توسط دانشگاه صنعتی دلف
دانشیار مظهر علی و گروه تحقیقاتی او در TU Delft ابررسانایی یکطرفه، بدون میدان مغناطیسی را کشف کرده اند. چیزی که از زمان کشف آن در سال 1911 تا کنون، تصور می‌شد غیرممکن باشد. این اکتشاف که در مجلۀ Nature منتشر شده است، از مواد کوانتومی دو بعدی استفاده و راه را برای محاسبات ابررسانا هموار می‌کند. ابررساناها می‌توانند با اتلاف انرژی صفر، علم الکترونیک را صدها برابر سریع‌تر کنند. دکتر علی:« اگر قرن بیستم قرن نیمه هادی‌ها بود، قرن بیست‌و‌یکم می‌تواند قرن ابررساناها شود.« در طول قرن بیستم، بسیاری از دانشمندان نظیر برندگان جایزۀ نوبل، در مورد ماهیت ابررسانایی که توسط فیزیک‌دان هلندی کامرلینگ اونز در سال 1911 کشف شد، متحیر شدند. در ابررساناها، جریان بدون هیچ مقاومتی از سیم عبور می‌کند؛ به معنای آن است که مهار این جریان یا حتی مسدود کردن آن به سختی امکان‌پذیر است، چه رسد به اینکه جریان فقط از یک سمت عبور کند. اینکه گروه دکتر علی موفق شد ابررسانا را یکطرفه کند برای محاسبات ضروری به حساب می‌آید. شایان ذکر است که می‌توان آن را با اختراع نوع خاصی از یخ مقایسه کرد؛مشابه زمانیکه هنگام اسکیت‌بازی از یک طرف اصطکاک صفر، اما از طرف دیگر اصطکاکی غیرقابل عبور را جود می آورد.
ابررسانا : فوق سریع، فوق‌العاده سبز
مزایای استفاده از ابررساناها در الکترونیک دوچندان است. ابررساناها می‌توانند دانش الکترونیک را صدها برابر سریع‌تر کنند. همچنین استفاده از ابررساناها در زندگی روزمرۀ ما، فناوری اطلاعات را بسیار سبزتر می‌کند؛ اگر بخواهیم یک سیم ابررسانا را از زمین به ماه بچرخانیم، انرژی را بدون اتلاف منتقل می‌کند. به عنوان مثال: استفاده از ابررساناها به جای نیمه‌هادی‌های معمولی ممکن است تا 10 درصد از کل ذخایر انرژی غرب را با توجه به NWO ایمن کند.
(عدم) امکان اعمال ابررسانا
در قرن بیستم و پس از آن، هیچکس نمی‌توانست با این مشکل که حرکت الکترون‌های ابررسانا فقط در یک جهت است، مقابله کند. این یک ویژگیِ اساسی است که برای محاسبات و مباحث الکترونیک مدرن مورد نیاز است (برای مثال، دیودهایی را در نظر بگیرید که یکطرفه هستند). در هادی معمولی، الکترونها به صورت ذرات جداگانه به اطراف پرواز می‌کنند؛ اما در ابررساناها الکترونها به صورت جفتی حرکت می‌کنند بدون اینکه انرژی الکتریکی‌ای از دست برود. در دهۀ 70 میلادی، دانشمندان IBM ، ایدۀ محاسبات ابررسانا را امتحان کردند؛ اما مجبور شدند تلاش‌های خود را متوقف کنند. آنها در مقالات خود به این موضوع اشاره می‌کنند که بدون ابررسانایی دوطرفه، ساخت رایانه‌ای که بر روی ابررساناها کار کند، غیرممکن است.
مصاحبه با مظهر علی نویسندۀ مسئول
س : چرا وقتی جهت یکطرفه با نیمه‌هادی معمولی کار می‌کند، ابررسانایی یکطرفه هرگز قبلا کار نکرده است؟
رسانایی الکتریکی، در نیمه‌هادی‌ها مانند سیلیسیم، به دلیل وجود یک دوقطبیِ الکتریکیِ داخلیِ ثابت، می‌تواند یکطرفه باشد. نمونۀ موجود در کتاب مرجع، پیوند معروف pn است. وقتی که دو نیمه‌هادی را به هم می‌چسبانیم، یکی دارای الکترون‌های اضافی (-) و دیگری دارای حفره‌های اضافی (+) است. جداسازی بار، شبکه‌ای را به وجود می‌آورد که باعث ایجاد پتانسیلی می‌شود که الکترون در حال حرکت در سیستم را احساس می‌کند. این موضوع تقارن را برهم می‌زند و می‌تواند منجر به ایجاد مشخصۀ یکطرفه شود. برای مثال حرکت رو به جلو و عقب دیگر یکسان نیستند. حرکت در جهت مشابه حرکت دوقطبی با حرکت خلاف جهت تفاوت دارد؛ شبیه زمانی که در جهت و یا خلاف جهت رودخانه شنا می‌کنید. ابررساناها هرگز شباهتی به این ایدۀ یک جهتۀ بدون میدان مغناطیسی نداشتند؛ از آنجایی که آنها بیشتر به فلزات (هادی‌ها) مرتبط هستند تا نیمه‌هادی‌هایی که همیشه در هر دو جهت هدایت می‌کنند و پتانسیل خاصی ندارند. به طور مشابه، اتصالات جوزفسون که ساندویچ‌هایی از دو ابررسانا با مواد مانع کلاسیک غیر ابررسانا در بین ابررساناها هستند، مکانیسم خاصی برای شکستن تقارن که منجر به تفاوت بین حرکت رو به جلو و عقب شود، نداشتند.
س : چگونه توانستید کاری را انجام دهید که در ابتدا غیرممکن به نظر می رسید؟
این در واقع نتیجۀ یکی از جهت‌گیری‌های تحقیقاتی بنیادی گروه من بود. در آنچه که اتصالات جوزفسون مواد کوانتومی مینامیم، ما مواد مانع کلاسیک در اتصالات جوزفسون را با یک ماده مانع کوانتومی جایگزین می‌کنیم. اینجاست که خواص ذاتی مواد کوانتومی می‌تواند جفت‌شدن بین دو ابررسانا را به روش‌های جدید تعدیل کند. دیود جوزفسون نمونه‌ای از این بود؛ ما از مادۀ کوانتومی Nb3Br8 ، به عنوان مانع مادۀ کوانتومی انتخابی خود استفاده کردیم که یک مادۀ دو‌بعدی مانند گرافن است که به شکل تئوری درآمده و میزبان یک دوقطبی خالص الکتریکی است که آن را بین دو ابررسانا قرار دادیم . ما توانستیم فقط چند لایۀ اتمی از این Nb3Br8 را جدا کنیم و یک ساندویچ بسیار نازک و فقط چند لایۀ اتمی ضخیم بسازیم که برای ساخت دیود جوزفسون مورد نیاز بود و با مواد سه‌بعدی معمولی امکان پذیر نبود. Nb3Br8 بخشی از یک گروه جدید از مواد کوانتومی است که توسط همکاران ما، پروفسور تایرل مک کوئینز و گروهش، در دانشگاه جانز هاپکینز در ایالات متحده در حال توسعه است و یک قطعۀ کلیدی در درک ما از دیود جوزفسون برای اولین بار بود.
س : این کشف از نظر تأثیر و کاربرد به چه معناست؟
بسیاری از فناوری‌ها مثل MRI مبتنی بر نسخه‌های قدیمی ابررساناهای جوزفسون هستند. همچنین امروزه محاسبات کوانتومی بر اساس اتصالات جوزفسون است. فناوری‌ای که قبلاً فقط با استفاده از نیمه‌هادی‌ها امکان‌پذیر بود، اکنون می‌تواند با استفاده از ابررساناها و این بلوک ساخته شود. درنتیجه، رایانه‌های سریع‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌تری خواهیم داشت؛ مانند رایانه‌هایی با سرعت تراهرتز که 300 تا 400 برابر سریع‌تر از رایانه‌هایی است که اکنون از آنها استفاده می‌کنیم. این امر بر انواع کاربردهای اجتماعی و فناوری تأثیر خواهد گذاشت. "اگر قرن بیستم قرن نیمه هادی‌ها بود، قرن بیست و یکم می‌تواند به قرن ابررسانا تبدیل شود." اولین جهت تحقیقاتی که برای کاربرد تجاری باید به آن بپردازیم، افزایش دمای عملیاتی است. در اینجا ما از یک ابررسانای بسیار ساده استفاده کردیم که دمای عملیاتی را محدود می‌کرد. اکنون می‌خواهیم با ابررساناهای معروف موسوم به High Tc کار کنیم و ببینیم که آیا می‌توانیم دیودهای جوزفسون را در دمای بالای ۷۷ کلوین به کار بگیریم؟ زیرا این مسئله امکان خنک‌سازی نیتروژن مایع را فراهم می‌کند. دومین موردی که باید به آن پرداخته شود، مقیاس‌بندی تولید است. با اینکه بسیار خوب است که ما این کار را در دستگاه‌های نانویی ثابت کردیم؛ اما فقط تعداد انگشت‌شماری از آن را ساختیم. گام بعدی، بررسی چگونگی مقیاس تولید به میلیون‌ها دیود جوزفسون روی یک تراشه خواهد بود.
س : چقدر از نمونه خود مطمئن هستید؟
چندین مرحله وجود دارد که همۀ دانشمندان برای حفظ دقت علمی باید انجام دهند. اولین مورد این است که مطمئن شوید نتایج آنها قابل تکرار هستند. در این مورد، ما بسیاری از دستگاه‌ها را از ابتدا با مجموعه‌های مختلف مواد ساختیم و هر بار خواص یکسانی پیدا کردیم؛ حتی زمانی که دستگاه‌های مختلف در کشورهای مختلف و توسط افراد مختلف اندازه‌گیری شد. این مشاهدات بیان می‌کند که نتیجۀ دیود جوزفسون از ترکیب مواد ما ناشی می‌شود و نه نتیجۀ ساختگی ناشی از خاک، هندسه، سیستم، خطا یا تفسیر کاربر. ما همچنین آزمایش‌هایی برای مشخص شدن اثر عوامل مختلف انجام دادیم که احتمال تفسیر اشتباه را به طور چشم‌گیری کاهش می‌دهد. در این مورد، برای اطمینان از اینکه نتیجۀ آزمایش اثر دیود ابررسانا است، در واقع سعی کردیم دیود را تغییر دهیم. به عنوان مثال، همان مقدار جریان را در جهت جلو و عقب اعمال کردیم و نشان دادیم که در یک جهت هیچ مقاومتی (ابررسانایی) را نشان نداده و در جهت دیگر مقاومت واقعی (رسانایی عادی) اندازه‌گیری می‌شود. ما همچنین این اثر را هنگام اعمال میدان‌های مغناطیسی با بزرگی‌های مختلف اندازه‌گیری کردیم و نشان دادیم که این اثر به وضوح در هنگام اعمال میدان با بزرگی صفر هم وجود دارد و توسط یک میدان اعمال‌شده حذف می‌شود. انجام این آزمایش اثباتی بر ادعای ما در مورد داشتن اثر دیود ابررسانا در میدان اعمال شده با بزرگی صفر بوده که نکته‌ای بسیار مهم برای کاربردهای تخصصی است؛ زیرا کنترل و محدود کردن میدان‌های مغناطیسی در مقیاس نانومتری بسیار دشوار است. بنابراین برای کاربردهای عملی، اغلب مطلوب است که بدون نیاز به میدان‌های مغناطیسیِ محلی عمل کنند.
س : آیا استفاده از ابررسانا برای رایانه‌های معمولی یا حتی ابررایانه های KNMI و IBM واقع‌بینانه است؟
بله همینطور است! البته نه برای افراد در خانه، بلکه برای مزارع سرور (server farm) یا برای ابررایانه‌ها پیاده‌سازی این امر هوشمندانه خواهد بود. محاسبات متمرکز، روشی است که جهان امروزی با آن کار می‌کند. تمام محاسبات فشرده در تاسیسات متمرکز انجام می‌شود که در آنها، متمرکزسازی مزایای زیادی از نظر مدیریت توان، گرما و غیره خواهد داشت. زیرساخت‌های موجود را می‌توان بدون هزینۀ هنگفت، برای کار با الکترونیک مبتنی بر دیود جوزفسون سازگار کرد. اگر بر چالش‌های مطرح شده در بقیه سوالات غلبه شود، یک شانس بسیار واقعی وجود دارد که این اکتشاف، تاسیسات متمرکز و ابررایانه‌ها را متحول کند.
ترجمه خبر: عادله پورصادق
منبع :
https://phys.org/news/2022-04-discovery-one-way-superconductor-thought-impossible.amp