توان فوق العاده و دور از انتظار گرافن در خاصیت ابررسانایی

بر پایه‌ی اعلام یک منبع رسمی، گرافن (Graphene) به یکی از ابررساناها در حالت طبیعی خود تبدیل شده است؛ گفته‌ی اخیر به این مفهوم است که جریان الکتریکی می‌تواند با مقاومت صفر از طریق آن جریان پیدا کند. فیزیکدان‌ها سال پیش با اعمال فرایند دوپینگ (تقویت کردن) گرافن با اتم‌های کلسیم موافق به انجام این کار شدند؛ اما این نخستین بار است که محققان بدون نیاز به تغییر در مواد، به ابررسانایی در آن‌ها دست یافتند و یافته‌ها تاکنون حاکی از این هستند که مواد به یک نوع ابررسانای فوق‌العاده نادر رسیده‌اند که بسیار قدرتمندتر از انتظار دانشمندان است.

این تحقیق جدید حتی در مورد موادی با اندازه‌ی تأثیر طبیعی گرافن نیز اهمیت بسیار بالایی دارد و ابررسانایی را به‌عنوان عامل اصلی الکترونیک کارآمد، شبکه‌های قدرت بهتر و فناوری پزشکی جدید معرفی می‌کند. جیسون رابینسون یکی از محققان دانشگاه کمبریج در انگلستان می‌گوید:

برای مدت طولانی این‌طور فرض می‌شد که گرافن باید تحت شرایط مناسب انتقال ابررسانا قرار بگیرد اما این اتفاق نمی‌تواند رخ دهد.

اکنون وی اعلام کرده است که تیمش قصد دارد این توانایی را احیا کند و به‌کار بگیرد. در ادامه مشخص شد گرافن تنها یک ابررسانای معمولی نیست. در واقع گرافن می‌تواند جریان را در نتیجه یک نوع حالت ابررسانایی تأییدنشده و گریزان بدون مقاومت عبور دهد که به آن حالت موج p می‌گویند. گفتنی است که صحت این نتیجه به تحقیقات بیشتری نیاز دارد؛ اما احتمال صحت آن زیاد است.

یک گرافن حاوی ورقه‌‌ای دوبعدی از اتم‌های کربن است که بسیار انعطاف‌پذیر و در عین حال سخت‌تر از الماس و قوی‌تر از فولاد هستند. اما محققان از زمان کشف آن در سال ۲۰۰۴، نسبت به این موضوع که ممکن است گرافن توانایی ابررسانایی داشته باشد، دچار تردید شدند؛ به تعبیری ممکن است الکترون‌ها بدون هیچ‌گونه مقاومتی بتوانند در آن رفت‌وآمد کنند.

حتی موادی که رساناهای خوبی به شمار می‌روند،در مقایسه با ابررساناها ناکارآمد هستند. برای مثال شرکت‌های انرژی حدود ۷ درصد از انرژی گرمایی خود را در نتیجه مقاومت در شبکه از دست می‌دهند. ما در حال حاضر مواد ابررسانا را برای ایجاد میادین مغناطیسی قوی مورد نیاز در ماشین‌های MRI و قطارهای ماگلو استفاده می‌کنیم؛ اما اکنون این مواد تنها در دماهای حدود منفی ۲۶۹ درجه‌ی سلسیوس به‌صورت ابررسانا درمی‌آیند که چنین حالتی هم بسیار گران است و هم به‌صورت کامل نمی‌تواند عملی شود.

اگر بتوانیم راهی برای رسیدن به ابررسانایی پایدار در دماهای بالا پیدا کنیم، امکان ایجاد ابررایانه‌ها در آینده فراهم می‌شود. ابررایانه‌ها این قابلیت را دارند که بدون مقاومت کار کنند. استفاده از این مواد در مصارف پزشکی نیز عملکرد کارآمدتری ارائه خواهد داد. از سویی باید در نظر داشته باشیم که گرافن با داشتن تمام خواص عجیب و شگفت‌انگیز دیگرش، اغلب یکی از گزینه‌های اصلی دستیابی به این دستاورد به شمار می‌رود.

محققان سال پیش با قرار دادن اتم‌های کلسیم در شبکه‌ی خود، موفق به ساخت ابررسانایی برای گرافن شدند و تیم‌های دیگر با قرار دادن آن در مواد ابررسانا به نتیجه‌ای مشابهی رسیدند. اما محققان دانشگاه کمبریج در مطالعه‌ی جدید بدون تأثیر دادن مواد دیگر موفق به فعال‌سازی پتانسیل نهفته در گرافن شدند. انجلو دی برنادو، یکی از اعضای تیم در این باره می‌گوید:

با قرار دادن گرافن روی یک فلز، خواص آن به‌سرعت تغییر می‌کند و پس از آن از نظر تکنیکی به آن‌گونه‌ای که انتظار داشتیم، رفتار نمی‌کند. چیزی که شاهدش هستیم، ابررسانایی درونی گرافن نیست، بلکه به‌عنوان عاملی است که تحت ابررسانایی موجود منتقل می‌شود.

این تیم در عوض با اتصال آن با یک ماده به نام اکسید مس سریم پراسئودیمیوم (PCCO) به ابررسانایی دست یافت. شاید این مورد شبیه به اتفاقی باشد که در آزمایشات قبلی رخ داده بود. بعد از این‌ مراحل مجددا گرافن را روی یک ماده‌ی دیگر قرار می‌دهند. اما تفاوت در این است که PCCO یک نوع ماده ابررسانا است که کوپرات نامیده می‌شود و دارای یک سری خواص مبهم الکترونیکی است. تیم پژوهشی توانست به‌طور دقیق ابررسانایی را در PCCO از ابررسانایی در گرافن جدا و مشخص کند.

چیزی که آن‌ها مشاهده کردند، بسیار عجیب‌تر از انتظارشان بود. ابررسانایی زمانی اتفاق می‌افتد که جفت الکترون‌ها صعود می‌کنند و در ماده بهتر عبور می‌کنند. تراز چرخش یا تقارن این جفت‌ الکترون‌ها با توجه به نوع ابررسانایی مورد نظر تغییر می‌کند. مثلا جفت الکترون‌ها در PCCO با حالت چرخش آنتی پارالل بالا می‌رود که به آن حالت موج d می‌گویند.

اما اتفاقی که  اعضای تیم در گرافن مشاهده کردند، بسیار متفاوت بود. آن‌ها شواهد یک نوع ابررسانایی نادر و البته تأییدنشده را به نام رخداد حالت موج p پیدا کردند. رابینسون در این باره می‌گوید:

آنچه در گرافیم دیدیم، به بیان دیگر نوع متفاوتی از ابررسانایی PCCO بود. این یک قدم بزرگ محسوب می‌شود؛ چون به معنای این بوده که ابررسانایی به‌عنوان پدیده‌ای ناشی از بیرون آن نیست و بنابراین PCCO تنها به آزاد کردن ابررسانایی ذاتی گرافن نیاز داشته است.

نوع دقیق ابررسانایی آزادشده در گرافن توسط تیم نامشخص بود، اما اگر فرم موج p گریزان تأیید شود، ممکن است ماهیت آن برای یک‌بار ثابت شود و این نوع ابررسانایی برای همه‌ی آن ماده وجود داشته باشد و به این ترتیب بتواند فرصت مطالعه‌ی درست را برای اولین بار به محققان بدهد. ابررسانایی موج p برای اولین بار در سال ۱۹۹۴ مطرح شد که محققان ژاپنی شواهدی مبنی بر این رخداد در یک ماده کریستالی به نام استرانسیوم روتنات پیدا کردند. اما بزرگی این کریستال به حدی بود که اثبات آن برای دانشمندان به تأیید وجود این حالت نیاز داشت. اگر این اتفاق برای گرافن بیفتد، بررسی ساده‌تر می‌شود. رابینسون در این باره می‌گوید:

اگر ابررسانایی موج p واقعا در گرافن صورت گیرد، گرافن می‌تواند به‌عنوان چارچوبی برای ایجاد و اکتشاف زمینه‌های تحقیقاتی اعمال‌ شود و اساسی یک طیف جدید کلی دستگاه‌های ابررسانایی مورد استفاده قرار گیرد.

این آزمایش‌ها با درک بهتر ابررسانایی موج p و چگونگی رفتار آن در دستگاه‌ها و شرایط مختلف، به علم جدیدی وارد می‌شوند. تیم پژوهشی علاوه بر مورد فوق، همچنین اشاره کرده‌اند که گرافن، عامل باز کردن ابررسانایی در دماهای بالاتر از منفی ۲۶۹ درجه‌ی سلسیوس است و می‌تواند برای کارآمدی بیشتر ابررایانه‌ها و فناوری‌های دیگر مورد استفاده قرار گیرد.

بدون شک تیم‌های تحقیقاتی دیگر به بررسی درستی این یافته‌ها در آزمایشگاه‌های خود مشغول خواهند شد و آزمایش‌های خود را با این حالت برانگیخته‌ی جدید گرافن شروع می‌کنند، پس باید منتظر خبرهای احتمالی در آینده در این زمینه باشیم.

این تحقیق در Nature Communications به چاپ رسیده است.