پژوهشگران با بررسی دی‌تلورید اورانیوم، شواهد تازه‌ای از نوعی آرایش موج‌مانند جفت‌های الکترونی یافته‌اند که حتی در دماهای بالاتر از دمای گذار ماده به حالت ابررسانایی نیز باقی می‌ماند؛ یافته‌ای که می‌تواند به درک بهتر سازوکار ابررسانایی و توسعه مواد ابررسانا در دماهای بالاتر کمک کند.
به گزارش سیناپرس، ابررساناها موادی هستند که در شرایط مشخص، جریان الکتریکی را بدون مقاومت عبور می‌دهند و از این طریق مانع اتلاف انرژی به شکل گرما می‌شوند. این ویژگی، آن‌ها را به گزینه‌ای مهم برای فناوری‌های رایانشی، شبکه‌های انتقال برق و حمل‌ونقل تبدیل کرده است.
در حالت ابررسانایی، الکترون‌ها در دماهای بسیار پایین جفت‌هایی به نام «جفت‌های کوپر» تشکیل می‌دهند که می‌توانند بدون مقاومت الکتریکی در ماده حرکت کنند. دانشمندان در سال ۲۰۰۷ نوع پیچیده‌تری از آرایش این جفت‌ها را با عنوان «موج چگالی جفت» (PDW) پیش‌بینی کردند؛ حالتی که در آن جفت‌های الکترونی در الگوهای فضایی مشخصی سازمان می‌یابند.
اکنون گروهی از پژوهشگران به سرپرستی محققانی از دانشگاه ایلینوی در اربانا-شمپین، شواهد قابل‌توجهی از وجود این امواج در سطح دی‌تلورید اورانیوم یافته‌اند. نتایج این پژوهش در نشریه علمی PNAS منتشر شده است.
مشاهده امواج در دماهای بالاتر از گذار ابررسانایی
دی‌تلورید اورانیوم در دمای کمتر از حدود ۲٫۱ کلوین، معادل منفی ۲۷۱ درجه سانتی‌گراد، به حالت ابررسانایی درمی‌آید. این ماده به دلیل احتمال تعلق به گروه نادر ابررساناهای «سه‌تایی اسپینی» نیز مورد توجه است؛ موادی که در آن‌ها ویژگی اسپینی جفت‌های الکترونی با جهت‌گیری مغناطیسی مرتبط است.
نکته اصلی پژوهش جدید، مشاهده الگوهای مرتبط با امواج چگالی جفت در دماهایی بالاتر از دمای گذار ابررسانایی است؛ رفتاری که پیش‌تر به‌طور قانع‌کننده‌ای ثبت نشده بود.
ادواردو فرادکین، فیزیک‌دان دانشگاه ایلینوی در اربانا-شمپین، این پدیده را به لبخند گربه چشایر در داستان «آلیس در سرزمین عجایب» تشبیه می‌کند؛ نشانه‌ای که پس از ناپدیدشدن خود گربه باقی می‌ماند. به گفته او، این مشاهدات نشان می‌دهد که ساختارهای مرتبط با جفت‌های کوپر ممکن است پیش از شکل‌گیری حالت ابررسانایی و در وضعیتی متفاوت پدید آیند.
برای بررسی این رفتار، محققان از نمونه‌ای باکیفیت از دی‌تلورید اورانیوم و میکروسکوپ تونلی روبشی مجهز به میدان مغناطیسی برداری استفاده کردند. این ابزار امکان بررسی پاسخ ماده به میدان‌های مغناطیسی در جهت‌های مختلف را فراهم می‌کند.
ژن ژو، از پژوهشگران این مطالعه، می‌گوید تغییر نظام‌مند شدت و جهت میدان مغناطیسی، همراه با تغییر دما، به تیم تحقیق کمک کرد تا تحول این ساختارها را بررسی و از ذاتی‌بودن رفتار مشاهده‌شده اطمینان بیشتری حاصل کند.
محققان همچنین با استفاده از مدل‌های نظری، الگوهای بار الکتریکی مشاهده‌شده را تحلیل کردند. ویدیا مادهاوان، دیگر عضو گروه پژوهشی، می‌گوید نمونه‌های باکیفیت‌تر امکان شناسایی نشانه‌های طیفی سازگار با پیش‌بینی‌های نظری امواج چگالی جفت را فراهم کرده‌اند.
اهمیت یافته برای آینده ابررساناها
مشاهده این امواج در دماهای بالاتر به معنای تداوم ابررسانایی در کل ماده نیست؛ بلکه نشان می‌دهد برخی ساختارهای مرتبط با جفت‌های کوپر می‌توانند پس از ناپدیدشدن حالت متعارف ابررسانایی نیز باقی بمانند.
این یافته ممکن است به درک بهتر سازوکار تشکیل جفت‌های الکترونی و شرایط فیزیکی لازم برای دستیابی به ابررساناهایی با دمای گذار بالاتر کمک کند؛ هرچند به‌خودی‌خود به معنای دستیابی به ابررسانایی در دمای محیط نیست.
پژوهشگران همچنین بر ضرورت بررسی ارتباط میان امواج چگالی جفت و «امواج چگالی بار» (CDW) تأکید دارند؛ حالت‌هایی که در آن‌ها چگالی الکترون‌ها به‌صورت یکنواخت در ماده توزیع نمی‌شود. جولیان می-من، فیزیک‌دان دانشگاه استنفورد، می‌گوید تشخیص امواج چگالی جفت در مواد واقعی به داده‌های آزمایشگاهی باکیفیت و تحلیل نظری دقیق نیاز دارد.
نتایج این پژوهش در نشریه PNAS منتشر شده است.
مترجم:ندا جوادهراتی