ماده‌ای که هم آهنرباست و هم ابررسانا !

به گزارش ایسنا، برای قرن‌ها، دانشمندان بر این باور بودند که ابررسانایی و خاصیت مغناطیسی دو نیروی متضاد هستند که نمی‌توانند همزمان در یک ماده وجود داشته باشند. اما محققان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) موفق به کشف این حقیقت شده‌اند که این دو ویژگی متناقض در یک نوع نادر از نانوساختار کربنی به‌صورت همزمان حضور دارند.

مطالعه جدید آن‌ها نشان می‌دهد که در دماهای نزدیک به صفر مطلق، این ساختار گرافیتی نادر که با پیچش کنترل‌شده لایه‌ها و قرار گرفتن روی بور نیترید شش‌ضلعی ایجاد شده، نه تنها جریان برق را بدون مقاومت عبور می‌دهد (ویژگی اصلی ابررسانایی)، بلکه بین دو حالت مغناطیسی مختلف نیز سوئیچ می‌کند؛ حالتی که در هیچ ابررسانای شناخته‌شده‌ای دیده نشده است. این ویژگی منحصر به فرد «ابررسانایی متقارن» نامیده می‌شود. این کشف می‌تواند تحولات بزرگی در فناوری‌های کوانتومی، الکترونیک کم‌مصرف و دستگاه‌های پزشکی ابررسانا ایجاد کند، هرچند فعلاً کاربردهای عملی آن محدود به دماهای بسیار پایین است و جزئیات دقیق مکانیزم آن هنوز در دست بررسی است.

لانگ جو، استادیار فیزیک در MIT و از نویسندگان مقاله می‌گوید: اعتقاد عمومی بر این است که ابررساناها با میدان‌های مغناطیسی سازگار نیستند، اما ما معتقدیم این نخستین مشاهده از ابررسانایی است که به‌شکلی مستقیم و ساده مانند یک آهنربا رفتار می‌کند. این موضوع کاملاً عجیب است، زیرا با تصور عمومی ما از ابررسانایی و مغناطیس در تضاد است.

این کشف شگفت‌انگیز می‌تواند دیدگاه‌های پیشین درباره ابررسانایی را تغییر دهد و در حوزه‌های علوم مواد، الکترونیک و محاسبات کوانتومی پیشرفت‌های بزرگی ایجاد کند.

در جریان این مطالعه، تیم MIT به‌دنبال ابررسانای مغناطیسی نبودند. آن‌ها در حال بررسی گرافیت، ماده‌ای که در مغز مداد یافت می‌شود، بودند. گرافن از میلیون‌ها لایه نازک کربن تشکیل شده که به‌صورت ورق‌های دوبعدی روی هم قرار گرفته‌اند.

در شرایط خاص، گرافن می‌تواند ابررسانا شود. معمولاً ورق‌های گرافن به‌صورت منظم روی هم چیده شده‌اند، اما در نقاط نادری از گرافیت، لایه‌ها کمی به‌هم تابیده شده‌اند که ساختاری موسوم به «رومبوهدال» ایجاد می‌کند. این ساختار را می‌توان مانند یک راه‌پله ساخته شده از ورق‌های کربنی تصور کرد، نه یک انباشت صاف.

محققان قطعات کوچکی از این گرافن راه‌پله‌ای‌شکل را از گرافیت معمولی جدا کردند. هر قطعه شامل چهار یا پنج لایه گرافن بود که به این شکل خاص چیده شده بودند. سپس این قطعات روی ماده‌ای به نام بور نیترید شش‌ضلعی قرار گرفتند که بسیار نازک و صاف است.

اما این بار، دو ماده را به‌طور کامل هم‌راستا نکردند و کمی آن‌ها را پیچاندند تا ساختار اتمی آن‌ها نامنظم شود. بعد کل مجموعه را تا دمای بسیار پایین، حدود ۳۰۰ میلی‌کلوین (کمتر از یک درجه بالاتر از صفر مطلق) سرد کردند. تحت این شرایط، جریان الکتریکی را از قطعات عبور دادند تا رفتار الکترون‌ها را بررسی کنند.

در این نقطه، مقاومت الکتریکی به صفر رسید که نشان‌دهنده ابررسانایی بود؛ یعنی جریان برق بدون هیچ اتلاف انرژی عبور می‌کند. سپس یک میدان مغناطیسی‌ اعمال کردند که جهت آن قابل تغییر بود، مانند برعکس کردن قطب‌های آهنربا. در این حالت اتفاقی غیرمعمول رخ داد.

زک حدجری، یکی از نویسندگان مقاله و دانشجوی MIT  می‌گوید: اگر این ماده یک ابررسانای معمولی بود، مقاومت همچنان صفر باقی می‌ماند تا وقتی که میدان مغناطیسی به حد بحرانی برسد و ابررسانایی از بین برود. اما این ماده به‌نظر می‌رسد بین دو حالت ابررسانایی تغییر وضعیت می‌دهد، مانند آهنربایی که ابتدا به سمت بالا اشاره دارد و می‌تواند با اعمال میدان مغناطیسی به سمت پایین بچرخد. این به معنای آن است که این ماده همزمان مانند یک ابررسانا و یک آهنربا رفتار می‌کند، چیزی که هیچ توجیه ساده‌ای ندارد.

این آزمایش برای نخستین بار نشان داد که وقتی چند لایه گرافن به صورت خاص روی هم چیده شده و با ماده‌ای دیگر کمی تابیده شوند، می‌توانند به‌صورت همزمان خاصیت ابررسانایی و مغناطیسی از خود نشان دهند، دو ویژگی که پیش از این ناسازگار تصور می‌شدند.

محققان پنج نمونه دیگر با ساختار گرافن رومبوهدال را نیز بررسی کردند و در همه آن‌ها ابررسانایی متقارن مشاهده شد. این یافته می‌تواند پیامدهای گسترده‌ای داشته باشد.

به‌عنوان مثال، ابررساناهای مغناطیسی می‌توانند در ساخت انواع جدید کیوبیت‌ها (واحدهای اطلاعات در کامپیوترهای کوانتومی) استفاده شوند که پایدارتر و کنترل آن‌ها ساده‌تر است. همچنین می‌توانند الهام‌بخش تولید آهنرباهای ابررسانا در دستگاه‌های پزشکی مانند MRI باشند یا منجر به تولید الکترونیک کم‌مصرف با رفتار سوئیچینگ سریع‌تر و هوشمندانه‌تر شوند.

به نقل از ستاد نانو، ژنگ‌گوآنگ لو، استادیار دانشگاه ایالتی فلوریدا و از نویسندگان مقاله مربوط به این پروژه می‌گوید: تمام آنچه در این ماده کشف کرده‌ایم کاملاً غیرمنتظره بوده است، اما چون این سیستم ساده است، معتقدیم می‌توانیم به درک خوبی از آن برسیم و اصول عمیق و بنیادین فیزیکی را نشان دهیم.

البته در حال حاضر این ماده فقط در دماهای بسیار پایین کار می‌کند که برای کاربردهای عملی محدودیت دارد. همچنین دلیل دقیق رفتار عجیب آن هنوز به‌طور کامل شناخته نشده است و تحقیقات آتی می‌تواند به رفع این ابهامات کمک کند.