ابررساناها چه زمانی کاربرد خواهند داشت؟

معمای قابلیت استفاده از مواد اَبَررسانا در دماهای بالاتر از صفر کلوین، به‌ویژه در موادی مانند اکسید مس، یکی از مسائل پیچیده‌‌ در علم فیزیک حالت جامد است. به‌تازگی، گروه پژوهشی بین‌المللی شامل چندین مهندس و دانشمند توانسته‌اند تاحدودی به درک این واقعیت نزدیک شوند.

وقتی بعضی مواد در درجه حرارت به‌شدت پایین سرد می‌شوند، خواص فیزیکی منحصر‌به‌فردی از خود نشان می‌دهند که به این خاصیت آن‌ها اَبَررسانایی گفته می‌شود. این مواد مقاومتی دربرابر جریان الکتریکی از خود نشان نمی‌دهند؛ بدین‌ترتیب، جریان برق می‌تواند آزادانه و بدون اتلاف انرژی در اَبَررساناها جاری شود.

اَبَررساناها در فناوری‌هایی مانند دستگاه‌های MRI، موتورهای الکتریکی، سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم و شتاب‌دهنده‌های ذرات کاربرد دارند. درحالی‌که هزاران نمونه از مواد اَبَررسانا به جامعه‌ی علمی معرفی شده، پرسش‌های زیادی درباره‌ی چرایی و چگونگی خاصیت اَبَررسانایی باقی مانده است.

گروهی پژوهشی به سرپرستی جیناشی ژو، استاد مهندسی مکانیک دانشگاه تگزاس، برای پاسخ به این پرسش دست‌به‌کار شده است. نتایج بررسی‌های این تیم نشان داده در دماهای پایین نزدیک به صفر مطلق، نوعی تغییر فاز در ماده اتفاق می‌افتد. برای موادی مانند اکسید مس و بسیاری از اَبَررساناهای دیگر این تغییر فاز در دمای بالاتری رخ می‌دهد. این گروه پژوهشی معتقد است انتقال فاز در نقطه‌ی بحرانی کوانتومی اتفاق می‌افتد. یافته‌های این مقاله در ژورنال Nature منتشر شده است.

در این مطالعه، اثرهای گرما در دو سیستم مسی Eu-LSCO و Nd-LSCO اندازه‌گیری شده است. هر دو ماده به‌وسیله‌ی میدان‌های مغناطیسی قوی تا دمای بحرانی خود سرد شده‌اند تا خاصیت اَبَررسانایی آن‌ها شکل بگیرد. علائم ترمودینامیکی مشاهده‌شده در این آزمایش‌ها، وجود عامل بحرانی کوانتومی را در نمونه‌های بررسی‌شده تأیید کرده است. ژو افزود:

نقطه‌ی بحرانی کوانتومی عامل بالقوه‌ای برای تسهیل اَبَررسانایی سیستم‌های مسی است.

مهندسان اغلب، مواد را براساس مقاومت آن‌ها دربرابر جریان الکتریکی طبقه‌بندی می‌کنند. درواقع، اندازه‌گیری چنین خاصیتی نشان‌دهنده‌ی رفتار الکترون‌های درون ماده است. فلزی مانند مس عضوی مهم در سیم‌های اتصال شارژرهای گوشی‌های هوشمند، مایکروویوها، لامپ‌های برق و بیشتر پریزها است. خاصیت این فلز به الکترون‌های درون ساختار اتمی خود اجازه می‌دهد آزادانه حرکت کنند. چنین رفتاری باعث ایجاد مقاومت ضعیفی دربرابر جریان الکتریکی می‌شود و همین امر موجب تولید رسانای قدرتمندی خواهد شد.

صرف‌نظر از اینکه مقاومت ایجادشده ضعیف یا قوی باشد، پیامدی ناخواسته است که به‌دنبال آن بخشی از انرژی استفاده‌شده به گرما تبدیل می‌شود. در جهانی ایده‌آل، کابل‌ها می‌توانند از موادی با مقاومت صفر ساخته شوند. در دنیای واقعی، اَبَررساناها عهده‌دار چنین نقشی خواهند شد. بااین‌حال، به‌دلیل اینکه تمام اَبَررساناهای شناخته‌شده در دماهای بسیاری پایین کاربردی هستند، استفاده از آن‌ها در دماهای معمول بسیار دشوار است. درنهایت، مهندسان و دانشمندان در سراسر جهان همچنان به‌دنبال مواد اَبَررسانایی هستند که می‌توانند در دماهای نزدیک به دمای اتاق به‌کار گرفته شوند. هر کشفی دراین‌زمینه، پژوهشگران را یک گام به هدف مدنظر نزدیک‌تر خواهد کرد. ژو خاطر نشان کرد:

فهم چرایی اَبَررساناشدن این مواد، ما را به هدف مقدس اَبَررساناهای کاربردی در دمای اتاق خواهد رساند. این موضوع فقط به زمان نیاز دارد.