آرزوی دیرین دانشمندان برای کشف یک ابررسانا با کارآیی در دمای اتاق

موضوع کشف یک ماده ابررسانا که در دمای اتاق کارآیی داشته باشد، از اوایل قرن بیستم تاکنون مطرح شده‌ اما دانشمندان هنوز ابررسانایی را پیدا نکرده‌اند که قطعا در دمای اتاق کار کند و این یک مشکل بزرگ است.

اگر تا پیش از سال 2023 در مورد ابررساناها چیزی نشنیده بودید، به احتمال زیاد اکنون می‌دانید که چه هستند زیرا پژوهشگران در اوایل سال جاری، ادعاهای جدیدی را در مورد ابررساناهایی مطرح کردند که در دمای اتاق کار می‌کنند. در هر حال، هیچ کدام از این ادعاها به صورت قطعی ثابت نشده‌اند و مقاله‌ای که توسط پژوهشگران «دانشگاه راچستر»(University of Rochester) در مجله «نیچر»(Nature) به چاپ رسیده بود، به درخواست نویسندگان در ماه نوامبر پس گرفته شد.

مطرح شدن موضوع کشف یک ماده ابررسانا که بتواند در دمای اتاق کار کند، موضوع جدیدی نیست.

ابررساناها در حال حاضر فقط می‌توانند در دماهای بسیار سرد کار کنند. بنابراین، یافتن دستگاهی که بتواند در دمای اتاق و بدون نیاز به نگهداری در فضای سرد کارآیی داشته باشد، می‌تواند همه چیز را از شبکه‌های برق و تجهیزات پزشکی گرفته تا محاسبات کوانتومی متحول کند اما فیزیک‌دانان ابتدا باید چگونگی کارکرد آنها را بفهمند.

یک فیزیک‌دان هلندی در اوایل قرن بیستم، پدیده ابررسانایی را کشف کرد و آزمایشگاه‌های سراسر جهان از آن زمان، موادی را آزمایش کردند که می‌توانند در دماهای گرم‌تر به حالت ابررسانایی برسند.

چگونه این مواد می‌توانند الکتریسیته را بدون مقاومت هدایت کنند و چه نوع احتمالات فناورانه‌ای وجود دارند که کمک می‌کنند تا ابررساناها هر سال بهبود ‌یابند؟ در این گزارش، سه پژوهش از آرشیو مجله «The Conversation» آورده شده است که تاریخ، علم و آینده این پدیده فیزیکی باورنکردنی را بررسی کرده‌اند.

1. فیزیک ورای ابررسانایی

چگونه ممکن است حتی یک جریان با مقاومت الکتریکی صفر تولید شود؟ برای انجام دادن این کار باید فلز رسانا واقعا سرد نگه داشته شود و دما حتی به صدها درجه زیر صفر برسد.

«مشکات باتاچاریا»(Mishkat Bhattacharya) فیزیک‌دان «مؤسسه فناوری راچستر»(RIT) نوشت: در دماهای معمولی، الکترون‌ها در مسیرهایی حرکت می‌کنند که تا حدی نامنظم هستند. آنها به طور کلی می‌توانند برای حرکت آزادانه در یک سیم موفق شوند اما هر چند وقت یک بار با هسته‌های ماده برخورد می‌کنند. وقوع این برخوردها همان چیزی است که جریان الکترون‌ها را مسدود می‌کند و باعث مقاومت کردن و گرم شدن مواد می‌شود.

هسته همه اتم‌ها معمولا به طور مداوم ارتعاش دارند و می‌توانند به یکدیگر برخورد کنند. در مواد ابررسانا، الکترون‌های در جریان از یک اتم به اتم دیگر می‌روند و با همان فرکانس ارتعاش هسته‌ اتم‌های فلز ابررسانا، به ارتعاش درمی‌آیند. این بدان معناست که آنها به جای برخورد و تولید گرما، به صورت صاف و هماهنگ حرکت می‌کنند و این دمای سرد است که امکان چنین حرکت هماهنگی را فراهم می‌آورد.

2. یک قرن ابررسانایی

جیوه اولین ماده‌ای بود که در سال 1911 توسط «هایک کامرلینگ اونس»(Heike Kamerlingh Onnes) به عنوان ابررسانا کشف شد. گروه اونس برای دیدن این اثر مجبور شدند هلیوم مایع را تا منفی 270 درجه سلسیوس خنک کنند. آنها سیم‌های ساخته‌شده از جیوه را برای ارسال جریان از میان مواد به کار بردند و سپس، اثر مقاومت الکتریکی را اندازه‌گیری کردند.

اونس و گروهش، آزمایش را چندین بار تکرار کردند تا مطمئن شوند اثری که مشاهده کرده‌اند واقعا پدیده ابررسانایی است. همچنین، آنها همه توضیحات احتمالی دیگر را برای این اثر عیب‌یابی کردند اما به همان نتیجه رسیدند. اونس پس از سه سال آزمایش توانست جریان‌هایی با مقاومت واقعا صفر را نشان دهد.

«دیوید نولتی»(David Nolte) فیزیک‌دان «دانشگاه پردو»(Purdue University) گفت: اثبات ابررسانایی همیشه دشوار بوده است زیرا برخی فلزات می‌توانند به عنوان ابررساناها ظاهر شوند. درس‌هایی که اونس یک قرن پیش آموخت، امروز هم مطرح هستند. اونس دریافت این اکتشافات مستلزم زمان، صبر و مهم‌تر از همه، اثبات جریان‌هایی هستند که هرگز متوقف نمی‌شوند.

3. آینده ابررسانا

یکی از مهم‌ترین کاربردهای ابررساناهای آینده که در دمای اتاق کار می‌کنند، کاهش دادن گرمای تلف‌شده وسایل الکترونیکی است. وسایل الکترونیکی مانند تلفن‌های همراه و رایانه‌ها نه تنها می‌توانند بسیار سریع‌تر و کارآمدتر کار کنند، بلکه در مقیاس بزرگتر حتی شبکه‌های برق، خطوط برق و مراکز داده نیز می‌توانند گرمای تلف‌شده خود را کاهش دهند. این می‌تواند یک پیروزی بزرگ برای محیط زیست باشد.

«پگور آیناجیان»(Pegor Aynajian) فیزیک‌دان «دانشگاه بینگهمتون»(Binghamton University) نوشت: اگر ما موفق به ساخت یک ابررسانا در دمای اتاق شویم، آن گاه می‌توانیم به میلیاردها دلاری بپردازیم که در گرمای هدررفته برای انتقال انرژی از نیروگاه‌ها به شهرها هزینه می‌شود. انرژی خورشیدی که در بیابان‌های خالی وسیع سراسر جهان جمع‌آوری می‌شود، می‌تواند بدون اتلاف انرژی ذخیره و منتقل شود تا انرژی شهرها را تامین کند و انتشار گازهای گلخانه‌ای را به طور چشمگیری کاهش دهد.

نوعی ابررسانا از جنس مواد سرامیکی که توسط دانشمندان شرکت «آی‌بی‌ام سوئیس»(IBM Schweiz) ساخته ‌شده است، می‌تواند راهی برای رسیدن به یک ابررسانا در دمای اتاق باشد. پیشتر نشان داده شده است که این دسته از مواد در دماهای بالاتر -هرچند هنوز سرد- نسبت به ابررساناهای معمولی مانند سیم‌های جیوه اونس، نزدیک‌تر به منفی 184 درجه سلسیوس کار می‌کنند.

در هر حال، اگرچه یک ابررسانا در دمای اتاق می‌تواند تجهیزات الکترونیکی و انتقال انرژی را متحول کند اما مواد مناسب هنوز در دست نیستند. به گفته آیناجیان، یک ابررسانای دمای اتاق به معنای واقعی کلمه، پرسش میلیون دلاری بعدی است.