) ویژگیهای ابررسانایی از خود نشان میدهد.

وجود یک حالت عایق که به ابررسانایی بسیار نزدیک باشد مشخصهی ابررساناهای غیرسنتی همچون کوپراتهاست. وقتی این محققان نمودار فاز را که در آن چگالی الکترونی ماده را برحسب دمایش رسم کردهاند، الگوهایی بسیار شبیه به آنهایی را دیدهاند که در کوپراتها مشاهده شده است. به گفتهی جاریلو هررو، این موضوع گواهی دیگری بر این است که این مواد ممکن است یک سازوکار ابررسانایی را به اشتراک گذارند.

نهایتاً اگرچه گرافن در دماهای بسیار پایین ابررسانایی نشان میدهد اما چگالی الکترونی آن تنها یک ده هزارم ابررساناهای سنتی است که این خاصیت را در دمای مشابهی از خود نشان میدهند. تصور بر آن است که در ابررساناهای سنتی این پدیده وقتی بروز میکند که ارتعاشات به الکترونها این امکان را بدهد تا جفت تشکیل داده و باعث میشود مسیرشان را پایدار ساخته و بدون مقاومت جریان یابند. اما واقعیت آن است که با تعداد کمی الکترون که در گرافن وجود دارد، به نظر میرسد اندرکنش موردنظر در این سیستم بایستی بسیار قویتر از چیزی باشد که در ابررساناهای سنتی اتفاق میافتد.

اغتشاش در رسانندگی

فیزیکدانان در مورد چگونگی این اندرکنش در ابررساناهای غیرسنتی توافقی ندارند. به گفتهی رابینسون: «یکی از تنگناهای ابررساناهای دمای بالا این حقیقت است که ما حتی اکنون آنچه که واقعاً به جفتشدن الکترونها منجر میشود را درک نمیکنیم».

به بیان باسکونز، اما مطالعهی قطعات برپایهی گرافن آسانتر از کوپراتهاست که این امر موجب میشود این قطعات، چارچوب مفیدی برای توضیح ابررسانایی باشند. برای مثال فیزیکدانان برای جستجوی ریشهی ابررسانایی در کوپراتها معمولاً نیازمند آن هستند که مواد را در معرض میدانهای مغناطیسی قوی قرار دهند. فیزیکپیشگان با استفاده از گرافن و بسادگی میتوانند به نتایج مشابهی با پیچاندن یک میدان الکتریکی برسند.

کامران بهنیا، فیزیکپیشهای از موسسهی فیزیک و شیمی صنعتی در پاریس هنوز متقاعد نشده که تیم MIT دقیقاً موفق به مشاهدهی حالت عایق مات شده باشند. اگرچه میگوید این یافتهها پیشنهاد میدهند که گرافن یک ابررساناست و به شکل بالقوه یک ابررسانای غیرعادی است.

فیزیکدانان هنوز با قاطعیت بیان نمیکنند که سازوکار ابررسانایی در این دو ماده یکسان است. لاگلین میافزاید که هنوز روشن نیست که تمام رفتار مشاهده شده در کوپریتها در گرافن هم اتفاق میافتد. وی میگوید: «اما رفتارهای کافی در این آزمایشهای جدید حضور دارند تا بتوان دلیلی بر این جشن محتاطانه باشند».

به گفتهی لاگلین، فیزیکدانان «سی سال در فضای تاریکی گام برداشتهاند» تا کوپراتها را درک کنند. اما اکنون بسیاری از ما فکر میکنیم چراغی روشن شده است».

منبع:

Surprise graphene discovery could unlock secrets of superconductivity

مراجع: