وقتی بحث در مورد گرافین[1] است، به نظر می رسد ابررسانایی[2] به صورت ارثی در این خانواده (از مواد) است.

گرافین یک ماده با ضخامت (به اندازه) یک اتم است که می تواند از همان گرافیت[3] موجود در مداد لایه برداری شود. این ماده فوق نازک به طور کامل از اتم های کربن تشکیل شده است که به صورت یک الگو از شش ضلعی های ساده همانند سیم ها ی (قفس) مرغ ها مرتب شده اند. از زمان جداسازی گرافین در سال ۲۰۰۴، مشخص شده است که ویژگی های منحصر به فرد زیادی را در شکل تک لایه خود در بر دارد.

در سال ۲۰۱۸ محققان دانشگاه ام آی تی[4] کشف کردند که اگر دو لایه گرافین که تحت یک زاویه “جادویی” خاص روی هم قرار بگیرند، ساختار دو لایه ای چرخانده شده می تواند ابررسانایی قوی از خود نشان دهد، حالتی از ماده که جریان الکتریکی می تواند با اتلاف انرژی صفر (در آن) جریان داشته باشد. اخیرا همان گروه یک حالت ابر رسانا در سه لایه چرخانده شده گرافین کشف کرده اند، که ساختار (آن) از سه لایه گرافین که تحت زاویه جادویی دقیق و جدیدی روی هم قرار گرفته اند تشکیل شده است.

اکنون (این) تیم همان طور که (احتمالا) حدس می زنید گزارش کرده اند که چهار و پنج لایه گرافین چرخیده شده تحت زاویه جادویی جدیدی می توانند روی هم قرار بگیرند تا ابرسانایی قوی در دما های پایین را ایجاد کنند. این کشف اخیر این هفته در (مجله) نیچر متریال[5] منتشر شد، پیکربندی های مختلف چرخیده و روی هم قرار گرفته گرافین به عنوان اولین خانواده شناخته شده ابر رسانا های چند لایه با زاویه جادویی تصدیق شدند. این تیم همچنان شباهت ها و تفاوت هایی را بین اعضای خانواده گرافین مشخص کردند.

این دستاورد می تواند به عنوان یک نقشه برای طراحی ابررساناهای کاربردی در دمای اتاق به کار آید. اگر ویژگی های بین اعضای یک خانواده می توانست با دیگر مواد رسانای طبیعی جایگزین شود، می توانست (در راستای تحقق اهداف بشری) مهار شود، به عنوان مثال برای برق رسانی بدون اتلاف انرژی یا ساخت قطار های معلق مغناطیسی که بدون اصطکاک حرکت می کنند.

نویسنده اصلی جونگ مین (جین) پارک[6] دانش آموخته دانشکده فیزیک ام آی تی می گوید:« مجموعه گرافین با زاویه جادویی اکنون یک "خانواده" قانونی فراتر از چند مجموعه (مجزا) است». او همچنین می گوید:«داشتن این خانواده مخصوصا خیلی مهم است به این دلیل که راهی برای طراحی ابر رسانا های قوی فراهم می کند»

...

“بدون محدودیت”

گروه (آقای) خاریو هررو[7] اولین گروهی بود که گرافین با زاویه جادویی به صورت ساختار دو لایه از دو صفحه گرافین که روی هم قرار گرفته و با زاویه دقیق ۱.۱ درجه مقدار کمی منحرف شده بودند را کشف کردند. این پیکربندی چرخیده شده که به عنوان ابرشبکه موآره[8] شناخته می شود، ماده را به یک ابررسانای قوی و پایدار در دما های پایین تبدیل کرد.

همچنین محققان کشف کردند این ماده یک ساختار الکترونیکی که به نام “نوار تخت” شناخته می شود را به نمایش می گذارد که در آن الکترون های ماده بدون در نظر گرفتن تکانه دارای انرژی های یکسان هستند. در این حالت نوار تخت و در دمای فوق سرد، معمولا الکترون های آزاد به اندازه کافی آهسته می شوند که با یکدیگر جفت شوند که به عنوان جفتهای کوپر[9]شناخته می شوند و عناصر ضروری ابررسانایی هستند که بدون مقاومت می توانند در ماده جاری شوند.

در حالی که محققان مشاهده کردند دو لایه های چرخیده گرافین ساختار ابررسانایی و نوار تخت را به نمایش می گذارند، مشخص نبود که اولی از دومی پدید می آمد.

(آقای) پارک می گوید:«هیچ اثباتی وجود نداشت که ساختار نوار تخت به ابررسانایی منجر شود». او همچنین می گوید:«بعد از این (ماجرا) گروه های دیگر ساختار های چرخیده دیگری را از مواد دیگری درست کردند که تعدادی نوار (تقریبا) تخت داشتند اما واقعا ابر رسانایی قوی از خود نشان ندادند. (و از خودمان پرسیدیم) که آیا می توانیم ابررسانای دیگری با نوار تخت بسازیم؟»

همانطور که آنها این سوال را مطرح کردند، گروهی از دانشگاه هاروارد[10] محاسبات ریاضی ارائه کردند که سه لایه گرافین که به اندازه ۱.۶ درجه چرخیده باشند نوار های تخت را به نمایش می گذارند و حتی ممکن است ابررسانا باشند. آنها در ادامه این موضوع را نشان دادند که اگر لایه ها به روش درست روی هم قرار بگیرند و تحت زاویه پیش بینی شده چرخیده شوند هیچ محدودیتی بر تعداد لایه های گرافین که ابررسانایی را آشکار می کند وجود ندارد. در نهایت آنها اثبات کردند که به صورت ریاضی می توانند هر ساختار چند لایه ای را به یک ساختار نوار تخت رایج نسبت دهند، اثبات قدرتمندی که یک نوار تخت ممکن است به ابررسانایی قوی منجر شود.

(آقای) پارک می گوید:«آنها به این نتیجه رسیدند که ممکن است کل این سلسله ساختارگرافین به تعداد بینهایت لایه ممکن است به یک عبارت ریاضی مشابه برای نوار تخت شباهت داشته باشد. »

مدت کمی بعد از این کار گروه (آقای) خاریو هررو کشف کردند که ابررسانایی و نوار تخت از سه لایه چرخیده به وجود آمده اند. صفحه های گرافین مثل ساندویچ پنیر روی هم قرار گرفته اند که پنیر وسط آن نسبت به لایه های دیگر ۱.۶ درجه چرخیده است. اما ساختار سه لایه ای تفاوت اندکی در مقایسه با ساختار دو لایه ای همتا خود نشان داده است.

(آقای)پارک می گوید:«باید این سوال را بپرسیم که از میان کل دسته بندی مواد این دو ساختار در کجا قرار می گیرند، و آیا از یک خانواده هستند؟ »

یک خانواده غیر متعارف

در مطالعات فعلی، تیم به دنبال افزایش تعداد لایه های گرافین بود. آنها دو ساختار جدید ساختند که به ترتیب از چهار و پنج لایه تشکیل شده بودند. هر ساختار به طور متناوب روی هم قرار گرفته اند، مانند اینکه پنیر ساندویچ سه لایه چرخیده ، جا به جا شود.

تیم این ساختار را در یخچالی با دمای کمتر از یک درجه کلوین “حدود منفی ۲۷۳ درجه سلسیوس”نگهداری کردند. جریان الکتریکی از هرکدام از ساختار ها عبور دادند و خروجی آن را تحت شرایط مختلف اندازه گیری کردند، همانند تستی که برای سیستم ساختار دو لایه و سه لایه (انجام شد).

به طور کلی پی بردند که هر دو ساختار چهار و پنج لایه چرخیده گرافین همچنان از خود (خواص) ابررسانایی قوی و نوار تخت را نمایان می کنند. این ساختار ها همچنین شباهت های دیگری با همتای سه لایه خود مانند پاسخشان تحت یک میدان مغناطیسی با قدرت، زاویه و جهت گیری متفاوت داشتند.

این آزمایش ها نشان دادند که ساختار های چرخیده گرافین می توانند به عنوان یک خانواده جدید یا کلاس رایج مواد ابررسانا در نظر گرفته شوند. آزمایش ها همچنین بیان می کنند که ممکن است یک بچه بازیگوش و نخاله هم در این خانواده باشد، ساختار دولایه چرخیده اصلی، در حالی که ویژگی های کلیدی را به اشتراک می گذارد، تفاوت های ظریفی را نیز با خواهر و برادر خود نشان می دهد. به عنوان مثال، آزمایش‌های قبلی این گروه نشان داد که ابررسانایی ساختار تحت میدان‌های مغناطیسی ضعیف تر شکسته می‌شود و با چرخش میدان در مقایسه با خواهر و برادرهای چندلایه‌اش ناهموارتر بود.

این تیم شبیه‌ سازی‌ هایی از هر نوع ساختار انجام داد و به دنبال توضیحی برای تفاوت‌ های بین اعضای خانواده بود. آنها به این نتیجه رسیدند که این واقعیت که ابررسانایی گرافین دولایه چرخیده تحت شرایط مغناطیسی خاصی از بین می رود، صرفاً به این دلیل است که تمام لایه های فیزیکی آن به شکل «غیر آینه ای[11]» در ساختار وجود دارند. به عبارت دیگر، هیچ دو لایه ای در ساختار وجود ندارد که (تقارن) آینه ای (نسبت به یکدیگر) داشته باشند، در حالی که خواهر و برادرهای چند لایه گرافین نوعی تقارن آینه ای از خود نشان می دهند. این یافته‌ها نشان می‌دهد که مکانیسمی که الکترون‌ها را به جریان در یک حالت ابررسانای قوی هدایت می‌کند، در خانواده گرافین چرخیده (نیز) یکسان است.

(آقای) پارک خاطرنشان می کند: «این (نکته) بسیار مهم است. بدون دانستن این موضوع، مردم ممکن است فکر کنند گرافین دولایه در مقایسه با ساختارهای چند لایه معمولی تر است. اما ما نشان می دهیم که کل این خانواده ممکن است ابررساناهای غیر متعارف و قوی باشند.»

...

لینک اصلی خبر: https://physics.mit.edu/news/physicists-discover-a-family-of-robust-superconducting-graphene-structures/

مترجم: علی طالبی

ویراستار: فاخته قنبرنژاد

تاریخ ارائه خبر: ۲۶ مرداد ۱۴۰۱

برچسب ها: (نوع خبر: خبر علمی)؛

(حوزه خبر:ماده چگال)

لغات تخصصی ترجمه‌ شده و اسامی خاص:

[1] Grapheme: گرافین ،https://en.wikipedia.org/wiki/Graphane

[2] Superconductivity: ابر رسانایی ، https://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity

[3] pencil lead:‌ منظور از این عبارت گرافیت است که به دلایل تاریخی به این شکل اسم برده می شود.

[4] MIT

[5] Nature Materials

[6] Jeong Min (Jane) Park

[7] Jarillo-Herrero

[8] moiré superlattice

[9] Cooper pairs

[10] Harvard University

[11] nonmirrored