دانشمندان پس از حدود چهار دهه، یکی از فرض‌های قدیمی درباره ساختار داخلی نوعی ابررسانای دمای بالا را به چالش کشیده‌اند. پژوهش جدید نشان می‌دهد ماده‌ای که سال‌ها تقریباً یکدست تصور می‌شد، در واقع از بخش‌های مختلفی با آرایش متفاوت اتم‌ها تشکیل شده است.
این یافته مربوط به خانواده‌ای از مواد به نام کوپرات‌ها (Cuprates) است؛ موادی که از زمان کشف ابررسانایی دمای بالای آنها در سال ۱۹۸۶، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. با این حال، نتیجه این تحقیق فعلاً فقط درباره ماده بررسی‌شده صدق می‌کند و نمی‌توان آن را به تمام کوپرات‌ها تعمیم داد.
ابررسانا چیست؟
ابررسانا ماده‌ای است که در شرایط خاص می‌تواند برق را بدون مقاومت عبور دهد. یعنی هنگام عبور جریان، انرژی بسیار کمی به شکل گرما از بین می‌رود.
این ویژگی باعث شده ابررساناها برای فناوری‌هایی مانند دستگاه‌های پزشکی، آهنرباهای بسیار قدرتمند و رایانش کوانتومی اهمیت داشته باشند.
«دمای بالا» هم به این معنی نیست که این مواد در دمای اتاق کار می‌کنند. آنها همچنان به سرمای شدید نیاز دارند، اما نسبت به بسیاری از ابررساناهای قدیمی در دمای بالاتری به حالت ابررسانایی می‌رسند.
دانشمندان داخل ماده را بررسی کردند
پژوهشگران دانشگاه وارویک در بریتانیا و مرکز ESRF در فرانسه برای بررسی دقیق‌تر ساختار ماده از روشی به نام پراش پرتو ایکس سه‌بعدی (3DXRD) استفاده کردند.
به زبان ساده، این روش به دانشمندان اجازه می‌دهد داخل یک بلور را بررسی کنند و ببینند اتم‌ها در بخش‌های مختلف آن چگونه کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند.
ماده مورد بررسی، نوعی کوپرات به نام LESCO یا La₁.₆₇₅Eu₀.₂Sr₀.₁₂₅CuO₄ بود.
ابررسانا برخلاف تصور، یکدست نیست
تصاویر سه‌بعدی نشان دادند که ساختار این ماده در همه نقاط یکسان نیست. درون بلور، بخش‌هایی وجود دارد که اتم‌های آنها به شکل متفاوتی مرتب شده‌اند.
پژوهشگران همچنین در دمای حدود ۱۰۰ کلوین، نوارهای بسیار باریکی را مشاهده کردند که ساختار متفاوتی نسبت به بخش اطراف خود داشتند.
این موضوع شبیه آن است که تصور کنیم یک دیوار کاملاً یکدست است، اما وقتی با دقت بیشتری آن را بررسی می‌کنیم، متوجه می‌شویم از بخش‌های کوچک با ساختار متفاوت تشکیل شده است.
چرا این موضوع مهم است؟
دانشمندان برای توضیح رفتار ابررساناها معمولاً ساختار کلی این مواد را ساده‌سازی می‌کنند و آنها را تا حد زیادی یکدست در نظر می‌گیرند.
اما این پژوهش نشان می‌دهد درون دست‌کم برخی از این مواد، ساختار پیچیده‌تری وجود دارد. چنین تفاوت‌هایی می‌تواند روی نحوه حرکت و رفتار الکترون‌ها تأثیر بگذارد.
از آنجا که رفتار الکترون‌ها نقش مهمی در ابررسانایی دارد، شناخت دقیق‌تر ساختار ماده می‌تواند به دانشمندان کمک کند دلیل رفتار این مواد را بهتر درک کنند.
با این حال، این تحقیق هنوز نشان نداده است که ساختارهای کشف‌شده دقیقاً چگونه عملکرد ابررسانایی را تغییر می‌دهند.
آیا همه ابررساناهای کوپرات چنین ساختاری دارند؟
هنوز مشخص نیست. این پژوهش فقط روی ماده LESCO انجام شده است و نمی‌توان نتیجه آن را به تمام کوپرات‌ها تعمیم داد.
دانشمندان باید مواد دیگری را نیز بررسی کنند تا مشخص شود آیا این ساختارهای متفاوت در سایر ابررساناها هم وجود دارند یا نه.
آیا این کشف ما را به ابررسانای دمای اتاق نزدیک‌تر می‌کند؟
فعلاً نمی‌توان چنین نتیجه‌ای گرفت. این تحقیق ابررسانای دمای اتاق معرفی نکرده است.
اهمیت اصلی آن در این است که تصویر دقیق‌تری از ساختار داخلی برخی ابررساناها ارائه می‌دهد و می‌تواند به پژوهشگران کمک کند مدل‌های بهتری برای توضیح رفتار آنها بسازند.
جمع‌بندی
پژوهش جدید نشان می‌دهد ساختار داخلی ماده LESCO، که یکی از ابررساناهای خانواده کوپرات‌هاست، پیچیده‌تر از چیزی است که پیش‌تر تصور می‌شد.
دانشمندان با استفاده از تصویربرداری سه‌بعدی پرتو ایکس توانستند بخش‌هایی با آرایش متفاوت اتم‌ها را درون این ماده مشاهده کنند. این یافته می‌تواند مسیر تحقیقات جدیدی را درباره رابطه میان ساختار ماده و ابررسانایی باز کند، اما برای مشخص شدن اهمیت این ساختارها و تعمیم نتیجه به سایر کوپرات‌ها، تحقیقات بیشتری لازم است.
منابع: ScienceAlert، University of Warwick، Phys.org، Nature
