دستیابی به ابررسانایی در یک ماده‌ی غیر ابررسانا

مواد ابررسانا تنها در دماهای بسیار پایین چنین خاصیتی دارند. برای حل این مشکل چه می‌توان کرد؟

بخش دانش و زندگی تبیان

مواد ابررسانا تنها در دماهای بسیار پایین چنین خاصیتی دارند. برای حل این مشکل چه می‌توان کرد؟

برای نخستین بار، پژوهشگران موفق شدند خاصیت ابررسانایی را در ماده‌ای ایجاد کنند که این خاصیت را ندارد؛ در مواد ابررسانا، جریان الکتریکی هیچ مقاومتی ندارد. این روش جدید، به واقعیت‌ پیوستن ایده‌ای است که نخستین بار در دهه‌ی هفتاد قرن بیستم مطرح شد؛ اما تاکنون به اثباتت نرسیده بود. این روش می‌تواند ابررساناهای فعلی را - مانند آن‌هایی که در ماشین‌های MRI یا قطارهای مغناطیسی استفاده می‌شوند - در دماهای بالاتر، ارزان‌تر و بهینه‌تر کنند.

پل چو، مدیر این پروژه در دانشگاه هیوستون می‌گوید:ابررسانایی کاربردهای بسیاری دارد؛ اما شاید شناخته‌شده‌ترین کاربرد آن، MRI (تصویربرداری رزونانس مغناطیسی) باشد.

اگر مواد ابررسانا از نظر تجاری بیشتر در دسترس بودند، می‌توانستند انقلابی در سایر صنایع ایجاد کنند. آن‌ها نه‌تنها می‌توانند برای ساخت سیستم‌های حمل‌ونقل فوق سریعی مانند قطارهای مغناطیسی یا‌ هایپرلوپ استفاده شوند، بلکه می‌توانند شبکه‌های برق را بهینه‌تر کنند.

در حال حاضر، موادی که برای انتقال برق از نیروگاه‌ها به مصرف‌کننده‌ها استفاده می‌شود، بیش از ۱۰ درصد انرژی را در طول مسیر تلف می‌کنند. ابررساناها هیچ اتلافی ندارند، بنابراین شرکت‌ها می‌توانند بدون نیاز به تولید الکتریسیته‌ی بیشتر، نیازهای ما را برطرف کنند.

ابررساناها باید تا حدود ۲۶۹.۱- درجه‌ی سلسیوس خنک شوند تا مقاومت الکتریکی آن‌ها صفر شود. این پروسه بسیار پرهزینه و انجام آن نیازمند انرژی بسیار زیادی است؛ بنابراین نمی‌توانیم از این مواد در کاربردهای مختلف بهره ببریم. حتی بهترین مواد ابررسانا نمی‌توانند بالای دمای ۷۰- درجه‌ی سلسیوس خاصیت ابررسانایی داشته باشند. پژوهشگران در تلاش هستند تا این دما (دمای بحرانی) را به دمای اتاق نزدیک کنند.

مدت‌ها است دانشمندان تصور می‌کنند که بهترین روش برای دستیابی به دماهای بالاتر ابررسانایی، یافتن راهی برای القاء ابررسانایی در مواد غیر ابررسانا است. در واقع پژوهشگران بر این باور هستند که اگر بتوانند راهکاری برای ابررسانا کردن مواد معمولی بیابند، آنگاه می‌توانند به روشی برای استفاده از مواد ابررسانا در دماهای بالاتر نیز دست یابند.

اکنون تیم دانشگاه هیوستون نخستین قدم را در این جهت برداشته است. آن‌ها ابررسانایی را به سطح تماس دو فاز یک ماده القاء کرده‌اند و ماده‌ی غیر ابررسانایی که به کار برده‌اند، کلسیم آهن آرسنید (CaFe2As2) است.

پژوهشگران می‌گویند:یکی از راه‌هایی که برای دستیابی به دمای بحرانی پیشنهاد شده است، بهره‌ بردن از سطح‌های تماس‌ مصنوعی یا سنتز شده‌ی طبیعی است. کار کنونی به‌وضوح نشان می‌دهد که دمای بحرانی بالا در ماده‌ی غیر ابررسانای کلسیم آهن آرسنید می‌تواند به‌وسیله‌ی انباشت لایه‌های آنتی فرومغناطیس/فلزی القاء شود. این مورد تاکنون مستدل‌ترین شاهد برای دمای بحرانی بهبودیافته در سطح تماس است.

اما نحوه‌ی عملکرد این روش به چه شکلی است؟ نخستین بار در دهه‌ی هفتاد قرن بیستم بود که این ایده مطرح شد: ابررسانایی می‌تواند در سطح تماس دو ماده‌ی متفاوت، القاء شود یا بهبود یابد.

تیم‌های پژوهشی بسیاری تاکنون تلاش کرده‌اند تا نشان دهند که این ایده درست است. آزمایش‌های گذشته که توانستند به ابررسانایی دست یابند، نتوانستند مانع از تأثیر تنش یا آلایش شیمیایی در نتایج شوند؛ بنابراین این پدیده تا امروز اعتبار نیافته بود.

پژوهشگران دانشگاه هیوستون، برای تأیید آنچه رخ می‌دهد در فشار محیط کار کردند و از کلسیم آهن آرسنید آلایش نیافته استفاده کردند. آن‌ها ماده‌ی مورد نظر را تا دمای ۳۵۰ درجه‌ی سلسیوس گرم کردند و سپس اجازه دادند به‌آرامی سرد شود (این فرایند باعث می‌شود تنش‌ها و سختی‌های درون ماده از بین برود). این پروسه باعث شد حین سرد شدن کلسیم آهن آرسنید، دو فاز جدا در ماده شکل بگیرد.

هیچ یک از دو فاز یادشده ابررسانا نبودند؛ اما پژوهشگران این خاصیت را در سطح تماس آن‌‌ها شناسایی کردند. بنابراین فرضیه‌ی مطرح‌شده در بخش بالا درست بود. کلسیم آهن آرسنید در حدود ۲۵ درجه کلوین (۲۴۸.۱۵- درجه‌ی سلسیوس) ابررسانا است؛ بنابراین بازهم کاربرد چندانی در صنعت نخواهد داشت؛ اما قدم بعدی استفاده از همین روش است تا راه‌هایی بیابیم که ابررساناهای دمای بالای فعلی را در سطوح برخورد بهینه‌تر کنیم.

راه زیادی تا استفاده‌ی تجاری از این روش باقی مانده است؛ اما این روش، قدمی مؤثر به‌سوی توسعه‌ی مواد ابررسانای ارزان‌تر و بهتر در آینده است.

این پژوهش در ژورنال پیشرفت‌های آکادمی ملی علوم منتشر شده است.

---

منبع :زومیت