شکستن قالب: دانشمندان نوع جدیدی از ابررسانایی را نشان می‌دهند
از زمان کشف آن‌ها در سال 1911، ابررساناها در فناوری مدرن فراگیر شده‌اند، از جمله در -MRI ماشین‌های قدرت‌رسانی تا امکان‌پذیری آهنرباهای قدرتمند برای شتاب‌دهنده‌های ذرات.
ابررساناها دسته‌ای از موادی هستند که مقاومت داخلی آن‌ها زیر دمای بحرانی به صفر می‌رسد. جریان الکتریکی می‌تواند در حالت ابررسانایی ابررساناها بدون منبع برق خارجی پایدار باشد.
به طور سنتی، ابررساناها به دو دسته تقسیم می‌شوند—نوع I و نوع II. با این حال، پژوهش‌های جدید نشان داده‌اند که نوع سومی از ابررساناها وجود دارد و آن را ابررسانای نوع III می‌نامند.
این پژوهش توسط گروهی از دانشمندان به رهبری دکتر والری وینوکور، مدیر فناوری در ترا کوانتوم ، یک شرکت فناوری کوانتوم مستقر در آلمان و سوئیس، انجام شده است.
مهندسی جالب (IE) با دکتر وینوکور درباره پژوهش آن‌ها در ابررساناهای نوع III صحبت کرد.
"یکی از ویژگی‌های اصلی ابررساناهای سنتی این است که وقتی میدان‌های مغناطیسی به آن‌ها اعمال می‌شود، آن‌ها را دفع می‌کنند. در هر دو مورد، بالاتر از یک مقدار آستانه، میدان مغناطیسی به طور کامل ابررسانایی را در مواد نابود می‌کند،" او گفت، توضیح دادن مشکل.
برای درک این که چگونه ابررساناهای نوع III این مشکل را دور می‌زنند، نیاز است که داخل ابررساناها را بررسی کنیم.
اساس‌های ابررسانایی
در یک رسانا معمولی، الکترون‌ها در مواد به دلیل بار منفی خود دچار دفع الکترواستاتیک می‌شوند. هنگامی که الکترون‌ها از ماده عبور می‌کنند، با ناخالصی‌ها، نقص‌ها، یا الکترون‌های دیگر برخورد می‌کنند.
این برخورد، مقاومت ی است که الکترون‌ها از مواد مواجه می‌شوند، که همان مقاومت الکتریکی ماده است، که برای رساناها بسیار کوچک است اما صفر نیست.
با این حال، در ابررساناها، مکانیسم کمی متفاوت است.
نظریه BCS
در ابررساناهای معمولی، نظریه باردوین–کوپر–شرایفر (BCS) مکانیزم پشت خصوصیات ابررسانایی را توضیح می‌دهد.
این الکترون‌ها به شدت با فنون‌ها ، که نویزهای موجود در شبکه کریستالی مواد هستند، تعامل دارند. شبکه به تکرار چینش اتم‌ها یا یون‌ها (اتم‌های باردار) در مواد اشاره دارد.
همان طور که الکترون‌ها از ماده می‌گذرند، بار منفی آن‌ها ایجاد تغییرات در شبکه می‌کند و اتم‌های باردار مثبت نزدیک را جذب می‌کند.
یک الکترون عبوری دیگر به این جذب می‌شود، ایجاد یک تعامل موثر غیرمستقیم بین دو الکترون به واسطه شبکه، یعنی فنون.
الکترون‌های اکنون جفت‌شده بدون اثری از برخوردهایی که در رساناهای معمولی مشاهده می‌شود از شبکه عبور می‌کنند. این الکترون‌های جفت‌شده به عنوان جفت‌کوپر شناخته می‌شوند و به عنوان یک واحد واحد عمل می‌کنند.
وقتی جفت‌های کوپر از ماده عبور می‌کنند، آن‌ها به طور منسجم حرکت می‌کنند، برخلاف الکترون‌های فردی که به طور تصادفی حرکت می‌کنند. حرکت منسجم جفت‌های کوپر به این معناست که آن‌ها با ناخالصی‌ها، نقص‌ها، یا الکترون‌های دیگر برخورد نمی‌کنند.
از آنجا که آن‌ها مقاومت ی از ماده مواجه نمی‌شوند، جفت‌های کوپر به راحتی بدون مقاومت الکتریکی حرکت می‌کنند و به ابررسانایی منجر می‌شوند.
با این حال، این پدیده تنها زمانی مشاهده می‌شود که ماده ابررسانایی زیر دما بحرانی خنک شود.
برای بیشتر ابررساناهای معمولی، دما بحرانی در حدود −260 درجه سلسیوس یا −436 درجه فارنهایت است.
ابررساناهای نوع I و نوع II
دفع میدان مغناطیسی نشان داده شده توسط ابررساناهای نوع I و نوع II همان چیزی است که آن‌ها را از هم متمایز می‌کند. این پدیده به عنوان اثر مایسنر . شناخته می‌شود.
در حالی که ابررساناها اثر مایسنر را نشان می‌دهند زمانی که در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار می‌گیرند، ممکن است بپرسید چرا اصلا در یکی قرار می‌گیرند. پاسخ به این سؤال در کاربردهای ابررساناها نهفته است.
ابررساناها این ویژگی منحصر به فرد بدون مقاومت الکتریکی را دارند، که به آن‌ها اجازه می‌دهد مقادیر زیادی جریان بدون از دست دادن انرژی انتقال دهند. جریان زیاد برای ایجاد میدان مغناطیسی قوی و پایدار ضروری است.
این میدان‌های مغناطیسی قوی کاربردهای متنوعی دارند، از جمله در ماشین‌های MRI، شتاب‌دهنده‌های ذرات و راکتورهای هم‌جوشی.
این میدان مغناطیسی خارج شده همیشه به میدان اجرا شونده مقاوم می‌شود و این می‌تواند برای شناور مغناطیسی، مانند قطارهای مگلَو، استفاده شود.
اثر مایسنر همچنین به اعطای حفاظ به داخل ابررساناها نیز کمک می‌کند، و آن‌ها را در کاربردهای پوششی، مانند محاسبات کوانتومی که نویز باعث کاهش هماهنگی یا از دست دادن اطلاعات می‌شود، مفید می‌سازد.
نوع I
در ابررساناهای نوع I، وقتی ماده زیر دمای بحرانی خنک شود، میدان‌های مغناطیسی به طور کامل از داخل دفع می‌شوند. با این حال، محدودیت بالایی وجود دارد که بالاتر از آن این اساس فرو می‌پاشد.
میدان بحرانی مقدار میدان مغناطیسی است که بالاتر از آن یک ابررسانای نوع I ابررسانایی خود را از دست می‌دهد. این مقدار برای هر ماده بی‌نظیر است. زمانی که ابررسانایی از دست رود، میدان مغناطیسی می‌تواند به ماده نفوذ کند.
نمونه‌هایی از ابررساناهای نوع I شامل سرب و جیوه می‌شوند.
نوع II
اثر مایسنر در ابررساناهای نوع II کمی متفاوت عمل می‌کند. این‌ها دو مقدار میدان بحرانی دارند و اجازه نفوذ جزئی میدان مغناطیسی را می‌دهند.
در زیر میدان بحرانی پایین‌تر، ماده به همان شیوه ابررساناهای نوع I عمل می‌کند و میدان‌های مغناطیسی خارج می‌شود.
وقتی که میدان مغناطیسی بین مقادیر میدان بحرانی پایین‌تر و بالاتر باشد، ابررساناهای نوع II اجازه می‌دهند میدان مغناطیسی به صورت گردباره‌ها وارد برخی منطقه‌ها وارد شود.
این گردباره‌ها مشابه توفان هستند، دارای هسته و ابرجریان‌های اطراف آن. در هسته، حالت ابررسانایی ماده نابود می‌شود و جفت‌های کوپر وجود ندارد.
ابرجریان‌ها که هسته را محاصره کرده‌اند به عنوان یک سپر دفاعی عمل کرده و میدان مغناطیسی اعمالی را در هسته گیر می‌اندازند، به این صورت که بقیه ماده محافظت می‌شود.
بالاتر از میدان بحرانی بالاتر، ماده ابررسانایی خود را از دست می‌دهد.
نمونه‌هایی از ابررساناهای نوع II شامل YBCO (اکسید باریوم کوپر ایتریوم) و نیوبیوم-تیتانیوم (NbTi) می‌شوند.
یک دسته‌بندی جدید—نوع III
"کشف ما از ابررسانایی نوع III و جست‌وجوی بیشتر آن ناشی از این حقیقت بود که بسیاری از ابررساناها اجازه نمی‌دهند تا اسکرین کردن میدان الکترومغناطیسی سنتی را انجام دهند" گفت دکتر وینوکور.
پژوهشگران دریافتند که ابررساناهای نوع III می‌توانند به طریقی شکل بگیرند که گردباره‌های تشکیل شده بدون هسته باشند.
مشابه ابررساناهای نوع II، این مواد اجازه می‌دهند میدان‌های مغناطیسی به شکل گردباره‌ها نفوذ کنند. با این حال، تفاوت کلیدی این است که گردباره‌ها در ابررساناهای نوع III فاقد هسته هستند.
علاوه بر این، ابررساناهای نوع III تنها توسط یک پارامتر، عمق نفوذ (λ) مشخص می‌شوند که رفتار گردباره‌ها را با تعیین عمقی که میدان مغناطیسی به ماده نفوذ می‌کند، کنترل می‌کند.
در مقابل، ابررساناهای نوع II نیاز به در نظر گرفتن دو خاصیت متفاوت دارند، بنابراین توصیف آن‌ها پیچیده‌تر است.
علاوه بر این، میدان بحرانی پایین‌تر ابررساناهای نوع III در صفر مطلق (0 کلوین یا −273.15 درجه سلسیوس) صفر است. این بدان معناست که هیچ حداقل آستانه‌ای برای غلبه وجود ندارد و میدان مغناطیسی فوراً می‌تواند نفوذ کند.
به این ترتیب، در ابررساناهای نوع III، در اثر میدان مغناطیسی خارجی، ما گردباره‌های بدون هسته داریم که میدان را حمل می‌کنند بدون این که حالت ابررسانایی در بقیه ماده را نابود کنند، زیرا آن‌ها رشد نمی‌کنند یا گسترش نمی‌یابند.
پژوهشگران ذکر کرده‌اند که ابررسانایی نوع III در نیوبیوم نیترید (NbN) و نیوبیوم تیتانیوم نیترید (NbTiN) دیده شده است.
کاربردهای بالقوه و کارهای آینده
توانایی ابررساناهای نوع III برای اجازه دادن به نفوذ میدان مغناطیسی بدون تخریب ابررسانایی یک مزیت بزرگ نسبت به ابررساناهای نوع I و II است.
این همچنین به معنی این است که ابررساناهای نوع III در محیط‌های مغناطیسی پایدارتر هستند، و آن‌ها را در کاربردهایی مانند MRI یا شتاب‌دهنده‌های ذرات مناسب می‌کند.
"فقدان هسته معمولی در گردباره‌های نوع III به این معنی است که هیچ از دست رفتنی از طریق اتلاف هسته در داخل خود گردباره وجود ندارد. بدون از دست دادن انرژی از طریق اتلاف انرژی هسته، این ویژگی دوام ابررسانا را در برابر تداخل‌های مغناطیسی افزایش می‌دهد، و آن را برای کاربردهای هماهنگی بالا ایده‌آل می‌کند" دکتر وینوکور توضیح داد.
بنابراین، ابررساناهای نوع III می‌توانند در برنامه‌های محاسبات کوانتومی که نیاز به هماهنگی کیوبیت‌ها دارند، بسیار مفید باشند.
علاوه بر این، کیوبیت‌ها به شدت به مزاحمت‌های میدان مغناطیسی حساس هستند، و آن‌ها به از دست رفتن هماهنگی مبتلا می‌شوند. ابررساناهای نوع III می‌توانند محیطی پایدارتر برای کیوبیت‌ها فراهم کنند با مدیریت میدان‌های مغناطیسی بدون از دست دادن انرژی‌های مرتبط با ابررساناهای سنتی.
پژوهش‌ها نشانگر جهت جدیدی در زمینه ابررسانایی است زیرا نشان‌دهنده رفتار بنیادین جدیدی از ابررساناها است که نیازی به دفع میدان‌های مغناطیسی ندارد.
"تحقق این که ابررساناهای نوع III دچار یک تغییر فاز (به ابررسانایی) به وسیله آزادسازی گردباره‌ها به جای شکستن جفت‌های کوپر می‌شوند خصوصاً حیرت‌انگیز بود" دکتر وینوکور اعتراف کرد.
برای مراحل بعدی، پژوهشگران قصد دارند استفاده عملی از ابررساناهای نوع III را آزمایش کنند، به خصوص عملکرد آن‌ها در شرایط مختلف، و چگونگی تبدیل آن‌ها به کاربرد تجاری ممکن.
این مطالعه در فیزیکال ریویو بی منتشر شده است.
