دانشمندان به تازگی ابررساناها را فراتر از حد معمول فعلی خود فشار دادند

ابررساناها از جمله قابل توجه ترین مواد در فیزیک کوانتومی هستند. هنگامی که مواد خاصی در زیر یک دمای انتقال خاص خنک می شوند، مقاومت الکتریکی آنها از بین می رود. سپس برق می تواند بدون از دست دادن انرژی به عنوان گرما از آنها عبور کند.

این به این دلیل اتفاق می افتد که الکترون ها جفت های همبسته ای به نام جفت کوپر را تشکیل می دهند. این جفت ها به جای حرکت مستقل، به طور جمعی عمل می کنند، تا حدودی مانند موجی که از مواد عبور می کند. این ویژگی غیرمعمول ابررساناها را برای کاربردهایی از جمله آهنرباهای قدرتمند، آشکارسازهای بسیار حساس و مدارهای کوانتومی امیدوارکننده می کند.

اما ابررسانایی نمی تواند جریان الکتریکی نامحدود را تحمل کند. هنگامی که جریان بیش از حد بزرگ می شود، حالت ابررسانا شروع به شکست می کند. جریان بحرانی یک ماده، حداکثر جریانی را که می تواند قبل از ظاهر شدن مقاومت و اتلاف انرژی حمل کند، توصیف می کند.

در ابررساناهای نوع II، جریان بحرانی اندازه‌گیری شده در آزمایش‌ها اغلب محدودیت میکروسکوپی واقعی خود ابررسانایی را منعکس نمی‌کند. در عوض، شکست معمولا با حرکت گردابه‌ها، مناطق کوچکی که شار مغناطیسی می‌تواند از مواد عبور کند، ایجاد می‌شود.

با افزایش جریان، این گرداب ها می توانند شروع به حرکت کنند. حرکت آنها باعث ایجاد مقاومت الکتریکی و تولید گرما می شود که در نهایت می تواند حالت ابررسانا را از بین ببرد.

ابررساناها در واقع دارای یک حد اساسی بالاتری هستند که به عنوان جریان قطع کننده شناخته می شود. Eryin Wang، نویسنده اصلی این مطالعه توضیح می‌دهد: «یکی از راه‌های تصویر کردن آن این است که جریان، فاز حالت کوانتومی منسجم ابررسانا را «پیچانده» می‌کند، مانند پیچیدن یک فنر.

اگر این حالت کوانتومی بیش از حد پیچ ​​خورده باشد، ناپایدار می شود. در آن نقطه، جفت های کوپر مسئول ابررسانایی شروع به از هم پاشیدن می کنند. اندازه‌گیری‌های معمولی انتقال جریان مستقیم (DC) به ندرت به این حد ذاتی می‌رسند، زیرا گرداب‌های متحرک و گرمایش معمولا ابتدا ابررسانایی را مختل می‌کنند.

محققان راهی را برای دور زدن این مشکل با ایجاد انفجارهای بسیار کوتاه جریان الکتریکی ایجاد کردند.

ارین وانگ می گوید: «استراتژی ما پیشی گرفتن از دینامیک گرداب بود.

گرداب ها می توانند با سرعت ده ها کیلومتر در ثانیه حرکت کنند، اما در طول یک پیکو ثانیه فقط ده ها نانومتر حرکت می کنند. با اعمال جریان برای یک دوره بسیار کوتاه، محققان می توانند چگالی جریان را به سطوح بسیار بالایی برسانند قبل از اینکه گرداب ها زمان کافی برای حرکت قابل توجه یا گرم کردن مواد داشته باشند.

این امر اتلاف انرژی ناشی از حرکت گردابی را به شدت کاهش می‌دهد و به محققان اجازه می‌دهد تا حالت ابررسانا را به حد جریان اصلی آن نزدیک‌تر کنند.

برای تولید این جریان های استثنایی کوتاه، تیم از یک پلت فرم حمل و نقل الکتریکی فوق سریع که در MPSD توسعه یافته است، استفاده کرد.

Guido Meier، یکی از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: «برای اعمال جریان به ابررساناها تنها برای چند پیکوثانیه، از پلت‌فرم حمل‌ونقل الکتریکی فوق‌سرعتی که در مؤسسه خود توسعه داده‌ایم استفاده کردیم.

این سیستم از سوئیچ های رسانای نوری استفاده می کند که توسط پالس های لیزر سبز 300 فمتوثانیه ای با طول موج 515 نانومتر راه اندازی می شوند. پس از فعال شدن، سوئیچ ها پالس های الکتریکی تولید می کنند که تنها چند پیکو ثانیه طول می کشد. این پالس‌ها در امتداد یک موجبر همسطح حرکت می‌کنند و سپس از نمونه‌های ابررسانا به اندازه میکرومتر عبور می‌کنند.

محققان دو ماده NbN و YBCO را آزمایش کردند، زیرا آنها اشکال اساسی متفاوتی از ابررسانایی را نشان می دهند. NbN دارای یک شکاف انرژی ابررسانای نسبتا یکنواخت (s-wave) است، در حالی که YBCO دارای یک شکاف انرژی است که بسته به جهت (موج d) به شدت تغییر می کند.

مطالعه هر دو ماده به محققان اجازه داد تا بررسی کنند که چگونه ساختار میکروسکوپی حالت ابررسانا بر آنچه در هنگام اعمال جریان های بسیار قوی و فوق سریع روی می دهد، تأثیر می گذارد.

NbN به شدت ابررسانا باقی ماند تا اینکه جریان به آستانه مشخصی رسید که بسیار بالاتر از جریان بحرانی DC معمولی بود. هنگامی که جریان از این نقطه عبور کرد، واکنش ماده به طور ناگهانی تغییر کرد، نشانه‌ای از اینکه جفت‌های کوپر آن شروع به جدا شدن کردند.

YBCO به روشی بسیار متفاوت رفتار کرد. به جای اینکه پایدار بماند و سپس ناگهان از کار بیفتد، حالت ابررسانایی آن به تدریج با افزایش جریان ضعیف شد.

محققان این تفاوت را به ساختار داخلی متمایز این دو ماده نسبت می دهند. در NbN، شکاف انرژی ابررسانا تقریبا در هر جهت برابر است. با این حال، در YBCO، شکاف به طور قابل توجهی با جهت تغییر می کند و به طور کامل در امتداد جهت های خاص ناپدید می شود. این ساختار به ابررسانایی در YBCO اجازه می‌دهد به‌جای فروپاشی در یک آستانه کاملا مشخص، به تدریج تضعیف شود.

آندریا کاوالری، سرپرست گروه تحقیقاتی، می‌گوید: «نتایج ما نشان می‌دهد که انتقال پیکوثانیه می‌تواند دسترسی به ویژگی‌های میکروسکوپی ابررساناها، از جمله تقارن شکاف آنها را فراهم کند، که مستقیما از انتقال DC معمولی در دسترس نیست.»

محققان باید طیف وسیع تری از مواد ابررسانا را مطالعه کنند تا مشخص کنند این رابطه تا چه حد گسترده است.

به طور کلی، نتایج نشان می‌دهد که پالس‌های الکتریکی بسیار کوتاه می‌توانند اشکال انتقال ابررسانا را که معمولا توسط اثرات کندتر مانند حرکت گردابی و گرمایش پنهان می‌شوند، آشکار کنند. با کار بر روی مقیاس های زمانی قابل مقایسه با خود حالت ابررسانا، دانشمندان ممکن است راه های جدیدی برای بررسی و کنترل این مواد کوانتومی به دست آورند.

این رژیم جدید در دسترس از ابررسانایی جریان فوق‌العاده می‌تواند پیامدهایی برای اپتوالکترونیک و به طور بالقوه برای دستگاه‌های مغناطیسی داشته باشد.

مواد ارائه شده توسط موسسه ماکس پلانک برای ساختار و دینامیک ماده. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

یک سیگنال مغزی شگفت انگیز می تواند توضیح دهد که چرا خوردن پروتئین کمتر باعث افزایش طول عمر می شود

مصرف کنندگان شاهدانه بیشتر احتمال دارد مرتکب خشونت شوند و خشونت را تجربه کنند، مطالعه کنید

دانشمندان از هم پاشیدگی قمرها را شبیه سازی کردند - و چیزی غیرمنتظره پیدا کردند

DNA سرکش سرطان دارای پاشنه آشیل است - و دانشمندان به تازگی آن را پیدا کردند