تایید شد: الکترون‌های جریان یافته در گرافن به شدت ابررسانا هستند

نوعی از رسانایی که در اینجا اشاره می‌شود با نام جریان سوپربالستیک شناخته می‌شود و آزمایش جدیدی که انجام شده پیشنهاد می‌کند که پدیده‌ی فوق می‌تواند روش کلی ما در هدایت جریان الکتریسیته را دستخوش تغییر بنیادی کند.

اگر گفته‌های فوق هنوز به نظرتان چندان هم تعجب‌آور نیستند، باید بگوییم که جریان‌های فوق سریع یا سوپربالستیک در دنیای واقعی در نتیجه‌ی جهش‌ها و برخوردهای الکترون‌ها و دور شدن آنها از همدیگر ایجاد می‌شود و این چیزی است که اگر بخواهیم با دیدگاهی در حد فیزیک دوره‌ی دبیرستانمان مورد بررسی قرار دهیم، می‌بایست باعث کندتر شدن و به‌نوعی کاهش میزان رسانایی شود.

اما تنها در سال گذشته بود که پژوهشگران وجود پدیده‌ی فوق را تایید کردند و برای نخستین بار نشان دادند که الکترون‌های داخل گرافن حتی در دمای اتاق نیز می‌توانند به‌صورت سیال‌وار رفتار کنند و دارای لزجتی به میزان هزار برابر بیشتر از عسل باشند. این در واقع پدیده‌ای است که پژوهشگران از آن با تعبیر شگفتی کوانتومی برخاسته از حرکت جمعی الکترون‌ها یاد می‌کنند.

اکنون پس از یک سال و دوباره توسط همان تیم پژوهشی به سرپرستی آندره جیم فیزیکدان از دانشگاه منچستر که در سال ۲۰۱۰ به خاطر خدماتش در زمینه‌ی مشخصه‌بندی و شناسایی گرافن برنده‌ی جایزه‌ی نوبل شده بود، مشخص شده است که این پدیده‌ی مایع الکترونی حتی از آن چیزی که در ابتدای شناساییش تصور می‌کردیم نیز رفتار دیوانه‌وارتری دارد.

با رمزگشایی بیشتر از رفتار سیال‌وار الکترون‌ها، پژوهشگران موفق به رویت الکترون‌هایی در گرافن شده‌اند که محدوده‌های پایه‌ای جهش در مواد معمولی را در می‌نوردند. این محدودیت برای جهش در دنیای فیزیک با عنوان محدودیت بالستیک لاندور شناخته می‌شود.

این آزمایش یکی از آزمایش‌های تایید‌کننده‌ی اولیه در نوع خود محسوب می‌شود و به ما نشان می‌دهد که این سازوکار فیزیکی جدید تا چه حدی می‌تواند قدرتمند باشد و مهم‌تر از آن اینکه آزمایش اخیر پیشنهاد می‌دهد که شاید ما در آستانه‌ی رسیدن یک روش کاملا جدید به‌منظور هدایت الکتریسیته از میان موادی با مقاومت نزدیک به صفر باشیم.

در حال حاضر البته چنین مقاوتی با استفاده از ابررساناها قابل دستیابی است؛ اما توانایی عملکرد ابررسانا تنها در دماهای بسیار پایین (کمتر از ۵.۸ کلوین) ممکن می‌شود. ولی پژوهشگران در مطالعه‌ی اخیر توانسته‌اند تا جریان سوپربالستیک را در گرافن در دمای نسبتا گرم‌تر (حدود ۱۵۰ کلوین) مشاهده کنند. در واقع، مقاومت با افزایش دما کاهش یافته است و این امر با آنچه که ما انتظار داریم کاملا در تضاد است.

البته باید توجه کنیم که در حال حاضر تمام پژوهش فوق به‌منزله‌ی یک بررسی باید در نظر گرفته شود و نیاز خواهد بود که گروه‌های پژوهشی مستقل هم نتایج به دست آمده در دانشگاه منچستر را تایید کنند. اما به هر سوی، پیدا کردن راهی برای هدایت کارامد الکتریسیته در دماهای بالاتر را همواره به‌عنوان یکی از دستاوردهای بسیار ارزشمند در دنیای فیزیک به شمار می‌آوردند. زیر رسیدن به این مورد می‌تواند هموارکننده‌ی مسیر آینده برای دستیابی به کامپیوترهای بسیار کارامد یا شبکه‌های توزیع برقی شود که دیگر شاهد اتلاف ۷ درصد از انرژی آنها در طریق گرما نباشیم.

شاید دانستن همین موارد و کاربردهای احتمالی یافته‌های فوق برای ما کافی باشد؛ اما نقطه‌ی عطف اساسی برای جامعه‌ی فیزیک در اینجا مربوط به این می‌شود که یافته‌ی اخیر یکی از نخستین کاوش‌های پرجزئیات از رفتارهای مایع‌وار اینچنینی الکترون‌ها به شمار می‌رود. آزمایش‌ اخیر این پیشنهاد را پیش رو می‌گذارد که شاید ما تا به حال تنها در حال کندوکاو سطوح آشکار موضوع بوده‌ایم و با ماهیت و واقعیت عجیب آن هنوز فاصله‌ی زیادی داریم.

موضوع عجیب‌تر این است که چنین نوعی از جریان الکترونی از نظر شهودی در تضاد با هر چیز دیگری است که ما تا به حال در مورد پدیده‌ی رسانایی دانسته‌ایم. جان‌مایه‌ی تمام دانسته‌های قبلی ما در زمینه‌ی الکترون و رسانایی به این نکته ختم می‌شود که هر قدر برخوردها و پراکندگی الکترون‌ها بیشتر باشد، میزان رسانایی ماده کمتر خواهد بود.

به همین دلیل است که ماده‌ی گرافن به‌مراتب از ماده‌های متداولی همانند مس، رساناتر است. ساختار بسیار منظم دوبعدی آن در قیاس با فلزات از نقص‌های بسیار کمتری برخوردار است و از این رو الکترون‌هایی که در آن جابجا می‌شوند، دارای پراکندگی و تلاطم کمتر و حرکتی سریع‌تر هستند و همانطور که پیشتر اشاره کردیم، این نوع از جریان با تعبیر جریان سوپربالستیک شناخته می‌شود. جیم می‌گوید:

ما از دوران مدرسته دانسته‌ایم که بی‌نظمی‌های اضافه همیشه باعث ایجاد مقاومت الکتریکی بیشتر می‌شود.در مورد پژوهش ما نیز، بی‌نظمی القاشده توسط الکترون‌های پراکنده، در عمل به جای اینکه باعث افزایش مقاومت شوند، باعث کاهش مقاومت شده‌اند.

این امر منحصربه‌فرد است و کاملا در تقابل با شهود ما: الکترون‌ها مایعی را تشکیل می‌دهند که شروع به فرارسانی با سرعتی بیشتر از حالت آزاد بودن همان الکترون‌ها می‌کنند؛ گویی که در خلا هستند.

پرسش این است که روند فوق چگونه کار می‌کند؟ الکترون‌ها در هنگام تصادم با یکدیگر، گاهی اوقات به جای افزایش دادن مقاومت الکتریکی، به‌عکس باعث آغاز یک جریان کلی در کنار هم در راستای راحت‌تر کردن جریان الکتریکی در آن مسیر می‌شوند.

اگر شما کریستال‌های درون گرافن‌ را به عنوان کانال‌هایی تصور کنید که الکترون‌ها باید از میان آنها جریان یابند، در آن صورت می‌توانیم چنین تحلیل کنیم که الکترون‌ها در حین جهش و برخورد با لبه‌های کانال کندتر شده و تکانه‌ی خود را از دست می‌دهند.

با این حال در این رفتار جریانی، برخی از الکترون‌ها در نزدیکی لبه‌ی کانال باقی می‌مانند و به‌طور موثری باعث گرفته شدن تکان سایر الکترون‌های در اثر برخورد با آن نواحی و در نهایت کند شدن آنها می‌شوند.

در نتیجه‌ی روند فوق، برخی الکترون‌ها با هدایت شدن در کانال درون گرافن به حالت سوپربالستیک تبدیل می‌شوند. این همان پدیده‌ای است که در رودخانه نیز روی می‌دهد و اگر به جریان رودخانه دقت کرده‌ باشید، خواهید دید که جریان در میانه‌های رود سریع‌تر است.

سر جیم و گروه وی از کیفیت فیزیکی جدید با عنوان رسانایی ویسکوز یاد کرده‌اند و مطالعه‌ی خود را نیز به‌عنوان یکی از نخستین بررسی‌های انجام‌شده در زمینه‌ی توانایی‌ها و قابلیت‌های کیفیت فوق می‌دانند و از طرفی هم پدیده‌ی فوق محدوده‌های اصلی دنیای فیزیک را در نوردیده و ما به‌طور کامل اطمینان داریم که در آینده چیزهای بسیار بیشتری در مورد رسانایی لزج خواهیم شنید.

دستاوردهای پژوهش اخیر در Nature Physics منتشر شده است.