امیدها به کشف ابررسانایی ماده در دمای اتاق

arezoo — Fri, 21 Sep 2012 19:05:49 +0000

ادوین کارتلیج (Edwin Cartlidge)

برگردان:

احسان سنایی

ادوین کارتلیج - محققین آلمانی ادعا کرده‌اند که کشف بزرگی صورت داده‌اند: ماده‌ای که در دمای اتاق و حتی گرم‌تر از آن هم ابررسانا باقی می‌ماند – یعنی جریان الکتریسیته را با مقاومت صفر عبور می‌دهد. ابررساناها قادرند انرژی هنگفتی را ذخیره کنند، اما این پدیده تاکنون فقط تا دمای حداکثر منفی ۱۰۰ درجه سانتیگراد به ثبت رسیده است.

اما حالا، پابلو اسکینازی (Pablo Esquinazi) و همکارانش از دانشگاه لایپزیگ آلمان مدعی‌اند که پولک‌هایی از جنس گرافیت نرم و خیس‌خورده در آب، حتی تا دماهای بیش از ۱۰۰ درجه سانتیگراد هم ابررسانا می‌مانند. اگرچه خود اسکینازی هم این گفته را "ظاهراً علمی-تخیلی" می‌داند، اما پژوهش‌شان هم‌اکنون در نشریه معتبر Advanced Materials انتشار یافته و سایر فیزیکدانان فعال در نشریات گروه Nature هم معتقدند هرچند این مسأله به تجربه ثابت شده است، اما مطالعات دقیق‌تری را می‌طلبد.

گرافیت، که متشکل از چند لایه مشبک کربنی با آرایش لانه‌زنبوری است، در صورت ترکیب با عناصری که الکترون‌های آزاد زیادی را در اختیارش بگذارند، ابررسانا می‌شود. مثلاً گرافیت کلسیم، حداکثر تا دمای ۱۱.۵ کلوین (حدود منفی ۲۶۰ درجه سانتیگراد) ابررسانا باقی می‌ماند و طبق پیش‌بینی دانشمندان، در صورت تأمین مقادیر بیشتری الکترون آزاد، این وضعیت حتی تا ۶۰ کلوین هم می‌تواند حفظ شود.

اسکینازی و تیم‌اش مدعی‌اند که در محل تلاقی سلول‌های سازنده شبکه اتمی گرافیت، تراکم بالایی از الکترون‌های آزاد را می‌شود یافت. این پژوهشگران، با اطلاع از اینکه خاصیت ابررسانایی، در نقاط واسط یک شبکه مصنوعی از توده‌های گرافیتی موسوم به «گرافیت تفکافتی» (Pyrolytic Graphite)، در دماهای گرم‌تر از 100 کلوین نیز حفظ می‌شود، از خودشان پرسیدند که نکند این دمای آستانه را با تغلیظ پودر گرافیت، بتوان از این هم بیشتر کرد؟

پولک‌هایی از جنس گرافیت نرم و خیس‌خورده در آب، حتی تا دماهای بیش از ۱۰۰ درجه سانتیگراد هم ابررسانا می‌مانند.

اولین افزودنی این تیم، آب معمولی بود و در همان تجربه اول‌شان هم موفق شدند. آن‌ها یکصد میلی‌گرم پودر گرافیت خالص را، متشکل از پولک‌هایی که طول‌شان از چندصدم میلیمتر یا یک میلیمتر متغیر بود، و ضخامت‌شان نیز تنها چند نانومتر می‌شد، به ۲۰ میلی‌لیتر آب مقطر افزودند. بعد از ۲۳ ساعت به هم زدن این مخلوط، پودر را از آب گرفتند و طی یک شبانه‌روز، آن را در دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد، خشک کردند. این پژوهش‌گران متوجه شدند اگر هرکدام از این نمونه‌های به‌دست‌آمده را در معرض یک میدان مغناطیسی بگذارند، در صورت حذف میدان، تا حدی خاصیت مغناطیسی‌شان حفظ می‌شود.

به‌گفته اسکینازی، حفظ خاصیت مغناطیسی این رسوبات، یا می‌تواند حاکی از ابررسانایی‌شان باشد، یا صرفاً همان خاصیت فرومغناطیسی‌شان در کار است (بدین‌معنا که برخی اجسام، تا کمی بعد از حذف میدان مغناطیسی نیز همچنان مغناطیسی می‌مانند). لذا تیم، برای اینکه مطمئن شود پای ابررسانایی در میان است یا نه، دست به بررسی نحوه تغییر خواص مغناطیسی پودر، به تبع تغییر قدرت میدان مغناطیسی و همچنین دمای محیط پیرامون زد. نمودارهای به‌دست‌آمده، شباهت زیادی به نمودارهای مشابهی داشت که در دهه ۱۹۸۰ میلادی، طی بررسی نخستین نمونه از ابررساناهای اکسیدیِ «گرم» حاصل شده بودند.

امیدهای بلند

اسکینازی قبول دارد که مدارکش صرفاً «امیدوارکننده»اند و قاطعانه نمی‌شود آن‌ها را پذیرفت. اول اینکه گروه‌اش موفق نشده نشان بدهد این نمونه‌ها واقعاً الکتریسیته را با مقاومت صفر عبور می‌دهند. آن‌ها سعی کردند این مسأله را با فشرده‌سازی پودر خیس‌خورده به‌شکل یک ساچمه – برای بالاتر بردن سطح تماس اجزای‌شان – محک بزنند، اما متوجه شدند این کار، ابررسانایی ماده را متوقف می‌کند. علاوه بر این، آن‌ها نتوانستند ثابت کننده که هیچ نشانی از میدان مغناطیسی القایی در میان پولک‌ها به چشم نمی‌خورد؛ حال‌آنکه این ویژگی، از جمله خواص بنیادین مواد ابررسانا به شمار می‌رود.

خاصیت ابررسانایی و حالت ابررسانایی پولک‌های گرافیت خیس خورده در آب، تا بالغ بر۴۰۰ کلوین، یا ۱۳۰ درجه سانتیگراد هم حفظ می‌شد و با مقایسه ساده‌ای میان داده‌های به‌دست‌آمده می‌توان متوجه شد این دما به حدود ۱۰۰۰ کلوین هم می‌توانسته برسد.

از این‌ها گذشته، خاصیت شبه‌ابررسانایی نمونه‌های تحت بررسی، با افزایش دما نیز هیچ تغییری نکرد. طبق گزارش تیم، حالت ابررسانایی این ماده تا بالغ بر۴۰۰ کلوین، یا ۱۳۰ درجه سانتیگراد هم حفظ می‌شد و با مقایسه ساده‌ای میان داده‌های به‌دست‌آمده می‌توان متوجه شد این دما به حدود ۱۰۰۰ کلوین هم می‌توانسته برسد. به‌گفته اسکینازی، از زمان آماده‌سازی این گزارش، آن‌ها نشانه‌های حفظ حالت ابررسانایی این ماده را تا ۵۰۰ کلوین نیز به ثبت رسانده‌اند؛ اما بعد از آن، رفته‌رفته گرمای نمونه‌ها متفرق شد و با برهم‌‌خوردن وضع مغناطیسی‌شان، امکان بررسی این که آیا گذار از فاز ابررسانایی به غیرابررسانایی واقعاً رخ داده است یا نه را دشوارتر کرد.

فیزیکدانان اما هنوز قانع نشده‌اند. تد فورگان (Ted Forgan) از دانشگاه بیرمنگام انگلستان، فیزیکدانی با تخصص ماده چگال است، که می‌گوید خواص مغناطیسی ماده در دماهای کم، "علائم فوق‌العاده مشابهی با آنچه که از یک ابررسانا انتظار می‌رود را نشان می‌دهد"؛ اما وی همچنان نمی‌داند که چرا رفتار این ماده گرافیتی در دماهای بالا دچار تغییر می‌شود. او می‌گوید انتظارش این بوده که خواص مغناطیسی ته‌مانده در آن، در دماهای بالاتر از ۳۰۰ کلوین، افت چشمگیری را نشان دهد، مگر اینکه "دمای گذار [این ماده]، بیش از انتظارمان باشد".

با این‌همه، الکساندر گورویچ (Alexander Gurevich)، از فیزیکدانان نظری دانشگاه Old Dominion ویرجینیا هشدار می‌دهد که شواهد قبلی مربوط به ابررساناهای «گرم» هم اگر به دقتْ موشکافی شوند، معلوم می‌شود که آنقدرها محکم و خلل‌ناپذیر نبوده‌اند. به‌گفته وی، رفتارهای مغناطیسی دیده‌شده، می‌تواند از طریق ناخالصی‌هایی که طی تهیه نمونه‌ها بدان راه پیدا کرده‌اند، ایجاد شده باشد. وی این را هم البته می‌افزاید که اگر این یافته به تأیید برسد، "پیامدهای قابل توجهی" در پی خواهد داشت.

منبع: Nature

توضیح تصویر:

پودر گرافیت خیس‌خورده که تصور می‌رود امکان وضیت ابررسانایی را در دمای اتاق هم دارد / عکس از Charles D. Winters؛ منبع: Science Photo Library