کشف ابررسانایی جدید با خواص دوگانه می‌تواند تکه‌ای دیگر از پازل محاسبات کوانتومی باشد

اَبَررساناها موادی حیاتی هستند که در‌صورت خنک‌شدن تا دمای مشخص و بدون هیچ‌گونه مقاومتی، می‌توانند الکتریسیته را هدایت کنند و مصرف انرژی را کاهش بدهند. این امر در جهانی که بیش از همیشه به کاهش مصرف انرژی نیاز دارد، امری اجتناب‌ناپذیر و بسیار حیاتی محسوب می‌شود. اَبَررساناها خواص کوانتومی در مقیاس اشیای روزمره را آشکار و آن‌ها را به کاندیداهای بسیار جذابی برای ساخت رایانه‌هایی تبدیل می‌کنند که از فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌ی داده‌ها و انجام عملیات محاسباتی سود می‌برند.

با‌‌‌توجه‌‌‌به آنچه گفته شد، اَبَررساناها مؤلفه‌هایی بسیار مهم برای ایجاد کامپوترهای کوانتومی کابردی محسوب می‌شود و بدین‌ترتیب، طیف عمده‌ای از تحقیقات برای ایجاد ابتکارات کوانتومی جدید در این زمینه معطوف شده است. حال گفته می‌شود که محققان اَبَررسانای جدیدی کشف کرده‌اند که آن را می‌توان نقطه‌ی عطفی در پیشبرد اهداف کوانتومی توصیف کرد. البته جالب است بدانید که اَبَررسانای مذکور در دهه‌ی ۱۹۶۰ پیش‌بینی شده بود؛ اما محققان تا پیش‌ازاین نمی‌توانستند آن را اثبات کنند. علاوه‌براین، دانشمندان دریافتند که همان ماده را می‌توان به‌طور بالقوه دست‌کاری کرد تا شکل دیگری از اَبَررسانایی به همان اندازه عجیب را نشان دهد.

به‌طورکلی، کشف اَبَررسانایی تکانه‌ی متناهی در یک کریستال لایه‌ای که به‌عنوان ابرشبکه طبیعی شناخته می‌شود، بدین‌معنی است که این ماده می‌تواند برای ایجاد الگوهای مختلف اَبَررسانایی در یک نمونه بهینه شود و این به‌نوبه‌ی خود می‌تواند پیامدهای مثبتی برای محاسبات کوانتومی و... داشته باشد. همچنین، انتظار می‌رود که این ماده به ابزار مهمی برای کندوکاو اسرار اَبَررساناهای غیر‌متعارف تبدیل شود و برای فناوری‌های کوانتومی جدید مفید باشد.

طراحی چنین فناوری‌هایی بسیار دشوار است؛ زیرا مطالعه موادی که از آن‌ها تشکیل شده‌اند، چالش‌برانگیز است. جوزف چکلسکی، محقق و متصدی اصلی پروژه مذکور و دانشیار فیزیک، دراین‌باره می‌گوید:

موضوع مهم تحقیق ما این است که فیزیک جدید از مواد جدید به‌دست می‌آید. گزارش اولیه‌ی ما در سال گذشته کشف این ماده‌ی جدید بود که به‌موجب آن، فیزیک جدید پدیدار می‌شود.

به‌طورکلی، فیزیک کلاسیک را می‌توان برای توضیح هر تعداد از پدیده‌های زیربنایی جهان ما تا زمانی که آ‌ن‌ها به‌شدت کوچک هستند، استفاده کرد. ذرات زیراتمی مانند الکترون‌ها و کوارک‌ها رفتار متفاوتی دارند و بسیاری از این رفتارها هنوز کاملا درک نشده است. دراین‌میان، مکانیک کوانتومی وجود دارد؛ حوزه‌ای که سعی می‌کند رفتار و اثرهای ناشی از آن‌ها را توضیح دهد.

چکلسکی و همکارانش ماده‌ی کوانتومی جدیدی کشف کردند که ویژگی‌های عجیب مکانیک کوانتومی را در مقیاس میکروسکوپی نشان می‌دهد! درواقع، ماده‌ی مدنظر اَبَررسانا است؛ همان مؤلفه‌ای که می‌تواند تغییردهنده‌ی بازی برای دنیای غنی کوانتومی و ماشین‌های پردازشی مبتنی‌بر آن باشد.

چکلسکی می‌گوید اخیرا کشف اَبَررساناهای ویژه‌ای که دوبعدی هستند یا فقط چند لایه اتمی ضخامت دارند، رونق گرفته است و این اَبَررساناهای فوق‌نازک در کانون توجهات قرار گرفته است؛ زیرا گمان می‌رود که خود آ‌ن‌ها بینشی برای درک بهتر اَبَررساناها ارائه می‌دهند.

دراین‌میان، طبیعی است که مشکلاتی نیز در این مسیر وجود داشته باشد. برای مثال، موادی که تنها چند لایه‌ی اتمی ضخامت دارند، به‌دلیل ظرافتشان به‌سختی مطالعه‌شدنی هستند. ماده‌ی جدید کشف‌شده‌ی چکلسکی و همکارانش را می‌توان معادل اَبَررسانایی یک کیک لایه‌ای در نظر گرفت که یکی از لایه‌های آن، لایه‌ای بسیار نازک از مواد اَبَررسانا است؛ درحالی‌که لایه‌ی بعدی یک لایه‌ی فاصله‌دهنده‌ی بسیار نازک است که از آن محافظت می‌کند. چیدن این لایه‌ها روی‌هم باعث ایجاد کریستالی بزرگ می‌شود که به‌طور طبیعی زمانی اتفاق می‌افتد که عناصر تشکیل‌دهنده‌ی گوگرد و نیوبیم و باریم با‌هم گرم شوند.

چکلسکی می‌گوید که کریستال میکروسکوپی یادشده که می‌توانیم آن را در دست بگیرم، مانند اَبَررسانای دوبعدی رفتار می‌کند و این واقعا شگفت‌انگیز به‌نظر می‌رسد. بسیاری از منابع که دانشمندان برای مطالعه اَبَررساناهای دوبعدی استفاده می‌کنند، برای استفاده در مواد نازک اتمی مسئله‌ساز است؛ اما ازآنجاکه مواد کشف‌شده‌ی جدید بسیار بزرگ است، اکنون ابزارهای بیشتری برای توصیف این قبیل موارد در‌اختیار دانشمندان قرار می‌گیرد.

پیش‌تر از اهمیت اَبَررساناها گفتیم و اکنون درباره‌ی خواص عجیب آن‌ها بد نیست بدانید که اَبَررسانا بار را به روشی خاصی حمل می‌کند و به‌جای یک الکترون، بار با دو الکترون به‌هم متصل‌ و به‌عنوان جفت کوپر حمل می‌شود. البته تمامی اَبَررساناها یکسان نیستند: برخی از اشکال غیرمعمول اَبَررسانایی، تنها زمانی ظاهر می‌شوند که جفت‌های کوپر بتوانند بدون مانع در میان مواد در فواصل نسبتا طولانی حرکت کنند. هرچه فاصله بیشتر باشد، مواد واضح‌تر می‌شوند.

درحالی‌که اَبَررسانایی معمولا به‌واسطه‌ی میدان‌های مغناطیسی متوسط ​​از بین می‌رود، اَبَررسانای تکانه‌ی متناهی می‌تواند با تشکیل الگویی منظم از مناطق با تعداد زیادی جفت کوپر و مناطقی که هیچ‌کدام ندارند، باقی بماند. به‌نظر می‌رسد که این نوع اَبَررسانا را می‌توان برای ایجاد انواع الگوهای غیرمعمول دست‌کاری کرد؛ زیرا جفت‌های کوپر بین مدارهای مکانیکی کوانتومی معروف به سطوح لاندو حرکت می‌کنند. این بدان‌معنا است که اکنون دانشمندان باید بتوانند الگوهای مختلف اَبَررسانایی را در یک ماده ایجاد کنند. چکلسکی دراین‌باره می‌گوید:

این آزمایشی خیره‌کننده است که می‌تواند جفت‌های کوپر را در حال حرکت بین سطوح لاندو در یک اَبَررسانا نشان دهد؛ چیزی که قبلا مشاهده نشده بود. صادقانه بگویم، من هرگز پیش‌بینی نمی‌کردم این را در کریستالی ببینم که می‌توانید در دست بگیرید.

کایل شن، استاد فیزیک دانشگاه کرنل، خاطرنشان می‌کند که برای مشاهده‌ی این اثر گریزان، محققان مجبور شده‌اند اندازه‌گیری‌های دشوار و با دقت زیاد را روی اَبَررسانای دو‌بعدی منحصربه‌فردی که قبلا کشف کرده بودند، انجام دهند. علاوه‌براین، فیزیک‌دانان متوجه شدند که مواد آن‌ها توانایی لازم برای نوع عجیب دیگری از اَبَررسانایی را دارد. اَبَررسانایی توپولوژیکی شامل حرکت بار در امتداد لبه‌ها یا مرزها است. در این مورد، آن بار می‌تواند در امتداد لبه‌های هر الگوی اَبَررسانای داخلی حرکت کند.

گفته می‌شود هم‌اکنون تیم این پروژه در تلاش است تا ببیند آیا ماده‌ی آن‌ها واقعا قادر به اَبَررسانایی توپولوژیکی است یا خیر. شاید جالب باشد بدانید که اخیرا نیز اَبَررسانای بسیار کمیاب توپولوژیکی به نام LaPt3P از‌طریق آزمایش‌ آرام‌سازی چرخش میون و تجزیه‌وتحلیل نظری گسترده کشف شده است که دستاوردی بسیار نادر و برای آینده‌ی محاسبات کوانتومی از ارزش فوق‌العاده‌ای برخوردار است.