UTe2، یک ابررسانا غیر متعارف که توسط محققان بین‌المللی مورد مطالعه قرار گرفته است، ابررسانایی منحصربه‌فردی را در میدان‌های مغناطیسی قوی نشان می‌دهد و پتانسیل فناوری جدیدی را ارائه می‌دهد.

در دماهای پایین به اندازه کافی، برخی از فلزات مقاومت الکتریکی خود را از دست می دهند و جریان الکتریکی را بدون تلفات هدایت می کنند. این اثر ابررسانایی بیش از صد سال است که شناخته شده است و برای ابررساناهای معمولی به خوبی شناخته شده است. با این حال، ابررساناهای غیر متعارف جدیدتر هستند که هنوز نحوه عملکرد آنها مشخص نیست.

یک تیم از Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)، همراه با همکاران موسسه تحقیقاتی فرانسوی CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternates)، از دانشگاه توهوکو در ژاپن و موسسه ماکس پلانک برای فیزیک شیمیایی جامدات در درسدن، در حال حاضر بینش جدیدی به دست آورده است. محققان آخرین یافته های خود را در مجله گزارش می دهند ارتباطات طبیعت. آنها می‌توانند توضیح دهند که چرا یک ماده جدید حتی در میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی ابررسانا باقی می‌ماند – خاصیتی که در ابررساناهای معمولی وجود ندارد، با پتانسیل برای فعال کردن کاربردهای فناوری که قبلاً تصور نمی‌شد.

ردیابی ابررسانایی غیر متعارف

«اورانیوم دیتلوراید یا UTe₂ دکتر تونی هلم از آزمایشگاه میدان مغناطیسی بالا درسدن (HLD) در HZDR می گوید: به طور خلاصه، در بین مواد ابررسانا در رتبه بالایی قرار دارد. همانطور که در سال 2019 کشف شد، این ترکیب الکتریسیته را بدون تلفات، اما به روشی متفاوت از ابررساناهای معمولی هدایت می کند.

از آن زمان، گروه های تحقیقاتی در سراسر جهان به این مواد علاقه مند شده اند. این شامل تیم هلم می شود که یک قدم به درک مطالب نزدیک تر شده اند.

این فیزیکدان توضیح می دهد: «برای درک کامل نویز اطراف ماده، باید نگاهی دقیق تر به ابررسانایی بیندازیم. «این پدیده نتیجه حرکت الکترون ها در ماده است. هر بار که اتم ها با هم برخورد می کنند، انرژی خود را به شکل گرما از دست می دهند. این خود را به عنوان مقاومت الکتریکی نشان می دهد. الکترون ها می توانند با مرتب کردن خود به صورت جفت، به اصطلاح جفت کوپر، از این امر جلوگیری کنند.

این زمانی است که دو الکترون در دماهای پایین با هم ترکیب می شوند و بدون اصطکاک در یک جامد حرکت می کنند. سپس از ارتعاشات اتمی اطراف خود به عنوان نوعی موج استفاده می کنند که می توانند بدون از دست دادن انرژی روی آن موج سواری کنند. این ارتعاشات اتمی ابررسانایی معمولی را توضیح می دهند.

این فیزیکدان می گوید: «با این حال، چندین سال است که ابررساناها نیز شناخته شده اند که در آنها جفت های کوپر با اثراتی که هنوز به طور کامل درک نشده اند، تشکیل می شوند. یکی از شکل‌های ممکن ابررسانایی غیر متعارف، ابررسانایی سه‌گانه اسپینی است. اعتقاد بر این است که از نوسانات مغناطیسی استفاده می کند.

هلم توضیح می‌دهد: «فلزاتی نیز وجود دارند که الکترون‌های رسانا در کنار هم قرار گرفته‌اند. آنها با هم می توانند مغناطیس ماده را با رفتار مانند یک ذره با جرم بسیار بزرگ برای الکترون ها حفظ کنند.

چنین مواد ابررسانایی به عنوان ابررساناهای فرمیون سنگین شناخته می شوند. یوته₂بنابراین، همانطور که آزمایش‌های فعلی نشان می‌دهند، می‌تواند هم یک سه‌گانه اسپین و هم یک ابررسانای فرمیونی سنگین باشد. علاوه بر این، این یک قهرمان سنگین وزن جهان است: تا به امروز، هیچ ابررسانای سنگین فرمیون دیگری شناخته نشده است که همچنان در میدان های مغناطیسی مشابه یا بالاتر ابررسانا باشد. این موضوع توسط مطالعه حاضر نیز تایید شد.

در برابر میدان های مغناطیسی بسیار قوی است

ابررسانایی به دو عامل بستگی دارد: دمای انتقال بحرانی و میدان مغناطیسی بحرانی. اگر دما به زیر دمای انتقال بحرانی برسد، مقاومت به صفر می رسد و ماده ابررسانا می شود. میدان های مغناطیسی خارجی نیز بر ابررسانایی تأثیر می گذارد. اگر آنها از یک مقدار بحرانی تجاوز کنند، اثر خراب می شود.

هلم گزارش می‌دهد: «فیزیک‌دانان یک قانون کلی برای این کار دارند: «در بسیاری از ابررساناهای معمولی، مقدار دمای انتقال در کلوین تقریباً یک تا دو برابر قدرت میدان مغناطیسی بحرانی در تسلا است. در ابررساناهای سه گانه اسپین، این نسبت اغلب بسیار بیشتر است.

با تحقیقات سنگین وزن UTE آنها₂اکنون محققان موفق شده اند این نوار را حتی بالاتر ببرند: در دمای انتقال 1.6 کلوین (271.55- درجه سانتیگراد)، قدرت میدان مغناطیسی بحرانی به 73 تسلا می رسد و نسبت را روی 45 تنظیم می کند – یک رکورد.

این فیزیکدان توضیح می دهد: «تا به حال، ابررساناهایی با فرمیون های سنگین برای کاربردهای فنی مورد توجه خاصی نبوده اند. آنها دمای انتقال بسیار پایینی دارند و تلاش لازم برای خنک کردن آنها نسبتاً زیاد است.

با این وجود، عدم حساسیت آنها به میدان های مغناطیسی خارجی می تواند این اشکال را جبران کند. این به این دلیل است که امروزه انتقال جریان بدون تلفات عمدتاً در آهنرباهای ابررسانا، به عنوان مثال در اسکنرهای تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) استفاده می شود. با این حال، میدان های مغناطیسی بر خود ابررسانا نیز تأثیر می گذارد. ماده ای که بتواند میدان های مغناطیسی بسیار قوی را تحمل کند و همچنان الکتریسیته را بدون تلفات هدایت کند، گام بزرگی به جلو خواهد بود.

درمان ویژه برای مواد خواستار

“مطمئنا، اوت₂ هلم می گوید که نمی توان از آن برای ساخت سیم برای یک آهنربای الکتریکی ابررسانا استفاده کرد. اولاً، خواص این ماده، آن را برای این تلاش نامناسب می‌سازد و ثانیاً رادیواکتیو است.» اما برای مطالعه فیزیک پشت ابررسانایی سه گانه اسپینی مناسب است.

بر اساس آزمایشات خود، محققان مدلی را توسعه دادند که می تواند توضیحی برای ابررسانایی با پایداری بسیار بالا در برابر میدان های مغناطیسی باشد. برای انجام این کار، آنها بر روی نمونه هایی با ضخامت چند میکرومتر – فقط کسری از ضخامت موی انسان (تقریباً 70 میکرومتر) کار کردند. بنابراین، تشعشعات رادیواکتیو ساطع شده از نمونه ها بسیار کمتر از پس زمینه طبیعی باقی می ماند.

هلم برای به دست آوردن و شکل دادن به چنین نمونه کوچکی از یک پرتو یونی با دقت بالا به قطر تنها چند نانومتر به عنوان ابزار برش استفاده می کند. یوته₂ یک ماده حساس به هوا است. بنابراین Helm آماده سازی نمونه ها را در خلاء انجام می دهد و سپس آنها را در چسب اپوکسی می بندد.

برای اثبات قطعی اینکه ماده ما یک ابررسانای سه گانه اسپینی است، باید آن را در حالی که در معرض میدان های مغناطیسی قوی قرار می گیرد، به صورت طیف سنجی مطالعه کنیم. با این حال، روش‌های طیف‌سنجی فعلی هنوز در میدان‌های مغناطیسی بالای 40 تسلا مشکل دارند. همراه با تیم های دیگر، ما همچنین در حال توسعه تکنیک های جدید هستیم. در نهایت، این به ما امکان می‌دهد تا مدرک قطعی ارائه کنیم.» هلم با اطمینان می‌گوید.

مرجع: ” جبران تبادل مغناطیسی ناشی از میدان به عنوان منبع احتمالی ابررسانایی مجدد در UTe2″ توسط تونی هلم، موتوی کیماتا، کنتا سودو، آتسوهیکو میاتا، جولیا استیرنات، توبیاس فورستر، یاکوب هورنونگ، مارکوس کونیگ، ایلیا شیکین، جرارد لاپرتو، دای آئوکی، گئورگ کنبل، یواخیم وسنیتزا و ژان پاسکال بریزون، 2 ژانویه 2024، ارتباطات طبیعت.
DOI: 10.1038/s41467-023-44183-1