فیزیک دانان بتازگی کشف کرده اند که اگر ساندویچی از دو لایه ی گرافنی در یک «زاویه ی جادویی» جفت شوند، می توانند الکترون ها را بدون مقاومت هدایت کنند. این یافته ها می تواند گامی مهم در پژوهش چنددهه ای در مورد ابررساناهای دمای اتاق باشند.

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

اکنون فیزیک دانان آرایش دولایه ای از گرافن های به ضخامت یک اتم را گزارش داده اند که الگوی اتم های کربن آن با زاویه ی ۱/۱ درجه منحرف شده و این ماده را یک ابررسانا می سازد. اگرچه این سیستم باید تا ۷/۱ درجه بالاتر از صفر مطلق سرد شود، نتایج پیشنهاد می دهند که این ماده می تواند الکتریسیته را بسیار شبیه به ابررساناهای دمای بالا هدایت کند. یافته های این پژوهش در مجله نیچر در ۵ مارس به چاپ رسیده است [۱,۲] .

به گفته ی النا باسکونز ( Elena Bascones )، فیزیک دانی از موسسه ی علوم مواد مادرید: «اگر این کشف به اثبات برسد، برای درک ابررساناهای دمای بالا بسیار مهم خواهد بود». به بیان روبرت لاگلین ( Robert Laughli ) فیزیک پیشه و برنده ی جایزه ی نوبل از دانشگاه استانفورد کالیفرنیا: «می توانیم منتظر شور و هیچان فعالیت تجربی، طی چند هفته ی بعد برای تکمیل بخش های گم شده ی این پازل باشیم».

ابررساناها عمدتاً به دو صورت وجود دارند: ابررساناهای سنتی که با نظریه ی اصلی ابررسانایی قابل توضیح است و دومی غیرسنتی که با این نظریه قابل توضیح نیست. مطالعات اخیر پبشنهاد می دهند که رفتار ابررسانایی گرافن، غیرسنتی است و با فعالیت مشاهده شده در دیگر ابررساناهای غیرسنتی که کوپرات ها نامیده می شوند تطابق دارد؛ این اکسیدهای مسِ پیچیده، الکتریسیته را تا ۱۳۳ درجه بالاتر از صفر مطلق هدایت می کنند. اگرچه فیزیک دانان در سه دهه ی گذشته بر روی کوپرات ها برای ابررساناهای دمای بالا متمرکز شده اند، سازوکار این مواد آن ها را گیج کرده است.

گرافن، ماده ای کربنی به ضخامت یک اتم که وقتی دولایه از آن در زاویه ی ویژه ای قرار می گیرند، به عنوان ابررسانا عمل می کند.

سیستم گرافنی پیشنهاد شده، برخلاف کوپرات ها نسبتاً ساده بوده و این مواد به خوبی شناخته شده اند. به گفته ی لاگنین: «مفهوم خیره کننده آن است که ابررسانایی کوپرات ها چیز ساده ای بوده و فقط محاسبه ی درست و صحیح آن ها دشوار بوده است.»

حقه ی جادویی

گرافن ویژگی های قابل توجهی دارد: ورقه های آن که از تک لایه های اتم های کربن آرایش یافته در شش وجهی ها ساخته شده اند، مستحکم تر از استیل بوده و الکتریسیته را بهتر از مس هدایت می کند. گرافن قبلا ابررسانایی را نشان داده [۳] اما وقتی در تماس با دیگر مواد قرار می گرفته این پدیده رخ داده است و این رفتار با ابررسانایی سنتی توضیح داده شده است.

پابلو جاریلو-هررو ( Pablo Jarillo-Herrero ) فیزیک دانی از موسسه ی فناوری ماساچوست ( MIT ) در کمبریج و تیمش وقتی آزمایششان را برپا می کردند، به دنبال ابررسانایی نبودند. درعوض آن ها در پی این بودند که چگونه جهت گیری زاویه ی جادویی می تواند گرافن را تحت تاثیر قرار دهد. نظریه پردازان پیش بینی کرده اند که منحرف ساختن اتم ها بین لایه های مواد دوبعدی در این زاویه ی ویژه، ممکن است موجب القای الکترون هایی شود که در ورقه ها با سرعت حرکت می کنند؛ اگرچه چگونگی این امر هنوز دقیقا مشخص نیست.

این تیم بلافاصله رفتار دور از انتظاری را در سیستم دوورقه ای اشان مشاهده کردند. اولاً اندازه گیری رسانندگی گرافن و چگالی ذرات حامل بارِ درون آن پیشنهاد می دهد که این ساختار یک عایق مات ( Mott ) شده است؛ ماده ای که تمامی مولفه های هدایت الکترون ها را داراست اما اندرکنش مابین ذرات، آن ها را از شارش باز می دارد. ثانیاً این پژوهش گران یک میدان الکتریکی کوچک را برای به راه انداختن تنها چند حامل اضافی در درون سیستم اعمال کرده اند که موجب ابررسانا شدن آن شده است. به گفته ی جاریلو: «ما تمام این ها را در قطعات مختلف تولید کرده و با همکاران مان اندازه گرفته ایم؛ چیزی که با انجام آن به اطمینان رسیده ایم».

ماده ای که از دو لایه ی گرافنی ساخته شده و به اندازه ی ۱/۱ درجه پیچیده شده است (سمت راست) ویژگی های ابررسانایی از خود نشان می دهد.

وجود یک حالت عایق که به ابررسانایی بسیار نزدیک باشد مشخصه ی ابررساناهای غیرسنتی همچون کوپرات هاست. وقتی این محققان نمودار فاز را که در آن چگالی الکترونی ماده را برحسب دمایش رسم کرده اند، الگوهایی بسیار شبیه به آن هایی را دیده اند که در کوپرات ها مشاهده شده است. به گفته ی 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 می دهد اما چگالی الکترونی آن تنها یک ده هزارم ابررساناهای سنتی است که این خاصیت را در دمای مشابهی از خود نشان می دهند. تصور بر آن است که در ابررساناهای سنتی این پدیده وقتی بروز می کند که ارتعاشات به الکترون ها این امکان را بدهد تا جفت تشکیل داده و باعث می شود 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 می رسد اندرکنش موردنظر در این سیستم بایستی بسیار قوی تر از چیزی باشد که در ابررساناهای سنتی اتفاق می افتد.

اغتشاش در رسانندگی

فیزیک دانان در مورد چگونگی این اندرکنش در ابررساناهای غیرسنتی توافقی ندارند. به گفته ی رابینسون: «یکی از تنگناهای ابررساناهای دمای بالا این حقیقت است که ما حتی اکنون آنچه که واقعاً به جفت شدن الکترون ها منجر می شود را درک نمی کنیم».

به بیان باسکونز، اما مطالعه ی قطعات برپایه ی گرافن آسان تر از کوپرات هاست که این امر موجب می شود این قطعات، چارچوب مفیدی برای توضیح ابررسانایی باشند. برای مثال فیزیک دانان برای جستجوی ریشه ی ابررسانایی در کوپرات ها معمولاً نیازمند آن هستند که مواد را در معرض میدان های مغناطیسی قوی قرار دهند. فیزیک پیشگان با استفاده از گرافن و بسادگی می توانند به نتایج مشابهی با پیچاندن یک میدان الکتریکی برسند.

کامران بهنیا، فیزیک پیشه ای از موسسه ی فیزیک و شیمی صنعتی در پاریس هنوز متقاعد نشده که تیم MIT دقیقاً موفق به مشاهده ی حالت عایق مات شده باشند. اگرچه می گوید این یافته ها پیشنهاد می دهند که گرافن یک ابررساناست و به شکل بالقوه یک ابررسانای غیرعادی است.

فیزیک دانان هنوز با قاطعیت بیان نمی کنند که سازوکار ابررسانایی در این دو ماده یکسان است. لاگلین می افزاید که هنوز روشن نیست که تمام رفتار مشاهده شده در کوپریت ها در گرافن هم اتفاق می افتد. وی می گوید: «اما رفتارهای کافی در این آزمایش های جدید حضور دارند تا بتوان دلیلی بر این جشن محتاطانه باشند».

به گفته ی لاگلین، فیزیک دانان «سی سال در فضای تاریکی گام برداشته اند» تا کوپرات ها را درک کنند. اما اکنون بسیاری از ما فکر می کنیم چراغی روشن شده است».

منبع:

Surprise graphene discovery could unlock secrets of superconductivity

مراجع: