راز ابر رسانا ها

راز ابر رسانا ها: قانون قدیمی فیزیک آزمون زمان را در معمای مواد کوانتومی انجام می دهد

راز ابر رسانا ها – این نتیجه شگفت‌ انگیز برای درک ابر رسانا های غیر متعارف و سایر مواد که در آن الکترون‌ ها به هم متصل می‌ شوند تا به طور جمعی عمل کنند، مهم است.

این نتیجه شگفت‌انگیز برای درک ابررساناهای غیر متعارف و سایر مواد که در آن الکترون‌ها به هم متصل می‌شوند تا به طور جمعی عمل کنند، مهم است.

مدت ها قبل از اینکه محققان الکترون و نقش آن در تولید جریان الکتریکی را کشف کنند، آنها از الکتریسیته می دانستند و در حال بررسی پتانسیل آن بودند.

 چیزی که آنها در اوایل آموختند این بود که فلزات رسانای عالی الکتریسیته و گرما هستند.

کشف قانون Wiedemann-Franz

در سال 1853، دو دانشمند نشان دادند که این دو ویژگی تحسین برانگیز فلزات به نحوی با هم مرتبط هستند: در هر دمای معین، نسبت رسانایی الکترونیکی به رسانایی گرمایی در هر فلزی که آنها آزمایش کردند تقریباً یکسان بود.

 این قانون به‌ اصطلاح ویدمان-فرانتس از آن زمان تاکنون برقرار بوده است – به جز در مواد کوانتومی، که در آن الکترون‌ها مانند ذرات منفرد رفتار نمی‌کنند و با هم تبدیل به نوعی سوپ الکترونی می‌شوند.

 اندازه‌گیری‌های تجربی نشان داده‌اند که قانون 170 ساله در این مواد کوانتومی شکسته می‌شود.

یک تصویر نشان می‌دهد که الکترون‌های با تعامل قوی حامل گرما و بار از مناطق گرم‌تر به سردتر یک ماده کوانتومی هستند.

 یک مطالعه نظری توسط SLAC، استنفورد و دانشگاه ایلینویز نشان داد که نسبت انتقال گرما به انتقال بار در کپرات‌ها – مواد کوانتومی مانند این، که در آن الکترون‌ها به هم می‌تابند و به طور مشترک عمل می‌کنند – باید مشابه نسبت فلزات معمولی باشد.

جایی که الکترون ها به صورت فردی رفتار می کنند. این نتیجه شگفت انگیز این ایده را که قانون 170 ساله ویدمان-فرانتس در مورد مواد کوانتومی صدق نمی کند را باطل می کند.

بینش جدید در مورد مواد کوانتومی

اکنون، یک استدلال نظری که توسط فیزیکدانان آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC وزارت انرژی، دانشگاه استنفورد و دانشگاه ایلینویز ارائه شده است، نشان می‌دهد که قانون باید در واقع تقریباً برای یک نوع ماده کوانتومی – ابررساناهای اکسید مس، یا کوپرات ها که در دماهای نسبتاً بالا جریان الکتریکی را بدون تلفات هدایت می کنند.

در مقاله ای که در 30 نوامبر در ژورنال Science منتشر شد ، آنها پیشنهاد کردند که اگر فقط الکترون های موجود در کوپرات ها را در نظر بگیریم، قانون ویدمان-فرانتس همچنان باید تقریباً برقرار باشد.

 آنها پیشنهاد می‌ کنند که عوامل دیگری، مانند ارتعاشات در شبکه اتمی ماده، باید نتایج تجربی را در نظر بگیرند که به نظر می‌ رسد قانون اعمال نمی‌ شود.

آشنایی با ابررساناهای غیر متعارف

ون وانگ، نویسنده اصلی مقاله و دانشجوی دکترا در موسسه علوم مواد و انرژی استنفورد (SIMES) در SLAC، گفت: این نتیجه شگفت‌ انگیز برای درک ابر رسانا های غیر متعارف و سایر مواد کوانتومی مهم است.

وانگ گفت: «قانون اصلی برای موادی ایجاد شد که الکترون‌ها به‌طور ضعیفی با یکدیگر برهمکنش می‌کنند و مانند توپ‌های کوچکی رفتار می‌کنند که از نقص در شبکه مواد منعکس می‌شوند».

 ما می‌ خواستیم قانون را از نظر تئوری در سیستم‌ هایی آزمایش کنیم که هیچ‌ یک از این موارد درست نبود.»

پوست کندن پیاز کوانتومی

مواد ابررسانا که جریان الکتریکی را بدون مقاومت حمل می‌کنند، در سال 1911 کشف شدند. اما آنها در دماهای بسیار پایینی کار می‌کردند که کاربردشان کاملاً محدود بود.

این در سال 1986 تغییر کرد، زمانی که اولین خانواده ابررساناهای به اصطلاح با دمای بالا یا نامتعارف – cuprates – کشف شد.

 اگرچه کوپرات ها هنوز به شرایط بسیار سرد نیاز دارند تا جادوی خود را انجام دهند، کشف آنها این امید را ایجاد کرد که ابر رسانا ها می توانند روزی در دمای بسیار نزدیکتر به دمای اتاق کار کنند و فناوری های انقلابی مانند خطوط برق بدون تلفات را ممکن می کند.

پس از نزدیک به چهار دهه تحقیق، این هدف هنوز دست نیافتنی است، اگرچه پیشرفت‌های زیادی در درک شرایطی که در آن حالت‌های ابررسانا وارد و خارج می‌شوند، صورت گرفته است.

نقش مطالعات نظری و مدل هابارد

مطالعات نظری که با کمک ابررایانه‌های قدرتمند انجام شده است، برای تفسیر نتایج آزمایش‌ها روی این مواد و برای درک و پیش‌بینی پدیده‌هایی که دور از دسترس تجربی هستند، ضروری بوده است.

برای این مطالعه، تیم SIMES شبیه‌سازی‌هایی را بر اساس آنچه به عنوان مدل هوبارد شناخته می‌شود، اجرا کرد، که به ابزاری ضروری برای شبیه‌سازی و توصیف سیستم‌هایی تبدیل شده است که در آن‌ها الکترون‌ها به‌طور مستقل عمل نمی‌کنند و برای تولید پدیده‌های غیرمنتظره به نیروها می‌پیوندند.

وانگ گفت: نتایج نشان می دهد که وقتی فقط انتقال الکترون را در نظر می گیریم، نسبت رسانایی الکترونیکی به رسانایی گرمایی به چیزی نزدیک می شود که قانون ویدمان-فرانتس پیش بینی می کند.

 او گفت: «بنابراین، اختلاف‌ هایی که در آزمایش‌ ها دیده شده است باید ناشی از چیزهای دیگری مانند فونون یا ارتعاشات شبکه باشد که در مدل هابارد نیستند.

جهت گیری های تحقیقاتی آینده

برایان موریتز، دانشمند کارمند SIMES و یکی از نویسندگان مقاله، گفت که اگرچه این مطالعه چگونگی ایجاد ارتعاشات را بررسی نکرد، “به نحوی سیستم هنوز می داند که این مطابقت بین بار و انتقال گرما در بین الکترون ها وجود دارد. این شگفت‌ انگیزترین نتیجه بود.»

راز ابر رسانا ها

مهندس حمید تدینی: نویسنده و وبلاگ نویس مشهور، متخصص در زبان برنامه نویسی و هوش مصنوعی و ساکن آلمان است. مقالات روشنگر او به پیچیدگی های این زمینه ها می پردازد و به خوانندگان درک عمیقی از مفاهیم پیچیده فناوری ارائه می دهد. کار او به دلیل وضوح و دقت مشهور است.