تحولی عظیم در عرصه‌ی الکترونیک؛ کشف ماده‌ای که در دمای عادی ابررسانا است!

هم‌اکنون مدت زمان بسیار طولانی است که فیزیک‌دانان و مهندسین به‌دنبال یک ماده‌ی ابررسانا در دمای اتاق می‌گردند. توانایی حرکت دادن الکتریسیته از یک نقطه به نقطه‌ای دیگر، بدون مقاومت الکتریکی و در نتیجه بدون هدر رفتن انرژی، فناوری است که می‌تواند تمدن بشر را کاملاً متحول کند. اخیراً دانشمندان توانستند به ماده‌ای دست یابند که در دمای 15 درجه سلسیوس (59 درجه فارنهایت) نیز ابررسانا است.

ابررسانایی، مجموعه‌ای از خواص فیزیکی یا در اصل پدیده‌ای است که در شرایطی خاص مانند دماهای بسیار کم در برخی مواد چون قلع و آلومینیوم مشاهده می‌شود. در حالت ابررسانایی، مقاومت الکتریکی ماده «دقیقاً» صفر می‌شود و ماده خاصیت دیامغناطیس پیدا می‌کند؛ یعنی میدان مغناطیسی را از درون خود طرد می‌کند. در واقع خاصیت دیامغناطیس، تنها تفاوت میان ماده‌ی ابررسانا و رسانای کامل است، زیرا در رسانای کامل انتظار می‌رود میدان مغناطیسی ثابت بماند در حالی که در ابررسانا میدان مغناطیسی همواره صفر است.

تاکنون تمامی ابررساناهای شناخته شده، فقط در دماهای به‌شدت پایین به این خاصیت دست می‌یافتند، اما اخیراً دانشمندان ماده‌ای را یافته‌اند که در دمای 15 درجه سلسیوس هم ابررسانا است. اگر چه این دما نیز نسبت به دمای اتاق (25 درجه سانتی‌گراد) کمی سرد محسوب می‌شود، اما 15 درجه سانتی‌گراد دمایی بوده که با یک کولر عادی کاملاً قابل دسترسی است. پیدا کردن چنین ماده‌ای یک تحول عظیم است، اما هنوز از کشف این ماده تا توسعه‌ی تکنولوژی و به‌کارگیری آن راه زیادی باقی می‌ماند.

در دماهای بسیار پایین، رفتار الکترون‌های موجود در مواد تغییر می‌کند. در دماهایی که به صفر مطلق نزدیک هستند، الکترون‌های عبور کننده از یک ماده چیزی به‌نام «جفت‌های کوپر» (Cooper Pair) ایجاد می‌کنند. در حالت عادی، الکترون‌های تکی حین عبور از یک ماده با دیگر الکترون‌های موجود در شبکه‌ی یونی این ماده برخورد می‌کنند. هر بار یک الکترون با یک یون موجود در شبکه برخورد کند، مقدار بسیار اندکی از انرژی خود را از دست می‌دهد. این امر باعث هدر رفتن یا همان اتلاف انرژی می‌شود و آن را مقاومت الکتریکی می‌خوانیم.

حال اگر دما را تا حد کافی کاهش دهیم، رفتار الکترون‌ها نیز به‌شدت تغییر کرده و جفت‌های کوپر تشکیل می‌شوند. جفت‌های مزبور مانند یک ابرسیال یا ابرشاره (Superfluid) عمل کرده و بدون اتلاف انرژی، از ماده عبور می‌کنند.

آزمایش‌های مختلف ثابت می‌کنن جریان ذخیره شده در یک ابررسانا تا زمانی که این ماده در حالت ابررسانایی قرار دارد، بدون تغییر باقی‌مانده و هیچ‌گونه اتلاف انرژی نخواهد داشت.

هم‌اکنون دو سد بزرگ میان دانشمندان و استفاده‌ی بهینه از این اکتشاف وجود دارد. اول اینکه دانشمندان هنوز نمی‌دانند چرا این ترکیب خاص از عناصر، در دمای اتاق ابررسانا هستند. تیم تحقیقاتی این پژوهش از گوگرد (سولفور) و کربن استفاده کرده و سپس هیدروژن به آن اضافه کردند تا هیدروژن سولفید (H₂S) و گاز متان (CH₄) تولید شود.

این مواد شیمیایی سپس میان دو سندان الماسی قرار گرفته و فشرده شدند. پس از آن نیز چند ساعت در مقابل یک لیزر سبز قرار گرفتند تا پیوند گوگرد-گوگرد آنها شکسته شود. این تمام اطلاعات بدست آمده از این پژوهش است. اما متاسفانه مشخص کردن ترکیب دقیق ماده‌ی مذکور کاری بسیار پیچیده بوده و هنوز هم این ترکیب به‌صورت دقیق تعیین نشده است.

حضور سندان الماسی، کار با اشعه‌ی X را غیرممکن کرده و تکنولوژی‌های دیگر شناسایی مواد که به این اشعه نیاز ندارند نیز قادر به شناسایی اتم‌های هیدروژن در شبکه‌های اتمی نیستند. همین امر موجب شده حتی کاشفان این ماده نیز از درک کامل اکتشاف خود باز بمانند.

مشکل دوم توسعه‌ی این تکنولوژی نیز پیچیدگی و پر هزینه بودن تولید این ماده است؛ برای رسیدن به حالت ابررسانایی در این ماده به حدود 2.5 میلیون اتمسفر، فشار نیاز است. برای درک این رقم سرسام‌آور لازم است بدانید که این رقم به اندازه‌ی حدود 75 درصد از فشار موجود در هسته‌ی زمین (3.6 میلیون اتمسفر) بوده و ایجاد آن روی کره‌ی زمین بسیار سخت است. برای مثال اگر روی سیاره‌ی مشتری قرار داشتیم، رسیدن به این فشار بسیار آسان‌تر بود اما مشکل این راه حل نیز غیر قابل زیست بودن سیاره‌ی مشتری است.

در این رابطه بخوانید:

- شرکت IBM دوباره رکورد قدرتمندترین رایانه کوانتومی دنیا را شکست
- مرکز تحقیقات مخابرات ایران به دنبال ساخت رایانه کوانتومی با فناوری ابر رسانا
- کشف یک ابررسانای شگفت‌ انگیز برپایه فلز رنیوم
- نظریه جنجالی یک فیزیکدان: ما قبل از انفجار بزرگ در یک دنیای دیگر زندگی می‌کردیم

در هر صورت این پژوهش ثابت می‌کند ابررساناهایی وجود دارند که در دمای اتاق هم این خاصیت خود را حفظ می‌کنند. این ماده‌ی جدید در دماهای 50 درجه فارنهایت بالاتر از ابررساناهای قبلی کار می‌کند و این امر پیشرفت بسیار چشم‌گیری محسوب می‌شود.

هرچند فشار مورد نیاز برای ابررسانا کردن این ماده، استفاده‌ی عملی و تجاری از آن را غیر ممکن می‌کند، اما حالا حداقل می‌دانیم که چنین موادی وجود دارند. از این پس می‌توان روش‌های مختلف برای حل این مشکل را آزمود و راهکاری برای حل آن ارائه کرد.