توفیق اجباری

دانشمندان در سال ۱۹۸۶ اکتشاف گروه جدیدی از ابررسانا ها را آغاز کردند که می توانستند در دما های بالاتر از صفر مطلق تا دمای ۱۶۰کلوین یا ۱۱۳ درجه سانتی گراد زیر صفر نیز به خوبی کار کنند

بیش از ۲۰ سال تنها ابررسانا‌های شناخته‌شده‌ای که می‌توانستند در دما‌هایی بسیار بالاتر از دمای هلیم مایع کار کنند، چند ترکیب محدود بودند که عنصر اساسی در همه آنها مس است. اما سرانجام دانشمندان توانستند نخستین ابررسانای دما بالای مبتنی بر آهن را بسازند. این مواد جدید شاید بتوانند به برملاشدن یکی از بزرگ‌ترین رازهای علم کمک کنند؛ ابررسانا‌های دما بالا دقیقا چگونه کار می‌کنند؟ در واقع در موادی که از خاصیت ابررسانایی برخوردارند، جریان الکتریکی بدون هیچ مقاومتی جریان می‌یابد. دانشمندان ده‌ها سال بر این باور بودند که این پدیده تنها در دما‌های نزدیک به صفر مطلق رخ می‌دهد. سرما با مهارکردن ارتعاشات اتمی باعث می‌شود آرایش اتم‌های ماده به گونه‌ای درآید که الکترون‌ها بتوانند بر دافعه ذاتی‌‌شان نسبت به یکدیگر چیره شوند. به بیان دیگر این ارتعاشات تعدیل‌شده موسوم به فونون‌ها (Phonon) باعث می‌شوند تا الکترون‌ها با هم جفت شوند و بتوانند آزادانه در میان شبکه اتمی ماده به حرکت درآیند.

اما به هر حال دانشمندان در سال ۱۹۸۶ اکتشاف گروه جدیدی از ابررسانا‌ها را آغاز کردند که می‌توانستند در دما‌های بالاتر از صفر مطلق تا دمای ۱۶۰کلوین یا ۱۱۳ درجه سانتی‌گراد زیر صفر نیز به خوبی کار کنند. این مواد موسوم به کوپریت‌ها (Cuprates) اساسا از لایه‌هایی از اکسید مس تشکیل شده‌اند که در میان مواد دیگر ساندویچ شده باشند. ساختار این کوپریت‌ها و دمای بالا با مکانیزم‌هایی که ابررسانا‌های رایج را به کار می‌اندازند، تعارض دارد. این مسئله فیزیکدانان را بر آن داشت تا توضیح‌های جدیدی مطرح کنند.

کشف غیرمنتظره اخیر فیزیکدانان را وادار کرده است تا افکارشان درباره پدیده ابررسانایی را بسط دهند. در وافع هیدئو هوسونو (H.Hosono) و همکارانش در انستیتو تکنولوژی توکیو سخت به دنبال بهبود عملکرد نیمه هادی‌های اکسیدی شفاف بودند که ماجرا به کشف نخستین ابررسانای دما بالای مبتنی بر آهن، ختم شد. در واقع این نیمه هادی‌های کریستالی که به لحاظ شیمیایی با ترکیب LaOFeAs شناخته می‌شوند، از لایه‌هایی از آهن و آرسنیک تشکیل شده‌اند که در میان صفحه‌هایی از لانتانیم و اکسیژن قرار گرفته‌اند. جابه‌جا کردن ۱۱ درصد از این اکسیژن با فلوئور، این ترکیب راچنان بهبود می‌دهد که به ابررسانایی در دمای ۲۶ درجه کلوین تبدیل می‌شود. این همان اکتشافی بود که این تیم ژاپنی آن را در ژورنال انجمن شیمی آمریکا (JACS)، گزارش دادند. تحقیقات بعدی از جانب گروه‌های دیگر نیز نشان داد که با استفاده از برخی عناصر کمیاب مثل سریم، ساماریم، نئودیمیم و پرازئودیمیم به جای لانتان در این ترکیب می‌توان به ابررسانایی دست یافت که در دمای ۵۲ درجه کلوین کار کند. پدیده ابررسانایی در این ترکیب‌های آهنی لایه لایه، سخت مایه شگفتی دانشمندان شده است که می‌پنداشتند ماهیت مغناطیسی آهن مانع از جفت شدن الکترون‌ها می‌شود. شاید این الکترون‌ها نیز مثل مورد کوپریت‌ها، به کمک نوسانات اسپین جفت شده باشند. در واقع نوسانات اسپین، اغتشاش‌هایی است که در میدان مغناطیسی اتم‌های سازنده ابررسانا پدید می‌آید. به گفته کریستین هاول (C.Haule)، فیزیکدان دانشگاه راتگرز «این ابررسانا‌های آهنی می‌توانند به ما راهنمایی‌هایی بکنند که چگونه سر از کار کوپریت‌ها در بیاوریم.»

از طرف دیگر این امکان نیز وجود دارد که نوسانات اسپینی که می‌توانند الکترون‌ها را در ترکیبات کوپریت به هم بچسبانند، برای جفت‌کردن الکترون‌ها در ترکیبات آهنی کافی نباشند. به اعتقاد هاول، شاید ثابت شود که در عوض این نوسانات اربیتالی یا همان تغییرات موقعیت الکترون‌ها در اطراف اتم است که نقشی اساسی دارد. در واقع الکترون‌ها از لحاظ گردش به دور اتم‌ها، در ترکیبات آهنی آزادی عمل بیشتری دارند تا در کوپریت‌ها. به نظر هاول در ابررسانا‌های غیر معمول مثل آنهایی که بر پایه عناصری مثل اورانیوم و کبالت ساخته می‌شوند و در دماهای نزدیک‌تر به صفر مطلق کار می‌کنند نیز به احتمال فراوان نوسانات اربیتالی باید نقش تعیین کننده‌ای داشته باشند. با توجه به اینکه ابررسانا‌های آهنی در دما‌های بالاتری کار می‌کنند، تحقیق درباره این نوسانات اربیتالی، در این ترکیبات راحت‌تر خواهد بود. دیوید پاینس (D.Pines)، فیزیکدان نظری در دانشگاه کالیفرنیا و از بنیانگذاران انستیتو مواد انطباقی پیچیده، در این باره خاطرنشان می‌کند: «این کشف علاوه بر روشن‌کردن پایه‌های نظری پدیده ابررسانایی، ما را با این پرسش مواجه می‌کند که آیا ابررسانا‌های دما بالای دیگری نیز وجود دارند که هنوز کشف نکرده‌ایم و آیا این ابررسانا‌ها می‌توانند در دما‌های بالاتر از این هم کار کنند یا نه؟». به نظر هاول، محققان در تلاش برای افزایش دمای بحرانی یا همان دمای کار ابررسانا، نباید تنها بر جانشین کردن عناصر گوناگون تمرکز کنند بلکه باید لایه‌بندی این ترکیبات را نیز در نظر داشته باشند.

پایه بودن آهن در ابررسانا‌ها می‌تواند اشتیاق تجاری بیشتری برای این ماده ایجاد کند. علاوه بر این، شکنندگی کوپریت‌ها که بسان سرامیک‌ها ترد و شکننده‌اند مدت‌هاست برخی از کاربرد‌های مواد ابررسانا مثل خطوط انتقال نیروی ابررسانا را مختل کرده است. اگر کار با مواد آهنی و نیز فرآیند‌های تولید انبوه‌شان آسان‌تر باشد، به گفته هاول «از اهمیت بالایی برخوردار خواهند بود.»

کیوان فیض‌اللهی