کشف ماده‌ای که همزمان خاصیت ابررسانایی و مغناطیسی دارد!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) موفق به کشف نوعی ماده جدید شده‌اند که همزمان دارای دو ویژگی متضاد یعنی ابررسانایی و مغناطیس است.

به گزارش فیزیکس اوآرجی، این کشف می‌تواند دیدگاه‌های قدیمی در مورد ناسازگاری میان مغناطیس و ابررسانایی را به چالش بکشد و افق‌های تازه‌ای در فیزیک ماده و محاسبات کوانتومی بگشاید.

گرافیت؛ ماده‌ای آشنا با رفتاری شگفت‌انگیز

تحقیقات تیم فیزیکدانان MIT نشان می‌دهد که ساختار خاصی از گرافیت، ماده‌ای که به طور معمول در مغز مداد به کار می‌رود، می‌تواند در شرایط خاص به ابررسانای مغناطیسی تبدیل شود. گرافیت از لایه‌هایی از گرافن تشکیل شده است؛ ورقه‌های فوق‌العاده نازک از اتم‌های کربن که معمولاً به‌صورت متقارن روی یکدیگر قرار گرفته‌اند. اما گاهی برخی از لایه‌ها به صورت «رومبوهدرال» یا پلکانی چیده می‌شوند و ساختاری متفاوت ایجاد می‌کنند.

پژوهشگران توانستند تکه‌هایی از این گرافن رومبوهدرال را از گرافیت استخراج کنند و آنها را در دمای بسیار پایین ۳۰۰ میلی‌کلوین (نزدیک به منفی ۲۷۳ درجه سلسیوس) مورد آزمایش قرار دهند. نتایج حیرت‌انگیز بود: این ساختار به یک ابررسانا تبدیل شد؛ جریانی که از آن عبور می‌کرد بدون مقاومت حرکت می‌کرد.

بیشتر بخوانید

هیدروژن عجیب با ۵ نوترون ساخته شد!

نقاط کوانتومی از دل آب بیرون آمدند!

کشف رایانش کوانتومی در مغز؛ جایی که نور فکر می‌کند!

ویژگی مغناطیسی؛ رفتاری غیرمنتظره

در بررسی‌های بیشتر، پژوهشگران متوجه شدند که این ماده هنگام قرار گرفتن در میدان مغناطیسی خارجی می‌تواند بین دو حالت مختلف ابررسانایی تغییر وضعیت دهد؛ رفتاری مشابه یک آهنربا. این ویژگی در ابررسانا‌های معمولی مشاهده نمی‌شود، چراکه میدان مغناطیسی معمولاً باعث از بین رفتن حالت ابررسانایی می‌شود.

لانگ جو، استادیار فیزیک در MIT و نویسنده ارشد مقاله، می‌گوید: «در باور عمومی، ابررسانا‌ها با میدان مغناطیسی ناسازگارند، اما ما برای اولین‌بار مشاهده کردیم که یک ابررسانا می‌تواند مانند آهنربا رفتار کند. این کشف بسیار عجیب و غیرمنتظره است.»

چرخش الکترون‌ها و مفهوم «ابررسانای چایرال»

در ابررسانا‌های رایج، الکترون‌ها به صورت زوج‌هایی موسوم به «زوج‌های کوپر» حرکت می‌کنند که بدون برخورد با شبکه بلوری، مقاومت الکتریکی را به صفر می‌رسانند. اما در این ساختار خاص از گرافن رومبوهدرال، به نظر می‌رسد که همه الکترون‌ها در یک حالت حرکتی مشترک یا «دره» (valley) قرار می‌گیرند. وقتی این الکترون‌ها جفت می‌شوند، مجموع آنها دارای حرکت و چرخشی غیر صفر است؛ یعنی جفت الکترونی با مومنتوم و اسپین مشخص که منجر به ایجاد مغناطیس داخلی در ماده می‌شود.

تونگهانگ هان، دانشجوی دکتری MIT و یکی از نویسندگان مقاله، توضیح می‌دهد: «می‌توان تصور کرد که دو الکترون در یک زوج یا در جهت ساعت‌گرد یا پادساعت‌گرد می‌چرخند، که معادل آهنربایی است که به سمت بالا یا پایین اشاره دارد. این نوع رفتار به عنوان یک ابررسانای چایرال (chiral superconductor) شناخته می‌شود؛ چیزی کاملاً منحصر‌به‌فرد و بی‌سابقه.»

ویژگی‌های این ابررسانای جدید، آن را به یکی از نامزد‌های بالقوه برای تحقق ابررسانا‌های توپولوژیکی تبدیل می‌کند؛ موادی که از پایداری کوانتومی بالایی برخوردارند و می‌توانند اساس محاسبات کوانتومی مقاوم در برابر خطا باشند.

به گفته ژنگ‌گوانگ لو، یکی از اعضای پیشین این گروه و استاد فعلی دانشگاه ایالتی فلوریدا، «تمامی ویژگی‌هایی که تاکنون در این ماده مشاهده کرده‌ایم، کاملاً غیرمنتظره بوده‌اند. اما از آنجا که با یک سیستم ساده طرف هستیم، احتمال زیادی وجود دارد که بتوانیم فرآیند‌های عمیق فیزیکی را در آن توضیح دهیم.»

لیانگ فو از MIT نیز می‌گوید: «واقعاً شگفت‌انگیز است که چنین ابررسانای چایرالی از عناصری تا این حد ساده به وجود آمده است. این ساختار می‌تواند مبنای کشف اصولی عمیق در فیزیک کوانتومی باشد.»