دانشمندان برای اولین بار در دمای اتاق به خاصیت ابررسانایی دست یافتند

ابررسانای دمای اتاق، یعنی ماده‌ای که قادر است بدون نیاز به سرمایش ویژه، الکتریسیته را با مقاومت صفر از خود عبور دهد. این فناوری معجزه‌آسا می‌تواند زندگی روزمره و شبکه‌های برقی را متحول کند. تا امروز ابررساناها باید در شرایط سرد و دماهای زیر صفر نگه‌داری می‌شدند این مشکل، کاربرد ابررسانا در فناوری‌های جدید را محدود کرده بود.

ده‌ها سال است دانشمندان تصور می‌کنند دستیابی به ابررسانایی دمای اتاق غیرممکن است اما در پنج سال گذشته، چند گروه پژوهشی در سراسر جهان، رقابت برای دستیابی به ابررسانایی دمای اتاق را در آزمایشگاه‌های خود آغاز کردند تا اینکه بالاخره یکی از این گروه‌ها برنده شد.

پژوهشگرها در مقاله‌ی خود در مجله‌ی Nature از دستیابی به ابررسانایی دمای اتاق در ترکیبی حاوی هیدروژن، سولفور و کربن در دماهای بالاتر خبر داد. بالاترین دمای ثبت‌شده برای ابررسانایی، منفی ۱۳/۱۵ درجه‌ی سانتی‌گراد بود که گروهی از دانشگاه واشنگتن و مؤسسه‌ی کارنینگ در سال ۲۰۱۸ به آن دست یافتند. گروهی دیگر هم در مؤسسه‌ی شیمی ماکس پلانک در ماینز آلمان به رکورد دمای منفی ۲۳ درجه‌ی سانتی‌گراد دست یافتند؛ مانند رکوردهای قبلی، رکوردهای جدید در شرایط فشار بالا به دست آمدند که دو میلیون و نیم برابر فشار هوای موردنیاز برای تنفس است. به گفته‌ی خوزه فلورس لیواس، فیزیک‌دان محاسباتی دانشگاه ساپینزای رم:

این نتیجه دستاورد بزرگی است، ما در طول چند سال گذشته از دمای منفی ۷۳ درجه‌ی سانتی‌گراد برای ابررسانایی به منفی ۲۳ درجه‌ی سانتی‌گراد و حالا به دمای ۱۶ درجه‌ی سانتی‌گراد رسیدیم. اطمینان دارم به دمای ۲۶ درجه‌ی سانتی‌گراد هم خواهیم رسید.

جریان‌های الکتریکی حامل بارهای الکتریکی اغلب از الکترون تشکیل شده‌اند. رساناهایی مثل سیم‌های مسی، دارای تعداد زیادی الکترون با پیوند ضعیف هستند. با اعمال میدان الکتریکی، الکترون‌ها نسبتا آزادانه جریان پیدا می‌کنند اما حتی رساناهای خوبی مثل مس هم دارای مقاومت هستند زیرا هنگام حمل جریان برق داغ می‌شوند.

خاصیت ابررسانایی به‌معنی جریان بدون مقاومت الکترون‌ها است. این خاصیت شاید در نگاه اول غیرممکن به‌نظر برسد و درست مانند این است که شخصی بتواند با سرعتی بسیار بالا در مرکز شلوغ شهر رانندگی کند و هیچ‌وقت به چراغ راهنما برخورد نکند؛ اما در سال ۱۹۱۱، فیزیک‌دان هلندی به‌نام هیک کامرلینگ اونس به این نتیجه رسید که اگر جیوه تا دمای چند درجه بالای صفر مطلق (منفی ۲۷۳ درجه‌ی سانتی‌گراد) سرد شود، به ابررسانا تبدیل می‌شود. او این پدیده را خیلی زود در فلزاتی مثل قلع و سرب هم مشاهده کرد.

تا ده‌ها سال پس از آزمایش اونس، ابررسانایی فقط در دماهای بسیاری پائین امکان‌پذیر بود. در اواخر ۱۹۸۶ و اوایل ۱۹۸۷، گروهی از پژوهشگران آزمایشگاه IBM در زوریخ متوجه شدند، اکسیدهای مشخصی از سرامیک می‌توانند در دماهای بالای منفی ۱۸۱ درجه‌ی سانتی‌گراد به ابررسانا تبدیل شوند. این دما از دمای جوش نیتروژن مایع (منفی ۱۹۶/۵ درجه‌ی سانتی‌گراد) بیشتر است. این پژوهش، روند بررسی ابررسانایی را متحول کرد و باعث افزایش کاربرد آن در MRI-های بیمارستانی شد، زیرا کنترل نیتروژن مایع آسان و کم‌هزینه است (هلیوم مایع سردتر اما پرهزینه‌تر است). جهش عظیم فوق در دهه‌ی ۱۹۸۰ این تصور را به وجود آورد که دستیابی به ابررسانایی در دمای اتاق هم امکان‌پذیر است؛ اما این رویا تاکنون به ثمر ننشسته بود.

ابررساناها زمانی کار می‌کنند که الکترون‌های داخل آن‌ها با فونون‌ها همراه شوند. فونون به نوسان‌های موجود در شبکه‌ی اتمی ماده گفته می‌شود. به عقیده‌ی نظریه‌پردازان الکترون‌های هماهنگ با فونون‌ها می‌توانند بدون مقاومت حرکت کنند. در شرایط دمای کم، این زوج‌ها می‌توانند در انواع گسترده‌ای از مواد شکل بگیرند. نیل اشکرافت از دانشگاه کرنل در سال ۱۹۶۸، ثابت کرد هیدروژن تحت فشارهای بالا به ابررسانا تبدیل می‌شود. در فشار بالا، اتم‌ها به یکدیگر نزدیک می‌شوند و تحت برخی شرایط زوج‌های الکترونی فونونی تشکیل می‌شوند.

دانشمندان به مدت ده‌ها سال به‌دنبال درک شرایط مناسب برای تولید ابررسانایی متشکل از هیدروژن و عناصر دیگر بودند که بتواند در دماهای بالاتر و فشارهای پائین‌تر عمل کند. حالا در پژوهش جدید، پژوهشگران دانشگاه روچستر برای اولین‌بار با ترکیب کربن و سولفور با نسبت یک به یک، توپ‌های کوچکی را ساختند و سپس این توپ‌ها را با تزریق گاز هیدروژن بین دو الماس فشرده کردند. همچنین نور لیزر به مدت چند ساعت به این ترکیب تابیده شد تا پیوند بین اتم‌های سولفور شکسته شود و رفتار الکترون‌های نمونه تغییر کنند. کریستال به دست‌آمده در فشار کم پایدار نیست اما ابررساناست.

دانشمندان هنوز به جزئیات دقیقی درباره‌ی عملکرد ترکیب فوق دست نیافته‌اند؛ اما در حال توسعه‌ی ابزارهایی جدید برای محاسبه‌ی ترکیب هستند و خوشبین هستند که بتوانند ترکیب را به گونه‌ای تغییر دهند تا در فشارهای پائین‌تر هم ابررسانایی خود را حفظ کند. با فشار ۱۰۰ Gpa (گیگاپاسکال) می‌توان حسگرهای بسیاری کوچک با دقت بسیار بالا را تولید کرد. از حسگرهای دقیق مغناطیسی می‌توان در بررسی معادن و کشف احتراق نورونی در مغز انسان و همچنین ساخت حافظه‌های کامپیوتری استفاده کرد.

تقریبا ۵ درصد از برق تولیدی ایالات‌متحده در جریان توزیع و انتقال تلف می‌شود. حذف این اتلاف می‌تواند از صرف میلیاردها دلار هزینه جلوگیری کند و تأثیر مثبتی بر اقلیم دارد؛ اما ابررساناهای دمای اتاق نه‌تنها سیستم را تغییر می‌دهند بلکه به‌طور کلی زمینه‌ساز سیستمی جدید می‌شوند. علاوه بر این مبدل‌ها و ژنراتورهای کوچک‌تر، ارزان‌تر و بهینه‌تر خواهند شد. درحال‌حاضر از ذخیره‌ی انرژی ابررسانایی برای رفع نوسان‌های کوتاه‌مدت در شبکه‌های برقی استفاده می‌شود اما این فناوری هنوز در آغاز راه است زیرا سردسازی ابررساناها نیاز به انرژی زیادی دارد.

اما ابررساناهای دمای اتاق به‌ویژه اگر در برابر میدان‌های مغناطیسی قوی مقاوم باشند، روشی بهینه برای ذخیره‌سازی مقادیر بالای انرژی در درازمدت فراهم می‌کنند و منابع انرژی تجدیدپذیر مثل توربین‌های بادی یا سلول‌های خورشیدی را بهبود می‌دهند.