همشهری آنلاین - یکتا فراهانی: ابررساناها موادی هستند که می‌توانند الکتریسیته را بدون هیچ مقاومتی هدایت کنند، ولی همیشه تصور می‌شد که آنها و مغناطیس با هم سازگار نیستند. حالا اما MIT نشان داده که در ساختار ویژه‌ای از گرافیت، این دو ویژگی شگفت‌انگیز می‌توانند در کنار هم وجود داشته باشند.
ابررسانای کریال
دانشمندان از دیرباز معتقد بودند ابررساناها و مغناطیس مانند آب و روغن، هیچ‌گاه کنار هم دوام نمی‌آورند. وقتی یک ماده به حالت ابررسانا می‌رسد، میدان‌های مغناطیسی را دفع می‌کند و این خاصیت، تاکنون قوانین فیزیک را به‌ظاهر تعریف کرده بود. اما محققان MIT با آزمایش‌های دقیق روی گرافیت که ماده‌ای معمول و شناخته شده است، نشان دادند در لایه‌های خاصی از این ماده می‌توان هم ابررسانایی را دید و هم مغناطیس را، پدیده‌ای که به‌عنوان ابررسانای «کریال» شناخته می‌شود و می‌تواند مسیر تازه‌ای برای تکنولوژی و دانش کوانتومی باز کند. این کشف، سرآغاز فصلی نوین در فهم رفتار الکترون‌ها در مواد است.
گرافیت؛ ماده‌ای ساده با پتانسیلی عجیب
گرافیت همان ماده‌ای است که در نوک مدادهای شما وجود دارد؛ ترکیبی از میلیون‌ها لایه‌نازک گرافن که هر کدام تنها یک اتم ضخامت دارند و اتم‌های کربن در آنها به شکل یک الگوی شش‌ضلعی زیبا چیده شده‌اند. معمولاً این لایه‌ها صاف و مرتب روی‌هم قرار گرفته‌اند، اما گاهی وقتی لایه‌ها به شکل خاصی به نام «رمبودرال» کنار هم قرار بگیرند، خصوصیات الکتریکی آنها به‌کلی تغییر می‌کند.
بیشتر بخوانید :
خلق ابررسانایی در گرافن رمبودرال
محققان MIT با جداکردن چندلایه نازک گرافن از گرافیت و سردکردن آنها تا دمای کمتر از ۳۰۰ میلی‌کلوین (تقریباً منهای ۲۷۳ درجه سلسیوس)، توانستند مشاهده کنند این ساختار به یک ابررسانا تبدیل می‌شود؛ یعنی الکتریسیته بدون هیچ مقاومتی از آن عبور می‌کند. جالب‌تر اینکه وقتی میدان مغناطیسی خارجی را به آن اعمال کردند، رفتارهای عجیبی دیدند که شبیه به تغییر جهت مغناطیس یک آهن ربا بود. این یعنی ابررسانا خودش به نوعی مغناطیس داخلی مجهز است، پدیده‌ای که تاکنون مستقیماً مشاهده نشده بود.
ابررسانایی و مغناطیس؛ دوروی یک سکه عجیب
این کشف بر خلاف تصور عمومی است که ابررساناها میدان مغناطیسی را دفع می‌کنند (اثر مایسنر). اما این گرافن رمبودرال برخلاف ابررساناهای معمول، دو حالت ابررسانا دارد که می‌توانند با اعمال میدان مغناطیسی از یکی به دیگری تغییر کنند. انگار این ماده می‌تواند؛ مانند یک آهنربا رفتار کند، ولی درعین‌حال مقاومت الکتریکی‌اش صفر است. این ویژگی باعث شده که دانشمندان به آن «ابررسانای کریال» بگویند، جایی که جفت‌های الکترونی نه‌تنها بدون مقاومت حرکت می‌کنند، بلکه یک‌جهت چرخش مشخص هم دارند که باعث مغناطیس شدن ماده می‌شود.
راز رفتار کوانتومی گرافن رمبودرال
محققان باور دارند علت این رفتار خاص، حالت‌های کوانتومی الکترون‌ها در این ساختار است. وقتی الکترون‌ها در دمای بسیار پایین حرکت می‌کنند، می‌توانند به‌صورت جفت‌هایی با جهت حرکت یکسان (و نه مخالف) تشکیل شوند. این جفت‌ها باعث می‌شوند کل سیستم ابررسانا همزمان یک میدان مغناطیسی داخلی داشته باشد که می‌تواند جهت آن تغییر کند، همانند یک آهنربا.
آینده‌ای روشن برای کوانتوم و فناوری
این ابررسانای جدید می‌تواند نه فقط در فهم اصول بنیادی فیزیک، بلکه در ساخت کامپیوترهای کوانتومی پایدار و سریع‌تر نقش مهمی داشته باشد. ابررسانای کریال، به‌خاطر ساختار خاصش، می‌تواند پایه‌ای برای دستگاه‌هایی باشد که اطلاعات کوانتومی را با پایداری بسیار بالا پردازش و ذخیره می‌کنند. تیم MIT امیدوار است این کشف مسیر جدیدی برای تحقیقات در زمینه فیزیک ماده‌های پیچیده و فناوری‌های نوین باز کند.
رابطه عجیب بین ابررسانایی و مغناطیس در مداد شما
کشف ابررسانایی مغناطیسی در گرافن رمبودرال نه‌تنها یک نقطه عطف در علم فیزیک است، بلکه نشان می‌دهد که در دنیای مواد، هنوز رازهای زیادی نهفته که شاید حتی در ساده‌ترین اجسام روزمره نیز انتظارش را نداریم. این یافته که مداد شما می‌تواند حاوی ابررسانایی باشد که خودش مثل یک آهنربا رفتار می‌کند، می‌تواند سرآغازی باشد برای تحولاتی بزرگ در فناوری‌های آینده، از ابررسانایی پیشرفته گرفته تا کامپیوترهای کوانتومی و الکترونیک نوین.
