دانشمندان موفق شدهاند به یکی از پیچیدهترین معماهای فیزیک مدرن پاسخ دهند: معمایی که سالها مانع درک عمیق ابررساناهای دمای بالا بود. آنها برای نخستین بار توانستند حالت ابررسانایی یکی از امیدبخشترین مواد شناختهشده، یعنی سولفید هیدروژن (H₃S)، را بهطور مستقیم مشاهده و بررسی کنند. این پیشرفت علمی، مسیر دستیابی به ابررساناهای کارآمد و قابلاستفاده در دمای اتاق را هموارتر از هر زمان دیگری کرده است.
ابررساناها موادی هستند که میتوانند جریان الکتریکی را بدون هیچگونه مقاومت عبور دهند: ویژگیای منحصربهفرد که آنها را برای انتقال برق بدون اتلاف انرژی، ذخیرهسازی پیشرفتهی انرژی، سامانههای شناوری مغناطیسی، آهنرباهای بسیار قوی و رایانش کوانتومی به گزینههایی بسیار ارزشمند تبدیل کرده است. با این حال، کاربرد گستردهی این مواد همواره با یک مانع اساسی روبهرو بوده است: بیشتر ابررساناها تنها در دماهای بسیار پایین و غیرعملی کار میکنند. کشف مواد غنی از هیدروژن این محدودیت را تا حد زیادی تغییر داد و امکان ابررسانایی در دماهای بسیار بالاتر را فراهم کرد، اما به دلیل پایداری این مواد تنها در فشارهای فوقالعاده زیاد، سازوکار درونی آنها برای سالها ناشناخته باقی مانده بود. اکنون پژوهشگران با بهرهگیری از یک روش تونلی نوین موفق شدهاند حالت ابررسانایی سولفید هیدروژن را بهطور مستقیم بررسی کنند و نشان دهند که الکترونها چگونه با کارایی بالا جفت میشوند؛ دستاوردی که رؤیای دستیابی به ابررساناهای دمای اتاق را بیش از پیش به واقعیت نزدیک میکند و الهامبخش دستاوردهای علمی جدید در «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» است.
محدودیت دما: بزرگترین مانع ابررسانایی
در بیشتر مواد شناختهشده، ابررسانایی تنها در دماهایی نزدیک به صفر مطلق، حدود منفی ۲۷۳ درجهی سانتیگراد، رخ میدهد؛ شرایطی که حفظ آن به تجهیزات بسیار پیچیده و پرهزینه نیاز دارد و استفادهی عملی از ابررساناها را بهشدت محدود میکند. همین محدودیت اساسی باعث شد دانشمندان دههها به دنبال موادی باشند که بتوانند در دماهای بالاتر ابررسانا شوند.
این جستجو نشاندهنده اهمیت «علوم پایه» است؛ بدون درک عمیق از فیزیک کوانتومی، رفتار الکترونها و ارتعاشات شبکهی بلوری، پیشرفت در توسعه ابررساناها ممکن نبود و بسیاری از کشفهای بزرگ، مانند مواد غنی از هیدروژن، هرگز تحقق نمییافتند. علوم پایه، مانند نقشهای راهنمایی، مسیر پژوهشگران را در فهم پیچیدگیهای طبیعی و ایجاد فناوریهای نوین هموار میکند.
جهش بزرگ با ترکیبات هیدروژنی
این مسیر با کشف مواد غنی از هیدروژن دچار تحول اساسی شد، زیرا هیدروژن به دلیل جرم بسیار کم، ارتعاشات شبکهای پرانرژی و مناسبی برای شکلگیری ابررسانایی ایجاد میکند. در همین چارچوب، سولفید هیدروژن (H₃S) در دمای ۲۰۳ کلوین و دکاهیدرید لانتانیم (LaH₁₀) در حدود ۲۵۰ کلوین به حالت ابررسانا میرسند؛ دماهایی که بهمراتب بالاتر از ابررساناهای پیشین و حتی بالاتر از نقطهی جوش نیتروژن مایع هستند. به همین دلیل، این مواد در دستهی ابررساناهای دمای بالا قرار میگیرند و کشف آنها گامی مهم در مسیر تحقق رؤیای دیرینهی ابررسانایی در دمای اتاق به شمار میرود.
شکاف ابررسانایی: کلید درک سازوکار پدیده
در قلب پدیدهی ابررسانایی مفهومی بنیادی به نام شکاف ابررسانایی (Superconducting Gap) قرار دارد. این شکاف نشاندهندهی انرژی لازم برای شکستن جفتهای الکترونی است که در حالت ابررسانا تشکیل میشوند.
اندازه و ویژگیهای این شکاف اطلاعات بسیار مهمی دربارهی چگونگی برهمکنش الکترونها در ماده ارائه میدهد. به همین دلیل، اندازهگیری شکاف ابررسانایی یکی از مطمئنترین راهها برای تأیید ابررسانا بودن یک ماده و شناخت سازوکار آن است.
چرا اندازهگیری این شکاف تاکنون ممکن نبود؟
با وجود اهمیت بالای آنها، ابررساناهای غنی از هیدروژن مانند H₃S مطالعهپذیری بسیار دشواری دارند. ابررساناهای غنی از هیدروژن تنها در فشارهایی بیش از یک میلیون برابر فشار جو زمین پایدار هستند. این فشارها معمولاً با استفاده از سلولهای سندانی الماسی ایجاد میشوند که فضای بسیار محدودی برای انجام آزمایشها فراهم میکنند. در چنین شرایطی، روشهای متداول بررسی ساختار الکترونی، مانند طیفسنجی تونلی روبشی (STS) یا طیفسنجی فوتوالکترونی با تفکیک زاویهای (ARPES) عملاً غیرقابل استفاده هستند. به همین دلیل، شکاف ابررسانایی این مواد برای سالها فقط بهصورت نظری پیشبینی شده بود و شواهد تجربی مستقیمی وجود نداشت.
مطالعه چنین پدیدههایی دقیقاً محوریت «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» را شکل میدهد؛ جایی که با رویکرد علمی و حمایت از ایدههای نو در حوزه علومپایه، فرصت کشف، پیشبینی و بررسی پدیدههای پیچیدهای مانند ابررسانایی در شرایط سخت فراهم میشود. این جشنواره بستری است تا ایدههای خلاقانه دانشمندان جوان بتوانند محدودیتهای تجربی را پشت سر گذاشته و به درک عمیقتری از قوانین بنیادی طبیعت منجر شوند.
یک روش تونلی جدید، مانع را از میان برداشت
برای غلبه بر این محدودیت، پژوهشگران مؤسسهی ماکس پلانک در ماینتس روشی جدید به نام طیفسنجی تونلزنی الکترونی صفحهای توسعه دادند. این روش بهطور خاص برای کار در فشارهای فوقالعاده بالا طراحی شده و امکان اندازهگیری مستقیم حالت ابررسانایی را فراهم میکند.
با استفاده از این تکنیک، پژوهشگران برای نخستین بار توانستند شکاف ابررسانایی در H₃S را بهطور مستقیم مشاهده و اندازهگیری کنند؛ دستاوردی که سالها دستنیافتنی به نظر میرسید.
نتایج شگفتانگیز آزمایش
نتایج نشان داد که شکاف ابررسانایی در H₃S حدود ۶۰ میلیالکترونولت است. همچنین نسخهی دوتریومی این ماده، یعنی D₃S، شکاف کوچکتری در حدود ۴۴ میلیالکترونولت از خود نشان داد.
این تفاوت اهمیت زیادی دارد، زیرا دوتریوم نسبت به هیدروژن سنگینتر است. کاهش اندازهی شکاف با افزایش جرم اتمی تأیید میکند که ابررسانایی در این مواد ناشی از برهمکنش الکترونها با فونونها است. فونونها ارتعاشات کوانتومی شبکهی بلوری هستند و نقش اصلی را در جفتشدن الکترونها ایفا میکنند.
این کشف، نمونهای روشن از قدرت علوم پایه است. بدون درک نظریههای کوانتومی و مکانیک آماری، مدلهای پیشبینیکنندهی رفتار الکترونها و فونونها در شرایط فشار بسیار بالا امکانپذیر نبود. مطالعات پایهای در زمینه فیزیک مادهی چگال و ابررسانایی امکان طراحی آزمایشهای دقیق و تحلیل دادههای محدود به سلولهای سندانی الماسی را فراهم کردند. به عبارت دیگر، تنها با پشتوانهی علمی و درک عمیق از اصول بنیادی فیزیک، پژوهشگران توانستند اثرات جرم اتمی بر شکاف ابررسانایی را کشف کرده و ماهیت فونونی این پدیده را به اثبات برسانند.
چرا این پیشرفت اهمیت دارد؟
برای پژوهشگران مؤسسهی ماینتس، این دستاورد فراتر از یک موفقیت فنی ساده است. این مطالعه پایهای محکم برای درک ریشههای بنیادی ابررسانایی دمای بالا در مواد هیدروژنی فراهم میکند. دکتر فِنگ دو، نویسندهی اول مقالهی منتشرشده، میگوید: «امیدواریم با بهکارگیری این روش تونلی در دیگر ابررساناهای هیدریدی، بتوانیم عوامل کلیدیای را که امکان ابررسانایی در دماهای بالاتر را فراهم میکنند، شناسایی کنیم. این پیشرفت در نهایت باید منجر به توسعهی مواد جدیدی شود که در شرایط عملیتر قابل استفاده باشند.»
دکتر میخائیل اِرِمِتس، از پیشگامان پژوهش در زمینهی ابررسانایی تحت فشار بالا که در نوامبر ۲۰۲۴ درگذشت، این مطالعه را «مهمترین کار در حوزهی ابررسانایی هیدریدها از زمان کشف ابررسانایی در H₃S در سال ۲۰۱۵» توصیف کرد. واسیلی مینکوف، سرپرست پروژهی شیمی و فیزیک فشار بالا در مؤسسهی ماکس پلانک، افزود: «چشمانداز میخائیل برای ابررساناهایی که در دمای اتاق و فشارهای متوسط کار کنند، با این پژوهش یک گام به واقعیت نزدیکتر شده است.»
این تحقیق، نمونهای ارزشمند برای شرکتکنندگان «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» است؛ جایی که با تأکید بر علومپایه و خلاقیت علمی، فرصتی برای کشف قوانین بنیادی طبیعت و ارائهی ایدههای نو در حوزههایی مانند ابررسانایی فراهم میشود. پژوهشگران جوان میتوانند از این مطالعه بیاموزند که چگونه تحقیقات پایهای، حتی در شرایط دشوار آزمایشگاهی، میتواند مسیر پیشرفتهای بزرگ و کاربردی را هموار کند.
نگاهی کوتاه به تاریخچهی ابررسانایی
ابررسانایی به توانایی برخی مواد برای رسانش جریان الکتریکی بدون مقاومت گفته میشود. این پدیده نخستین بار در سال ۱۹۱۱ توسط هایکه کامرلینگ اونِس در جیوهی خالص کشف شد. برای دههها، دانشمندان باور داشتند که این پدیده فقط در دماهایی نزدیک به صفر مطلق (۲۷۳- درجهی سانتیگراد) امکانپذیر است. این تصور در اواخر دههی ۱۹۸۰ تغییر کرد، زمانی که گئورگ بدنورتس و کارل الکساندر مولر ابررساناهای اکسید مس، که به کوپراتها نیز معروف هستند، را کشف کردند؛ موادی که در فشار جو و در دماهای نسبتاً بالا ابررسانا میشدند. این کشف موجی از پژوهشهای جهانی را به راه انداخت.
با گذشت زمان، دانشمندان به دماهای بحرانی حدود ۱۳۳ کلوین در فشار محیط و ۱۶۴ کلوین تحت فشار بالا دست یافتند. سپس پیشرفتها متوقف شد تا اینکه ترکیبات غنی از هیدروژن وارد صحنه شدند.با این حال، پیشرفت واقعی زمانی رخ داد که ترکیبات غنی از هیدروژن وارد میدان شدند و رکوردهای دمایی یکی پس از دیگری شکسته شد.
جفتهای کوپر و نقش شکاف انرژی
در حالت عادی، الکترونها در فلزات بهصورت مستقل حرکت میکنند. اما در حالت ابررسانا، آنها به شکل جفتهای کوپر درمیآیند و وارد یک حالت کوانتومی جمعی میشوند. این جفتها بدون پراکندگی حرکت میکنند و همین موضوع باعث حذف کامل مقاومت الکتریکی میشود. شکاف ابررسانایی انرژی لازم برای شکستن این جفتها را مشخص میکند و بهعنوان امضای اصلی ابررسانایی شناخته میشود.
به عبارت دیگر، بدون مطالعات در حوزه علومپایه در زمینه فیزیک و ریاضیات، امکان توضیح و تبیین اصول بنیادی ابررسانایی وجود نداشت.
پایان یک معمای بزرگ، آغاز افقهای نو
کشف و اندازهگیری مستقیم شکاف ابررسانایی در مواد غنی از هیدروژن، بهویژه سولفید هیدروژن (H₃S)، گامی بزرگ در درک بنیادی ابررسانایی دمای بالا بهشمار میرود. این پژوهش نه تنها نشان داد که الکترونها چگونه با کارایی بالا جفت میشوند، بلکه تأیید کرد که برهمکنش آنها با فونونها نقش کلیدی در این پدیده دارد. دستیابی به چنین بینشی، مسیر توسعهی مواد جدید ابررسانا با دماهای بالاتر و قابلیت استفاده در شرایط عملیتر را هموار میکند.
پیشرفتهای اخیر، رؤیای دیرینهی ابررسانایی در دمای اتاق را یک گام به واقعیت نزدیکتر کرده و نشان میدهد که با ترکیبات مناسب و فشارهای کنترلشده، میتوان محدودیتهای پیشین دمایی را پشت سر گذاشت. این دستاورد علمی، افقهای تازهای برای کاربردهای پیشرفته در انتقال برق بدون اتلاف، ذخیرهسازی انرژی، فناوریهای مغناطیسی و رایانش کوانتومی باز کرده و نویدبخش آیندهای است که در آن ابررساناها به بخش عملی و واقعی زندگی روزمره تبدیل میشوند.
نتایج چنین مطالعاتی بهوضوح اهمیت علومپایه و پژوهش نظری را نشان میدهد و الهامبخش «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» است؛ جایی که تحقیقات دقیق و کنجکاوی علمی میتوانند مرزهای دانش را گسترش داده و مسیر نوآوریهای عملی در فناوریهای پیشرفته را هموار کنند.
منبع: Science Daily
