یک قطار سریعالسیر برای الکتریسیته را تصور کنید—مسیری که در آن جریان برای همیشه بدون هیچ مقاومت یا اتلاف انرژی حرکت میکند. این واقعیت ابررساناها است، موادی که در حال حاضر به فناوریهای شگفتانگیزی مانند دستگاههای MRI و شتابدهندههای ذرات قدرت میبخشند. 🔬 با این حال، یک مشکل وجود دارد: ابررساناهای سنتی فقط در دماهای بسیار پایین کار میکنند و نیازمند سیستمهای خنککننده گران و حجیم هستند.
اما اگر بتوانیم کاری کنیم که در دمای اتاق کار کنند چه؟ این جستجو، که به «جام مقدس» فیزیک مشهور است، میتواند جهان ما را متحول کند و به شبکههای برق بدون اتلاف و کامپیوترهای کوانتومی فوقالعاده قدرتمند منجر شود. اکنون، تیمی از فیزیکدانان دانشگاه MIT با کشف شواهد مستقیمی از یک ابررسانایی عجیب و «غیرمتعارف» در مادهای به نام گرافن سهلایه پیچیده شده با زاویه جادویی (MATTG)، گام بلندی در این مسیر برداشتهاند.
جادوی یک پیچش ✨
گرافن یک لایه منفرد از اتمهای کربن است که در یک شبکه لانه زنبوری، شبیه به توری مرغی، مرتب شدهاند. در سال ۲۰۱۸، گروه پروفسور پابلو خاریو-هررو در MIT کشف کرد که قرار دادن دو لایه روی هم و پیچاندن آنها در یک «زاویه جادویی» بسیار خاص (حدود ۱.۱ درجه) خواص الکترونیکی شگفتانگیزی ایجاد میکند. این کشف، زمینه تحقیقاتی «پیچانشناسی» (Twistronics) را پایهگذاری کرد. آخرین تحقیق با استفاده از سه لایه گرافن که به شیوهای مشابه پیچانده شدهاند، این موضوع را یک قدم فراتر میبرد.
دستاورد این تیم، که در مجله Science منتشر شده، حاصل اندازهگیری مستقیم «شکاف ابررسانایی» این ماده است. این شکاف یک سد انرژی است که نشان میدهد الکترونها با چه قدرتی به یکدیگر متصل شده و «جفتهای کوپر» را تشکیل میدهند. در ابررساناها، این جفتها با هماهنگی کامل حرکت میکنند، از برخوردها اجتناب کرده و مقاومت را از بین میبرند.
شکلی V که همه چیز را تغییر میدهد
محققان با استفاده از یک سیستم آزمایشی جدید، رفتار این شکاف را مشاهده کردند. در ابررساناهای متعارف، شکاف معمولاً یک دره U شکل و مسطح است. اما در MATTG، آنها چیزی کاملاً متفاوت دیدند: یک منحنی V شکل تیز و متمایز. این امضای منحصربهفرد، واضحترین مدرک تا به امروز است که نشان میدهد MATTG یک ابررسانای غیرمتعارف است و طبق مجموعهای از قوانین متفاوت عمل میکند.
شوون سان، یکی از نویسندگان اصلی مقاله و دانشجوی تحصیلات تکمیلی MIT، توضیح میدهد: «شکاف ابررسانایی به ما سرنخی میدهد که چه نوع مکانیزمی میتواند به چیزهایی مانند ابررساناهای دمای اتاق منجر شود که در نهایت به نفع جامعه بشری خواهد بود.»
نوع جدیدی از همکاری
خب، چه چیزی باعث این تفاوت میشود؟ در بیشتر ابررساناها، جفت شدن الکترونها توسط ارتعاشات شبکه اتمی ماده انجام میشود—خود اتمها به آرامی الکترونها را به سمت یکدیگر هل میدهند. با این حال، شکاف V شکل در MATTG به یک مکانیزم بسیار عجیبتر اشاره دارد. نظریه غالب این است که جفت شدن ناشی از برهمکنشهای الکترونیکی قوی است. به عبارت دیگر، خود الکترونها به طور فعال برای تشکیل جفتهای محکم، تقریباً شبیه به مولکولها، با یکدیگر همکاری میکنند، بدون اینکه به شبکه اتمی به عنوان یک واسطه نیاز داشته باشند.
پروفسور خاریو-هررو میگوید: «درک عمیق یک ابررسانای غیرمتعارف ممکن است به درک ما از بقیه آنها کمک کند.» دانشمندان امیدوارند با رمزگشایی از اسرار گرافن با زاویه جادویی، دستورالعملی برای طراحی مواد جدیدی پیدا کنند که میتواند رویای ابررسانایی در دمای اتاق را به واقعیت تبدیل کرده و فناوری را آنطور که میشناسیم، دگرگون کند.
منبع: MIT News