فیزیک‌دانان از محدودیت جریان ابررسانا عبور کردند؛ راز گردابه‌های کوانتومی چیست؟

پژوهشگران با استفاده از پالس‌های الکتریکی فوق‌کوتاه توانسته‌اند ابررساناها را به محدوده‌ای از جریان الکتریکی برسانند که اندازه‌گیری آن با روش‌های معمول بسیار دشوار است. این آزمایش به دانشمندان اجازه داد محدودیت بنیادی‌تری را بررسی کنند؛ نقطه‌ای که در آن جفت‌های الکترونی مسئول ابررسانایی از هم می‌پاشند و ماده خاصیت ابررسانایی خود را از دست می‌دهد. نتایج این پژوهش می‌تواند به درک بهتر رفتار مواد کوانتومی و طراحی ابررساناهای پیشرفته کمک کند.

ابررسانا چیست و چرا محدودیت جریان دارد؟

ابررسانا ماده‌ای است که در شرایط مشخص، معمولاً پس از سرد شدن تا دمایی پایین‌تر از دمای بحرانی، می‌تواند جریان الکتریکی را بدون مقاومت الکتریکی عبور دهد. این ویژگی باعث می‌شود ابررساناها برای ساخت آهنرباهای قدرتمند، دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی، شتاب‌دهنده‌های ذرات و برخی مدارهای کوانتومی اهمیت داشته باشند.

با این حال، ابررسانایی نامحدود نیست. اگر جریان عبوری از ماده بیش از حد افزایش یابد، یا شرایط میدان مغناطیسی و دما از محدوده مناسب خارج شود، این حالت از بین می‌رود.

در ابررساناهای نوع دوم، محدودیتی که در آزمایش‌های معمول مشاهده می‌شود، اغلب به پدیده‌ای به نام گردابه‌های کوانتومی مربوط است. این گردابه‌ها نواحی بسیار کوچکی هستند که شار مغناطیسی از آن‌ها عبور می‌کند. حرکت آن‌ها درون ماده می‌تواند مقاومت الکتریکی و گرما ایجاد کند و در نهایت ابررسانایی را مختل سازد.

دانشمندان چگونه از گردابه‌های کوانتومی پیشی گرفتند؟

گروه پژوهشی مؤسسه ماکس پلانک برای بررسی این محدودیت، از پالس‌های الکتریکی با طول زمانی چند پیکوثانیه استفاده کرد. هر پیکوثانیه برابر با یک تریلیونم ثانیه است؛ بنابراین، این پالس‌ها پیش از آنکه بسیاری از فرایندهای مخرب فرصت پیشرفت پیدا کنند، از نمونه عبور می‌کنند.

برای تولید پالس‌ها، محققان از سامانه‌ای استفاده کردند که در آن پالس لیزری سبزرنگ با طول زمانی حدود ۳۰۰ فمتوثانیه، یک کلید فوتورسانا را فعال می‌کرد. این کلید، پالس نوری را به پالس الکتریکی بسیار کوتاهی تبدیل می‌کرد که به نمونه ابررسانا می‌رسید.

منطق آزمایش ساده اما مهم بود: اگر جریان برای مدت بسیار کوتاهی اعمال شود، گردابه‌های کوانتومی فرصت کمتری برای حرکت و ایجاد گرما دارند. در نتیجه، پژوهشگران می‌توانند جریان را فراتر از آستانه متعارف افزایش دهند و رفتار بنیادی‌تر خود ماده را بررسی کنند.

آزمایش روی دو ابررسانا چه تفاوتی را آشکار کرد؟

محققان دو ماده را بررسی کردند: نیترید نیوبیوم با نماد NbN و ماده‌ای از خانواده اکسید مس، ایتریم و باریم با نماد YBCO. هر دو از ابررساناهای نوع دوم هستند، اما ساختار حالت ابررسانایی آن‌ها تفاوت دارد.

این تفاوت اهمیت زیادی دارد. در NbN، جفت‌های الکترونی تا رسیدن جریان به آستانه‌ای مشخص پایدار می‌مانند و سپس حالت ابررسانایی به‌طور ناگهانی از بین می‌رود. در YBCO، به دلیل تفاوت ساختار شکاف انرژی، تضعیف ابررسانایی تدریجی‌تر است.

به این ترتیب، آزمایش نشان داد که واکنش ابررسانا به جریان‌های بسیار شدید فقط به مقدار جریان وابسته نیست؛ ساختار کوانتومی ماده نیز در تعیین چگونگی از بین رفتن ابررسانایی نقش دارد.

منظور از حد واقعی ابررسانایی چیست؟

در این پژوهش، دانشمندان توانستند به محدودیتی بنیادی‌تر از جریان بحرانی متعارف دسترسی پیدا کنند که به آن جریان واپاشی جفت‌ها یا Depairing Current گفته می‌شود.

برای درک این مفهوم باید دانست که الکترون‌ها در حالت ابررسانایی به شکل جفت‌هایی به نام جفت‌های کوپر رفتار جمعی دارند. جریان بیش از حد می‌تواند حالت کوانتومی منسجم این جفت‌ها را ناپایدار کند و در نهایت آن‌ها را از هم بپاشد.

در اندازه‌گیری‌های معمول، حرکت گردابه‌ها و گرمایش اغلب پیش از رسیدن به این حد بنیادی، ابررسانایی را مختل می‌کنند. پالس‌های فوق‌کوتاه به پژوهشگران اجازه دادند اثر این عوامل را کاهش دهند و پایداری خود جفت‌های الکترونی را دقیق‌تر بررسی کنند.

البته این آزمایش به معنای حذف محدودیت جریان در ابررساناها نیست. محققان راهی برای اندازه‌گیری و بررسی حد بنیادی‌تر ماده پیدا کرده‌اند، نه اینکه ابررسانایی را بدون محدودیت کرده باشند.

این کشف چه کاربردی در فناوری دارد؟

روش جدید می‌تواند ابزار مهمی برای مطالعه نسل‌های آینده مواد ابررسانا باشد. دانشمندان با استفاده از پالس‌های فوق‌سریع می‌توانند ویژگی‌هایی را اندازه بگیرند که در آزمایش‌های جریان مستقیم به‌سادگی قابل مشاهده نیستند.

این اطلاعات ممکن است در انتخاب و طراحی موادی مفید باشد که برای حمل جریان‌های بالا، ساخت آهنرباهای قدرتمند یا استفاده در سامانه‌های کوانتومی مناسب‌تر هستند. با این حال، تبدیل نتایج آزمایشگاهی به فناوری‌های کاربردی به پژوهش‌های بیشتری نیاز دارد؛ به‌ویژه برای بررسی عملکرد مواد در شرایط واقعی و در مقیاس‌های بزرگ‌تر.

این مطالعه در ۲۴ سپتامبر ۲۰۲۶ در نشریه علمی Nature Physics منتشر شده است. اهمیت اصلی آن، فراهم کردن روشی تازه برای مشاهده رفتار بنیادی ابررساناها در بازه‌های زمانی بسیار کوتاه است.

منابع: