تعیین اثرات پدیده «ترافیک شلوغِ» کوانتومی در ابررساناهای دمابالا

به‌تازگی دانشمندان گروه انرژی ایالات متحده در همکاری با محققانی از دانشگاه کرنل، دانشگاه توکیو، دانشگاه کالیفرنیا و دانشگاه کلورادو، برای نخستین بار شواهدی یافته‌اند که نشان می‌دهد علت اینکه دمای گذار ابررساناهای دمابالا نمی‌تواند از طریق افزایش انرژی بستگی الکترون به‌سادگی بالا رود، چیست. این تحقیق نشان می‌دهد که چگونه با افزایش انرژی بستگی جفت الکترونی، تمایل الکترون برای قرار گرفتن در «ترافیک شلوغ(Traffic Jam)» مکانیک کوانتومی، اندرکنش‌های مورد نیاز برای یک ماده ابررسانا را تحت‌الشعاع قرار داده، حذف می‌کند.

به‌تازگی دانشمندان گروه انرژی ایالات متحده در همکاری با محققانی از دانشگاه
کورنل، دانشگاه توکیو، دانشگاه کالیفرنیا و دانشگاه کلورادو، برای نخستین بار
شواهدی یافته‌اند که نشان می‌دهد علت اینکه دمای گذار ابررساناهای دمابالا
نمی‌تواند از طریق افزایش انرژی بستگی الکترون به‌سادگی بالا رود، چیست. این
تحقیق نشان می‌دهد که چگونه با افزایش انرژی بستگی جفت الکترونی، تمایل الکترون
برای قرار گرفتن در «ترافیک شلوغ(Traffic Jam) » مکانیک کوانتومی، اندرکنش‌های
مورد نیاز برای یک ماده ابررسانا را تحت‌الشعاع قرار داده، حذف می‌کند.

سیموس دیویس از گروه انرژی ایالات متحده و دانشگاه کرنل در این باره گفت:«ما
فیلم‌های ساخته‌ایم که در آنها، ترافیک شلوغ بر حسب تابعی از انرژی به نمایش
کشیده شده‌است. در برخی از انرژی‌ها، ترافیک در حال حرکت بوده و در بعضی از
انرژی‌ها، کاملاً مسدود است.» شناسایی ساز و کار دقیقی که از طریق آن،
ترافیک‌های شلوغ کوانتومی بر روی ابررسانایی کوپرات‌ها تأثیر می‌گذارند،
می‌تواند دانشمندان را به‌سوی مواد جدیدی رهنمون شود که در دماهای بسیار بالا
قابل ‌تبدیل به ابررسانا هستند. این مواد کاربردهایی چون تولید انرژی بدون
‌اتلاف، سیستم‌های انتقالی بدون‌ اتلاف و رایانه‌های بسیار کارامد دارند.

ایده بالا رفتن دمای گذار ابررسانا در اثر افزایش انرژی بستگی، ریشه در ساز و
کاری دارد که در ابررساناهای معمولی موجب پیدایش جریانی بدون مقاومت می‌گردد.
در این مواد که در نزدیکی صفر مطلق ابررسانا می‌شوند، الکترون‌ها از طریق
شکل‌دهی جفت‌هایی به نام جفت‌های کوپر، جریان را حمل می‌کنند. هر چه میزان تقید
این جفت‌های الکترونی بیشتر شود دمای گذار ابررسانا بالاتر خواهد رفت.

برخلاف این ابررساناهای فلزی، اشکال جدید ابررساناهای دمابالا(که برای نخستین
بار در حدود ۲۰ سال قبل کشف گردیدند)، از مواد غیرفلزی و عایقِ مات(Mott) ساخته
می‌شوند. در چنین ابررساناهایی، افزایش انرژی بستگی جفت الکترونی، دمای گذار
ابررسانا را پایین‌تر برده و به جای نزدیک‌تر ساختن به دمای اتاق، به صفر مطلق
نزدیک‌تر می‌کند. دیویس در تحقیق اخیر خود توضیحی برای این پدیده ارائه
نموده‌است.

ساز و کاری که برای توضیح نحوه حمل جریان در این ابررساناهای جدید ارائه
شده‌است، به برهم‌کنش‌های مغناطیسی بین الکترون‌هایی بستگی دارد که موجب پیدایش
جفت‌های کوپر ابررسانایی می‌گردند. در تحقیقِ دیویس از «تصویربرداری تداخلی
شبه‌ذره‌ای» با یک میکروسکوپ تونلی روبشی استفاده شده و به کمک آن، ساختار
الکترونیکی یک ابررسانای کوپرات بررسی شده‌است.

در این بررسی مشخص شد که برهم‌کنش‌های مغناطیسی مذکور با حذف حفره‌ها از سیستم،
قوی‌تر می‌گردند. از این رو با بالا رفتن انرژی بستگی(به عبارت دیگر تقویت
قابلیت جفت‌شدگی الکترون‌ها)، اثر ترافیک شلوغ کوانتومی تشدید شده، قابلیت شارش
ابرجریان از بین می‌رود؛ زیرا در ترافیک شلوغ کوانتومی، کمبودِ حفره‌ها موجب
می‌گردد تا الکترون‌ها در موقعیت‌های خود قفل شده، قادر به حرکت نباشند. دیویس
در این خصوص گفت:«این فرایند، شبیه به بنزین ‌زدن به خودروها و سپس تراکم
یک‌باره آنها در بزرگراه است؛ انرژی به میزان زیادی موجود است، اما نمی‌توان به
هیچ سمتی حرکت کرد».

هم‌اکنون این دانشمندان قصد دارند مواد جدیدی بیابند که در آنها، عناصر پایه به
جای مس و اکسیژن، آهن و آرسنیک باشند. دیویس در این باره گفت:«ما امیدواریم که
چنین موادی با تقویت جفت‌شدگی الکترونی، دارای ترافیک شلوغ ضعیف‌تری باشند.»
یافته‌های این تحقیق باید امکان دستیابی به چنین موادی را فراهم آورند.

نتایج این تحقیق در نشریه Nature به چاپ رسیده‌است.