ابررسانای جدید

نخستین ابررسانای گرم بیش از 20 سال پیش کشف شد، اما حدود یک سال پیش بود که محققان ژاپنی توانستند خانواده جدیدی از ابررساناهای گرم را کشف کنند که استفاده از آن به‌مراتب ساده‌تر است. هیجان ناشی از کشف این خانواده جدید به سرعت به امیدواری تبدیل شد؛ امید به این‌که آیا ترکیبات آرسنیدآهن، که به نام پنیکتاید (ترکیب دوتایی گروه 5 اصلی) شناخته می‌شوند، همان دستاورد دست‌نیافتنی جامعه ابررسانا است؟ از لحاظ نظری با کشفیات جدید، توضیح ابررسانایی در دمای بالا پیچیده شده؛ اما در بخش تجربی، پنیکتایدها هر روز بهتر از دیروز به نظر می‌رسند. 

محققان توانسته‌اند با اندکی تغییر در آماده‌سازی پنیکتایدها، دمای بحرانی پایین آن را تا 56 کلوین، معادل 217- درجه سانتی‌گراد افزایش دهند. در دمای زیر دمای بحرانی، این مواد به حالت ابررسانایی می‌رسند که به معنی انتقال الکریسیته بدون مقاومت است. دمای 56 درجه کلوین شاید در نگاه اول بسیار پایین باشد، اما آن‌قدر بالا هست که به این ابررسانا، ابررسانای گرم گفته ‌شود.

هرچند هنوز برای ابررسانایی در دمای اتاق راهی دراز در پیش است، اما هرگز دما به اندازه دمای ابررسانایی پنیکتایدها مناسب نبوده است. نتایج تحقیقاتی که در نشریه نیچر چاپ شده، نشان می‌دهد که پنیکتایدها مزایای متمایز دیگری نیز نسبت به ابررسانای دمای بالای مبتنی بر مس، به نام کاپریت که پیشتر کشف شده بود، دارند.

به نظر می‌رسد پنیکتایدها بر خلاف کاپریت‌ها، بدون هیچ تعلقی نسبت به آرایش بلوری خود ابررسانا می‌شوند؛ همچنین به نظر می‌رسد که آنها ظرفیت بیشتری را برای انتقال جریان‌های قوی‌تر و تولید نیروهای مغناطیسی بزرگ‌تر دارند. بنابراین آنها برای ساخت میدان‌های مغناطیسی قوی در شتابدهنده‌ها در مرزهای فیزیک انرژی بالا و هم‌چنین روش‌های تشدید مغناطیسی هسته‌ای که زیست‌شناسان مولکولی برای تعیین خصوصیات پروتئین از آن استفاده می‌کنند، بسیار مناسب‌ترند.

پائول کنفیلد، فیزیکدان آزمایشگاه ملی ایمز در آیوا، آمریکا، که به تازگی روی پنیکتایدها کار کرده، می‌گوید: «من نمی‌گویم که نسل جدیدی از سیم‌های مغناطیسی را بدست آورده‌ایم؛ اما این خیلی خوب به کار انواع میدان‌های مغناطیسی که می‌شود در این‌گونه مواد ایجاد کرد، می‌آید.»

ابررسانایی در هر جهت
پس از این‌که ابررساناهای گرم کاپریت در 1365 / 1986 کشف شد، پژوهشگران پس‌از یک دهه تلاش توانستند دمای بحرانی آن را به 138 کلوین ارتقا دهند. اما نظریه‌دانان از درک سازوکار رفتاری این ابررسانا که متفاوت با ابررساناهای مرسوم فلزی با دمای بحرانی بسیار پایین است، عاجز ماندند. فکرهای زیادی برای استفاده از کاپریت‌ها با ساختار دوبعدی ساخته شد. در وهله اول به نظر می‌رسید که پنیکتایدها مشابه کاپریت‌ها هستند. به گفته جان سینگلسون از آزمایشگاه ملی لس‌آلاموس در نیومکزیکو و نویسنده چندین مقاله دانشگاهی در این زمینه، فرض بر این بود که این دو خانواده ابررسانا از لحاظ فیزیکی بسیار شباهت داشته باشند.

تحقیقات نشان داد که پنیکتایدها می‌توانند تقریبا به طور یکسان در تمامی جهات ابررسانا شوند و همچون کاپرایت‌ها محدودیتی در صفحه (دو بعد) ندارند. سازوکار دقیق آنها هنوز هم ناشناخته باقی مانده، اما دیگر نیازی نیست که آزمایشگران در جستجوی ابررساناهای گرم نوین، خود را به ساختارهای لایه‌ای محدود کنند. کنفیلد که تحقیق مشابهی را در سال 2008 منتشر کرده، در این مورد می‌گوید: «این کشف، دامنه جستجو را وسیع‌تر می‌‌کند.»

رفتار در تمام جهت‌ها دارای دلالتی تجربی است. زحمات زیادی کشیده شده که سیم‌ها و نوارهای کاپریتی را به گونه‌ای شکل دهند که ذرات در راستای جهت ابررسانایی خواسته شده قرار بگیرند. با پنیکتایدها، دیگر به این کارهای آزاردهنده و دشوار نیازی نیست. هارولد وینستاک، مدیر برنامه تحقیق ابررسانایی در دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی در آرلینگتون ویرجینیا، می‌گوید: «این خیلی کار را برای ساخت کارخانه‌ای آن ساده می کند.»

افسون مغناطیسی
اگرچه ابررساناها را با دمای بحرانی‌شان مقایسه می‌کنند، اما ارتقای روش‌های سرمازایی برودتی هم از اهمیت این عامل و هم از هزینه‌های تحمیلی می‌کاهد. دو عامل اساسی دیگر در ابررساناها، توانایی انتقال جریان الکتریکی زیاد و تولید میدان مغناطیسی بزرگ، می‌تواند بیشتر حائز اهمیت باشد؛ به ویژه در زمانی که ابررساناها برای ساخت میدان‌های مغناطیسی قوی به کار گرفته می‌شوند. این‌جاست که پنیکتایدها بر کاپریت‌ها غلبه می‌کنند. دیوید لاربالستیر، مدیر مرکز ابررسانایی کاربردی در آزمایشگاه میدان مغناطیسی قوی ملی آمریکا در دانشگاه ایالتی تالاهاسی فلوریدا، می‌گوید: واقعا به نظر می‌رسد که این‌ها (پنیکتایدها) بهترند.»

یکی از استفاده‌های ممکن این ابررساناها، در ماشین‌های تشدید مغناطیسی هسته‌ای، ان.ام.آر است که با استفاده از میدان‌های مغناطیسی کم‌توانتر، تصاویر پزشکی با جزئیات بالایی از بدن انسان تولید می‌کند. ماشین‌های ان.ام.آر بسیار نوین که زیست‌شناسان مولکولی از آن برای تعیین خصوصیات پروتئین‌ها استفاده می‌کنند، با میدان‌های مغناطیسی به شدت 20 تسلا کار می‌کنند، اما شدت میدان مغناطیسی بالاتر، حساسیت و تفکیک بیشتری را بدست می‌دهد.

دومین عرصه برای استفاده از این ابررساناها در فیزیک انرژی بالا است، جایی‌که از میدان‌های مغناطیسی ابررساناها برای شتاب دادن ذرات استفاده می‌شود. برخورددهنده میون، شتابدهنده‌ای که دو دسته ذره را در خلاف جهت یکدیگر شتاب می‌دهد تا با یکدیگر برخورد کنند، می‌تواند از میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی‌ای که پنیکتایدها تولید می‌کنند، استفاده کند. ذرات در این برخورددهنده دارای طول عمر بسیار کوتاه هستند؛ اما در صورت استفاده از ابررساناهای جدید می‌توان آن‌ها را به جای شتاب دادن کند در حلقه‌های بزرگ،‌ در حلقه‌ای کوچک‌تر شتاب داد. شتاب دادن کند در حلقه‌های بزرگ، مشابه کاری است که با استفاده از میدان‌های مغناطیسی 8 تسلا روی پروتون‌های با طول عمر بالاتر در برخورددهنده بزرگ هادرون در سرن، آزمایشگاه فیزیک هسته‌ای اروپا، اتفاق می‌افتد.

اگرچه وینستاک، پنیکتایدها را «هیجان‌آور» و «امیدوارکننده» می‌داند، ولی مطمئن نیست که این کشف جدید بتواند به زودی در تمام این کاربردها مورد استفاده قرار گیرد. دانشمندان علم مواد، برای مهندسی نوارها و سیم‌های کاپریت، 20 سال زحمت کشیدند؛ اما دستاوردشان هنوز گران‌قیمت است و به‌سختی خاصیت مغناطیسی می‌یابد. وینستاک می‌افزاید: «فکر نکنم پنیکتایدها بتوانند تا یکی دو سال آینده جای کاپریت‌ها را بگیرند.» 

منبع :NatureNews