معرفی کتاب «حتما شوخی می‌کنید آقای فاینمن»
۲۳ بهمن ۱۳۹۸
ابرشاره هلیوم۴
۲۳ بهمن ۱۳۹۸

ماه مارس 2018 / فروردین 1397، Pablo Jarillo-Herrero مقاله‌ای در مجلۀ nature منتشر کرد که خبر از پیشرفتی عظیم در علم مواد می‌داد. سال 2012 / 1391 بود که فردی از دانشگاه UT Austin به‌صورت نظری اثبات کرد که اگر دو لایۀ گرافن را به‌اندازۀ 1.1 درجه روی هم بچرخانیم، این ماده تبدیل به ابررسانا می‌شود. دلیل این پدیده می‌تواند تشکیل طرح‌های مواری (de Moire) باشد. در طول سال‌های بعد، آقای Herrero در آزمایشگاه خود در دانشگاه MIT آزمایش‌های متعددی در این‌باره انجام داد و در نهایت موفق به ایجاد ابررسانایی در گرافن دولایه شد. ویژگی‌ای که این ابررسانا را برای فیزیکدان‌ها خاص می‌کند این است که با این‌که این ماده در دمای حدود 1 کلوین ابررسانا می‌شود، اما از نوع ابررساناهای دمای بالا است.
برای این‌که درک بهتری از اهمیت موضوع داشته باشیم خوب است در ابتدا نگاهی به تاریخ ابررسانایی بیندازیم؛ زیرا همۀ داستان فقط ابررسانایی نیست! اگر به گذشته نگاه کنیم می‌بینیم که این پدیده برای نخستین‌بار در سال 1911 / 1290 در جیوه با دمای زیر 4 کلوین کشف شد. پس از آن دانشمندان شروع به دنبال‌کردن ردپای این پدیده در مواد دیگر کردند. تقریباً تا حدود 30 سال، بیش‌ترِ تلاشِ آن‌ها صرف کشف مواد جدید با این خاصیت شد؛ البته در این بین عدۀ کمی هم به‌دنبال دستیابی به فیزیک پنهان این پدیده بودند.
در نهایت بعد از حدود 46 سال، نظریۀ BCS (حاصل کار Bardeen، Cooper و Schrieffer) توانست این پدیده را توصیف کند. نکتۀ مهم در بررسی این موضوع این بود که در این پدیده نه‌تنها خود الکترون‌ها، که ارتعاش یون‌ها هم مؤثر است. در فیزیک ماده‌چگال به این ارتعاشات فونون می‌گویند. در واقع با وجود فونون‌ها است که الکترون‌ها می‌توانند با غلبه بر دافعۀ کولنی، یکدیگر را جذب کنند و به ابررسانا تبدیل شوند. این سازوکار را ابررسانایی فونونی یا Phonon Based Superconductivity می‌نامند.
در این زمان دو دغدغۀ مهم وجود داشت: یک این‌که این ویژگی در چه موادی وجود دارد؟ و دو این‌که آیا می‌شود دمای ابررسانایی را افزایش داد؟ در آن زمان (حدود سال‌های 1957 / 1336) بیش‌ترین دمایی که برای ابررسانایی پیدا شده بود، مربوط به آلیاژ نئوبیوم-ژرمانیوم با دمای 23 کلوین بود. طبق پیش‌بینی تئوری BCS بیشترین دمای ممکن برای ابررسانایی چیزی حدود 30 کلوین است.
در سال 1986 / 1365، J. G. Bednorz و K. Alex Muller در حال تحقیق بر روی سرامیک‌ها -که عایق‌های خوبی هستند- بودند. تلاش آن‌ها بر این بود که سرامیک‌ها را در حالت نیمه‌رسانایی، جایگزین سیلیکون کنند. اما وقتی در حال کار بر روی سرامیک Lanthanum Barium Copper Oxide (LBCO) بودند، متوجه شدند که این ماده در دمای 35 کلوین ابررسانا می‌شود. به‌خاطر همین کشف، این دو نفر جایزۀ نوبل فیزیک سال 1987 / 1366 را از آن خود کردند، که سریع‌ترین جایزۀ نوبل فیزیک به شمار می‌آید! در این نقطه فصل جدیدی در ابررسانایی، به‌نام ابررسانایی در دمای بالا (High-Temperature Superconductivity) آغاز شد و باعث شد جامعۀ علمی دوباره به پیداکردن ابررساناهای دمای بالا بپردازند. بالاترین دمایی که تا چند سال پس از آن پیدا شد چیزی حدود 90 کلوین بود که به Lithium Barium Copper Oxide مربوط می‌شود. در فشارهای چند گیگاپاسکال دانشمندان به ابررسانایی در دماهایی در حدود 160 کلوین هم رسیده‌اند.
مهمترین پرسشی که در این زمان مطرح شد این بود که سازوکار چنین رفتاری چگونه است؟ پرسشی که همچنان هم ذهن فیزیکدان‌ها را درگیر خود کرده‌است. در سال 2018 / 1397 توسط آزمایشی که در دانشگاه MIT انجام شد، Herrero متوجه شد که اگر در شرایطی خاص دو لایۀ گرافن را به‌اندازۀ 1.1 درجه روی هم بچرخانیم تا طرح مواری (De Moire) شش ضلعی‌های گرافن را در ابعاد بالاتر (حدود 1000 برابر) تکرار کند می‌بیینم که در دمای حدود 1 کلوین ابررسانا می‌شود. این به این معنی است که گویا می‌شود یک سیستم همبستۀ قوی را مهندسی کرد. این کشف بزرگی بود که می‌تواند به صورت سرنخی برای پیداکردن جوابی برای سازوکار ابررسانایی در دمای بالا به ما بدهد. در اینجا ما توانستیم درجات آزادی را کم کنیم و به جای ترکیبات پیچیده، فقط با استفاده از یک عنصر، به ابررسانایی برسیم. این امید وجود دارد که در آینده بتوان فاکتورهای مهم برای پدیدۀ ابررسانایی را پیدا کرد و تا این مسئله را کمی برای ما روشن کنند.

 

این نوشته خلاصه‌ای بود از مصاحبه‌ی نگارنده با دکتر مهدی کارگریان استاد دانشکده‌ی فیزیک دانشگاه صنعتی شریف.

منابعی برای مطالعه‌ی بیشتر:

• Quantamagazine.org
• Moiré butterflies in twisted bilayer graphene (R. Bistritzer and A. H. MacDonald), Phys. Rev. B 84, 035440 – Published 27 July 2011)
• Moiré bands in twisted double-layer graphene (Rafi Bistritzer and Allan H. MacDonald,
• Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices (Yuan Cao, Valla Fatemi, Shiang Fang, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Efthimios Kaxiras & Pablo Jarillo-Herrero)

 

اگر نظر یا پیشنهادی در مورد این متن دارید می‌توانید کمی پایین‌تر، در قسمت دیدگاه‌ها، آن را برای ما بنویسید.

0 0 vote
امتیاز این نوشته
اشتراک
اطلاع برای
guest
0 دیدگاه‌ها
Inline Feedbacks
View all comments