رسیدن به خاصیت ابررسانایی در گرافن؛ معجزه‌ای دیگر از این ماده

گرافن ماده‌ای اعجاب‌انگیز است و هر روز پژوهش‌های جدید و خیره‌کننده‌ای از کاربردهای آن منتشر می‌شود. فیزیکدان‌ها راهی جدید یافته‌اند که گرافن را به ابررسانایی به‌شدت قدرتمند تبدیل می‌کند. با به کار بردن این روش، گرافن می‌تواند الکتریسیته را بدون هیچ مقاومتی منتقل کند.

ابررسانایی حتی برای ماده‌ای بسیار پرکاربرد همچون گرافن هم موضوع بسیار مهمی است. رساناهای معمول مانند نقره و مس در انتقال الکترون‌ها خوب عمل می‌کنند؛ اما الکترون‌ها در حین انتقال در آن‌ها در نقص‌های موجود در ساختار نوسان می‌کنند و انرژی خود را از دست می‌دهند. اما در داخل ابررساناها، الکترون‌ها با یکدیگر ترکیب‌ می‌شوند و به‌عنوان موجودیتی واحد، بدون از دست دادن انرژی در طول ماده حرکت می‌کنند.

اگر ما بتوانیم راهی بیابیم تا در دمای اتاق به ابررسانایی دست پیدا کنیم، دستگاه‌های الکترونیکی و خطوط انتقال قدرت بهینه‌تری خواهیم داشت. در حال حاضر ۷ درصد انرژی کمپانی‌های انرژی به‌صورت گرما و به سبب مقاومت در شبکه از بین می‌رود.

تاکنون گرافن فقط در وضعیت‌های فوق سرد ابررسانا می‌شد. در این آزمایش هم وضع به همین منوال است؛ اما با توجه به دیگر خصوصیات مهم این ماده، انجام پژوهش در مورد ابررسانایی آن ارزشمند است. شاید بتوانیم روزی از گرافن برای ساخت قطعات الکترونیکی نازک و دارای سرعت بالا که هیچ انرژی را به شکل گرما هدر نمی‌دهند، استفاده کنیم.

در آخرین مطالعه‌ی صورت گرفته، فیزیکدان‌های دانشگاه MIT پوسته‌ی نازکی از گرافن را بین دو لایه از آلومینیوم همانند لایه‌های ساندویچ قرار دادند. آلومینیوم هم در دماهای پایین، رفتار ابررسانایی دارد. آن‌ها این مجموعه را تا دمای ۲۰ میلی کلوین (منفی ۲۷۳.۱۵ درجه سلسیوس) خنک کردند و ویژگی‌های ابررسانایی آلومینیوم را فعال کردند. پس از آن بود که گرافن هم وضعیت الکترونیکی خود را تغییر داد و برخی از کیفیت‌های ابررساناها را نشان داد.

لندری برث، سرپرست تیم، می‌گوید:

ابررساناها به گرافن خاصیت ابررسانایی می‌بخشند. ما دریافتیم که الکترون‌های آن‌ها به‌شدت تحت تأثیر ابررساناها قرار می‌گیرند.

از آن مهم‌تر این‌که اعضای تیم پژوهشی مشاهده کردند که الکترون‌ها به‌جای آن‌که به‌صورت واحدهایی مجزا رفتار کنند، با یکدیگر ترکیب و وارد وضعیت آندروف  شدند. وضعیت آندروف گونه‌ای از ترکیب‌بندی است که به مواد غیر ابررسانا امکان می‌دهد بدون از دست دادن انرژی، جریان ابررسانایی را از خود عبور دهند.

برعکس جفت‌های الکترونی در مواد ابررسانای سنتی که آن‌ها را جفت‌های کوپر می‌نامیم، الکترون‌های گرافن بدون خنثی شدن با یکدیگر جفت می‌شوند و توسط ابررساناهای هر سمت ساندویچ، به دو جهت مخالف کشیده می‌شوند. برث در این باره می‌گوید:

الکترون‌ها در یک ابررسانا رقصی کاملا متوازن و دوطرفه دارند؛ اما حرکت‌های آن‌ها در ابررساناهای چپ و راست می‌تواند متفاوت باشد. جفت‌هایی که در مرکز گرافن قرار دارند، چون در هر دو مسیر حرکتی مشارکت می‌کنند، خنثی می‌شوند. این زوج‌های خنثی‌شده همان وضعیت آندروف هستند؛ آن‌ها جریان ابررسانایی را حمل می‌کنند.

برایان دیوید ژوزفسون، فیزیکدان بریتانیایی، نخستین بار این اثر را در ۱۹۶۲ پیش‌بینی کرد. این آزمایش نخستین باری است که امکان‌پذیری این پیش‌بینی در گرافن یا هر ماده‌ی دوبعدی دیگری مشاهده می‌شود. تیم‌های دیگری هم تلاش کرده‌اند تا بدون اثر دیگر مواد، گرافن را به ابررسانا تبدیل کنند.

این تکنیک نه‌تنها راهی آسان‌تر برای نشان دادن قدرت ابررسانایی گرافن پیشنهاد می‌دهد؛ بلکه امکان مطالعه‌ی ذرات مفید و عجیبی را که ممکن است در گرافن دیده شوند، فراهم می‌کند.

تصور می‌شود که ذرات فرمیون مایورانا (ذراتی بدون جرم که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌‌کنند) از وضعیت آندروف پدید آیند و روزی برای ساختن کامپیوترهای کوانتومی قدرتمند و بدون خطا استفاده شوند. برث می‌گوید:

تلاش زیادی در جامعه‌ی متمرکز فیزیک و در جستجوی وضعیت‌های الکترونی کوانتومی عجیب صورت گرفته است؛ به‌ویژه در مورد ذرات جدیدی به نام فرموین مایورانا. پیش‌بینی می‌شود که این ذرات هنگام اتصال گرافن به الکترودهای ابررسانا و در تماس با میدان‌های مغناطیسی بزرگ، در آن ظاهر شوند. آزمایش ما از این جهت امیدبخش است که برخی از این اجزا را با هم یکی می‌کند.

مستندات این پژوهش در نیچر فیزیک منتشر شده است.