محققان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) و مؤسسه ملی علوم مواد ژاپن برای نخستین بار موفق به اندازه‌گیری مستقیم سختی ابرشاره (superfluid) در گرافن دولایه که با زاویه‌ای خاص نسبت به هم قرار دادند، شده‌اند. این ساختار شامل دو یا چند لایه از گرافن است که با زاویه‌ای دقیق نسبت به یکدیگر پیچ خورده‌اند و در نتیجه، خواص استثنایی از جمله ابررسانایی غیرمتعارف را به نمایش می‌گذارند. سختی ابرشاره، که به میزان سهولت جریان یافتن جفت‌های الکترونی در یک ماده اشاره دارد، شاخصی کلیدی برای سنجش ویژگی‌های ابررسانایی است.
اندازه‌گیری سختی ابرسیال در گرافن پیچ‌خورده؛ گامی نو در ابررسانایی کوانتومی
از زمان کشف خواص ابررسانایی گرافن زاویه جادویی در سال ۲۰۱۸ توسط پابلو جریلو-هریرو و همکارانش، این ماده به‌عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین ساختارها برای ساخت قطعات الکترونیکی پیشرفته مورد توجه قرار گرفته است. هنگامی که دو لایه گرافن در زاویه‌ای موسوم به «زاویه جادویی» روی هم قرار می‌گیرند، الکترون‌ها به‌جای دفع یکدیگر، جفت شده و تشکیل «ابرشاره» می‌دهند. این پدیده به آن‌ها اجازه می‌دهد که بدون اصطکاک و به‌صورت جریان بدون مقاومت حرکت کنند، ویژگی که برای ابررسانایی ضروری است.
اما حتی در چنین شرایطی، برای به حرکت درآوردن جفت‌های الکترونی، نیاز به اعمال یک نیروی خارجی مانند میدان الکتریکی وجود دارد. میزان این نیرو، همان چیزی است که به‌عنوان سختی ابرشاره شناخته می‌شود. پیش‌تر، دانشمندان از روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری سختی ابرشاره در مواد ابررسانا استفاده می‌کردند، اما این روش‌ها عمدتاً به نمونه‌های بزرگ و ضخیم محدود بودند.
این پژوهش نشان می‌دهد که ابررسانایی در گرافن با زاویه جادویی تحت تأثیر هندسه کوانتومی است؛ مفهومی که به شکل‌گیری حالات کوانتومی در یک ماده خاص اشاره دارد. درک این پدیده می‌تواند مسیر توسعه نسل آینده دستگاه‌های رایانش کوانتومی را هموار کند.
تیم تحقیقاتی MIT برای اندازه‌گیری سختی ابرشاره در مواد فوق نازک مانند گرافن زاویه جادویی، رویکردی جدید توسعه داده است. در روش‌های مرسوم، از تشدیدگرهای مایکروویو برای بررسی خواص ابررسانایی مواد استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها دارای فرکانس تشدید مشخصی هستند که با قرار گرفتن یک ماده ابررسانا درون آن‌ها، تغییر می‌کند و میزان تغییرات این فرکانس، اطلاعاتی درباره سختی ابرشاره آن ماده ارائه می‌دهد.
بااین‌حال، به دلیل نازکی بیش از حد گرافن زاویه جادویی، امکان استفاده از این روش‌های مرسوم وجود نداشت. جوئل وانگ، یکی از نویسندگان اصلی این پژوهش، توضیح می‌دهد: «در مقایسه با مواد ابررسانای معمولی که در تشدیدگرها مورد بررسی قرار می‌گیرند، گرافن زاویه جادویی ۱۰ تا ۱۰۰ برابر نازک‌تر است. ما در ابتدا نمی‌دانستیم که آیا چنین ماده کوچکی اصلاً می‌تواند هرگونه القای قابل اندازه‌گیری ایجاد کند یا نه.»
یکی از چالش‌های کلیدی این پژوهش، اتصال بدون نقص گرافن با زاویه جادویی به سطح تشدیدگر مایکروویو بود. برای دستیابی به این هدف، تیم تحقیقاتی از روش‌های پیشرفته‌ای که در تحقیقات مربوط به رایانش کوانتومی توسعه یافته‌اند، استفاده کرد. گروه ویل اولیور در MIT که بر روی ساخت بیت‌های کوانتومی از مواد دو بعدی کار می‌کند، این روش‌ها را به کار گرفت تا گرافن زاویه جادویی را به‌طور دقیق به یک تشدیدگر آلومینیومی متصل کند.
پس از آماده‌سازی نمونه، محققان از پرتوهای مایکروویو برای بررسی رفتار آن استفاده کردند. داده‌های به‌دست‌آمده نشان داد که سختی ابرشاره گرافن زاویه جادویی، بسیار بیشتر از مقداری است که نظریه‌های ابررسانایی کلاسیک پیش‌بینی می‌کردند. این افزایش چشمگیر، تیم تحقیقاتی را به بررسی ارتباط آن با هندسه کوانتومی سوق داد.
یوتا تاناکا، یکی دیگر از محققان این پروژه، توضیح می‌دهد: «ما مشاهده کردیم که سختی ابرشاره در این ماده، ده برابر بیش از مقداری است که نظریه‌های مرسوم پیش‌بینی می‌کردند. همچنین، تغییرات دمایی آن با پیش‌بینی‌های مبتنی بر هندسه کوانتومی مطابقت داشت. این نتایج نشانگر نقش کلیدی هندسه کوانتومی در تعیین خواص ابررسانایی گرافن زاویه جادویی است.»
این یافته‌ها، علاوه بر ارائه بینش جدیدی درباره مکانیسم‌های ابررسانایی در مواد دو بعدی، می‌تواند راه را برای طراحی مواد ابررسانای جدیدی که از ویژگی‌های هندسه کوانتومی بهره می‌برند، هموار کند. پابلو جریلو-هریرو، یکی از محققان این پروژه، اظهار داشت: «این پژوهش نمونه‌ای عالی از کاربرد فناوری‌های پیشرفته کوانتومی برای بررسی سیستم‌های ماده چگال متشکل از ذرات با برهم‌کنش قوی است.»
این یافته‌های جدید نه‌تنها به درک عمیق‌تر مکانیزم ابررسانایی در گرافن زاویه جادویی کمک می‌کند، بلکه می‌تواند تأثیر شگرفی بر توسعه فناوری‌های کوانتومی داشته باشد. از آنجایی که یکی از چالش‌های اصلی در ساخت کامپیوترهای کوانتومی، طراحی و پیاده‌سازی ابررساناهای پایدار و کم‌مصرف است، شناخت دقیق‌تر این خواص می‌تواند بهبودهای چشمگیری در عملکرد این دستگاه‌ها ایجاد کند.
با توجه به اینکه هنوز بسیاری از ویژگی‌های ابررسانایی در مواد دو بعدی ناشناخته باقی مانده‌اند، این روش جدید می‌تواند در پژوهش‌های آینده برای بررسی سایر مواد نانوساختاری ابررسانا مورد استفاده قرار گیرد.
