گاهی یک آسیب جزئی، حداقل در مورد ابررساناهای دما بالای بر پایه آهن، می تواند موثر باشد. بمباران این مواد با یونهای سنگین پرانرژی آسیبهایی در مقیاس نانومتری ایجاد میکند که میتواند توانایی مواد برای حمل جریان بالا، بدون از دست دادن انرژی و بدون کاهش درجه حرارت بحرانی، را افزایش دهد. چنین ابررساناهای جریان بالا و دما بالایی ممکن است روزی در خطوط انتقال قدرت بدون اتلاف و یا توربینهای تولید انرژی مورد استفاده قرار بگیرند. اما قبل از اینکه این اتفاق بیافتد، دانشمندان باید به صورت کمی و با جزئیات درک کنند که چرا آسیب جزئی میتواند موثر باشد و سپس از این دانش استراتژیک برای مهندسی ابررساناهایی با بهترین ویژگیها برای هر نوع کاربرد استفاده کنند.
در مقاله منتشر شده در مجله ساینس ادونسز، پژوهشگران دانشکده انرژی بروکهاون و آزمایشگاه ملی آرگون گودیهای در سطح اتمی ابررسانای مبتنی بر آهن را بعد از بمباران توسط تابش یونهای سنگین توصیف کردند. تصاویر روبش سطحی نشان میدهند که چگونه انواع خاصی از آسیب میتواند گردابهای مغناطیسی به طور بالقوه مخرب را در محل آسیب ایجاد کنند و از تداخل آنها با ابررسانایی پیشگیری کنند.
این کار تحقیقاتی محصول مرکز ابررسانایی نوین بروکهاون با همکاری آرگون و دانشگاه ایلینویز به منظور پرورش همکاری و پیشرفت در زمینه این تحقیق است.
سیموس دیویس، فیزیکدان دانشگاه کرنل و آزمایشگاه بروکهاون میگوید: «این مطالعه روش جدیدی برای طراحی و درک ابررساناهای جریان بالا با عملکرد فوق سریع ارائه میکند. ما راهی را نشان میدهیم که به موجب آن شما میتوانید یک نمونه را با یونهای سنگین تحت تشعشع قرار دهید تا آنچه یونها در مقیاس اتمی بر سر کریستال و ابررسانایی میآورند را به طور همزمان مشاهده کنید.»
وای وونگ ووک، فیزیکدان آرگون سرپرستی تحقیق روی بمباران یونی سنگین را برعهده دارد. او میگوید: «یونهای سنگین مانند طلا میتوانند آسیبهای ستون مانند پیوسته و یا گسستهای را ایجاد کنند که به داخل کریستال نفوذ میکنند. وقتی که یونهای با انرژی بسیار بالا از ماده عبور میکنند، کریستال را در مقیاس اتمی ذوب میکنند و ساختار بلوری را به قطر چند نانومتر تخریب میکنند. درک جزئیات چگونگی تحت تاثیر قرار گرفتن ویژگیهای الکترونیکی محلی و ظرفیت جریان ماکروسکوپی بدنه ماده توسط نقصها و آسیبهای مقیاس اتمی اهمیت ویژهای دارد.»
دانشمندان به درک این مورد علاقمندند که چگونه نقصهای نانومقیاس با گردابهای مغناطیسی میکروسکوپی، زمانی که ابررسانای بر پایه آهن در معرض میدان الکتریکی قوی قرار میگیرد، اندرکنش میکنند. این نوع میدان الکتریکی قوی در توربینها و سایر کاربردهای انرژی وجود دارد.
دیویس میگوید: «این گردابهای کوانتومی مانند جریانهای مخالف در رودخانه در حال حرکت هستند. آنها دشمن ابررسانایی هستند. شما نمیتوانید از تشکیل آنها جلوگیری کنید، اما دانشمندان مدتها پیش در سالهای 1970 دریافتند که میتوان گاهی اوقات از حرکت آنها در اطراف یونها با تیراندازی برخی یونهای انرژی بالا به سمت مواد و تشکیل آسیب در مقیاس اتمی جلوگیری کرد. در واقع نواقص در مقیاس اتمی گردابها را به تله میاندازند.»
بمباران تصادفی در واقع ایجاد ضربه است. دانشمندانی که در حال توسعه مواد برای کاربرد در حوزه انرژی هستند تمایل دارند رویکرد استراتژیک بیشتری توسط توسعه نظریه کمی و پیشگویانه چگونگی مهندس کردن این مواد در اختیار داشته باشند.
ووک میگوید: «ما میخواهیم اگر یک شرکت به ما مراجعه کند و بگوید که ما در حال توسعه این ابررساناها هستیم و میخواهیم آنها را وادار به داشتن یک جریان خاص در یک دمای خاص و در این نوع از میدان مغناطیسی کنیم، بتوانیم به آنها بگوییم که دقیقا چه نوع نقصی را باید در ماده ایجاد کنند. برای انجام این کار آنها نیازمند به طرح نقشهای از نقصها، ابررسانایی و مکانهای گردابها و همچنین یک مدل نظری کمی که توضیح دهد چگونه این متغیرها با یکدیگر و ابررسانایی بدنه ماده ارتباط دارند، هستند.
میکروسکوپ تونلی روبشی تصویربرداری طیفی (SI-STM) که توسط دیویس توسعه داده شده است اولین ابزاری است که میتواند نقشه این سه ویژگی در یک ماده را ایجاد کند. فریک ماسئی، دانشجوی فوق دکترای آزمایشگاه بروکهاون و پیتر اسپارو، کارشناس ارشد دانشگاه کورنل که دو نویسنده اصلی مقاله این تحقیق هستند به سرپرستی دیویس، از سوزن الکترون-تونلی این دستگاه برای اسکن سطح ماده و تصویربرداری از ساختار اتمی و خواص الکترونهای هر اتم ماده استفاده کردند. دقت بالای این دستگاه به دانشمندان اجازه میدهد یک اتم را طی دفعات مختلف و هر بار تحت شرایط خارجی مختلف، از قبیل تغییر در دما و میدان های مغناطیسی تقویت شده را اسکن کنند تا بتوانند شکلگیری، جابجایی، و اثرات گردابههای کوانتومی را مطالعه کنند.
مطالعات تصویربرداری در مقیاس اتمی نشان میدهند که علامتگذاری گرداب، برای به دست آوردن قابلیت کار گذاشتن آن پیچشهای مخرب در محل دقیق، بستگی به شکل مسیرهای تخریب شده توسط یونهای با انرژی بالا (به ویژه اینکه این مسیرها نقطه مانند یا طویل باشند)، و همچنین شکل «خسارتهای ناخواسته» به دور از مسیر اولیه طی شده توسط هر یون بستگی دارد. در حال حاضر نظریه پردازان با همکاری یکدیگر در دانشگاه ایلینویز از نتایج تجربی به منظور توسعه یک چارچوب توصیفی استفاده میکنند تا دانشمندان بتوانند از آن برای پیشبینی و تست روشهای جدید برای طراحی مواد استفاده کنند.
کووک میگوید: «این مطالعات واقعا به حل این مساله کمک خواهد که در چه درجه حرارتی چه نوع نقصی برای حمل یک جریان خاص بهتر خواهد بود. توانایی دستیابی به جریان بحرانی طراحی شده یکی از اهداف نهایی مرکز ابررسانایی نوین است.»