مغناطیس به ناپدید شدن الکترون‌ها در ابررساناهای با دمای بالا کمک می‌کند

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۱۴ مارچ، ۲۰۲۲
لینک منبع: Magnetism Helps Electrons Vanish in High-Temperature Superconductors

ابررساناها -فلزاتی که در آن‌ها جریان الکتریسیته بدون مقاومت جریان می‌یابد- به گفته برد رامشو فیزیکدان، ماده تعیین‌کننده آینده نزدیک است و در حال حاضر در دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی، تحقیقات کشف دارو، و کامپیوترهای کوانتومی که توسط گوگل و آی‌بی‌ام ساخته می‌شوند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

با این حال، ابررساناهای مرسوم در دماهای بسیار پایین نیاز به عملکرد دارند -چند درجه بالاتر از صفر مطلق- آن‌ها را برای استفاده گسترده بسیار گران می‌کند.

در تلاش آن‌ها برای یافتن ابررساناهای مفیدتر، رامشو، دیک دیبل ریس جانسون، استادیار فیزیک در کالج هنر و علوم، و همکاران کشف کرده‌اند که مغناطیس کلید درک رفتار الکترون‌ها در ابررساناهای «دمای بالا» است. با این یافته، آن‌ها یک راز ۳۰ ساله را در اطراف این دسته از ابررساناها حل کرده‌اند، که در دماهای بسیار بالاتر، بیشتر از ۱۰۰ درجه بالاتر از صفر مطلق عمل می‌کنند. مقاله آن‌ها، «تبدیل سطح فرمی در نقطه بحرانی کاذب یک ابررسانای کوپراته» در Nature Physics در ۱۰ مارس ۲۰۲۲ منتشر شد.

رامشو گفت: «ما می‌خواهیم درک کنیم که چه چیزی باعث می‌شود این ابررساناهای دمای بالا این ویژگی را در برخی مواد دیگر که پذیرش آن‌ها در فن‌آوری‌ها آسان‌تر است، کار و مهندسی کنند.»

رامشو گفت: راز اصلی ابررساناهای دمای بالا این است که در الکترون‌های آن‌ها چه اتفاقی می‌افتد.

او گفت: «همه فلزات الکترون دارند و وقتی یک فلز ابر رسانا می‌شود، الکترون‌ها با هم جفت می‌شوند.» «ما چیزی به نام سطح فرمی را اندازه‌گیری می‌کنیم، که شما می‌توانید آن را به‌عنوان یک نقشه در نظر بگیرید که نشان می‌دهد همه الکترون‌های یک فلز کجا هستند.»

برای مطالعه چگونگی جفت شدن الکترون‌ها در ابررساناهای دمای بالا، محققان به‌طور مداوم تعداد الکترون‌ها را از طریق فرآیندی که به‌عنوان آلایش شیمیایی شناخته می‌شود، تغییر می‌دهند. رامشو گفت که در ابررساناهای دمای بالا، در یک «نقطه بحرانی» معین، به نظر می‌رسد که الکترون‌ها از نقشه سطح فرمی ناپدید می‌شوند.

محققان در این نقطه بحرانی به صفر رسیدند تا بفهمند چه چیزی الکترون‌ها را ناپدید می‌کند و کجا می‌روند. آن‌ها از قوی‌ترین آهن‌ربای حالت پایدار در جهان، آهن‌ربای هیبریدی ۴۵-تسلا در آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا در تالاهاسی فلوریدا، برای اندازه‌گیری سطح فرمی یک ابررسانای اکسید مس دما بالا به‌عنوان تابعی از غلظت الکترون، درست در اطراف نقطه بحرانی، استفاده کردند.

آن‌ها دریافتند که سطح فرمی به‌طور کامل تغییر می‌کند چون محققان از نقطه بحرانی عبور می‌کنند.

رامشو گفت: «مثل این است که شما به یک نقشه واقعی نگاه می‌کنید و ناگهان بیشتر قاره‌ها ناپدید شده‌اند.» «این همان چیزی است که ما دریافتیم بر روی سطح فرمی ابررساناهای دمای بالا در نقطه بحرانی رخ می‌دهد -بیشتر الکترون‌ها در یک منطقه خاص، در بخش خاصی از نقشه، ناپدید می‌شوند.»

رامشو گفت که برای محققان مهم بود که نه‌تنها توجه کنند که الکترون‌ها در حال ناپدید شدن هستند، بلکه توجه داشته باشند که کدام یک از آن‌ها به ویژه ناپدید شده‌اند.

آن‌ها مدل‌های شبیه‌سازی مختلفی را براساس نظریه‌های مختلف ساختند و آزمایش کردند که آیا می‌توانند داده‌ها را توضیح دهند یا خیر.

فنگ گفت: «در نهایت، ما یک مدل برنده داریم که با مغناطیس مرتبط است.» «بااعتماد به نفس از سمت به خوبی درک شده مواد گام بر می‌داریم و معیار تکنیک خود را در سمت مرموز گذشته از نقطه بحرانی مورد ارزیابی قرار می‌دهیم.»

حالا که آن‌ها می‌دانند کدام الکترون‌ها ناپدید می‌شوند، محققان یک ایده دارند که چرا -این باید با مغناطیس ارتباط داشته باشد.

رامشو گفت: «همیشه اشاراتی مبنی‌بر اینکه مغناطیس و ابررسانایی با ابررساناهای دمای بالا مرتبط هستند وجود داشته‌است، و کار ما نشان می‌دهد که این مغناطیس به نظر می‌رسد درست در نقطه بحرانی ظاهر شود و بیشتر الکترون‌ها را ببلعد.» این نقطه بحرانی همچنین نشان‌دهنده غلظت الکترون است که در آن ابررسانایی در بالاترین دما اتفاق می‌افتد و ابررساناهای دمای بالاتر در اینجا هدف هستند.

رامشو گفت: دانستن اینکه نقطه بحرانی مرتبط با مغناطیس است، بینشی را در مورد اینکه چرا این ابررساناهای خاص دمای گذار بالایی دارند، و شاید حتی در کجا به دنبال پیدا کردن موارد جدیدی با دمای گذار بالاتر باشند، ارائه می‌دهد.

گائل گریسونانچه، محقق فوق‌دکترا در موسسه کاولی در کورنل برای علوم نانومقیاس و مولف اول، گفت: «این یک بحث ۳۰ ساله است که پیش از مطالعه ما مطرح شد و ما به یک پاسخ صریح رسیدیم.»

این متن با استفاده از ربات ‌ترجمه مقالات فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.