نور تراهرتز دو گروه از ذرات محبوس شده در گرداب های ابررسانا را متمایز می کند

ویرایش شده توسط Swati Mestri، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

دانشمندان در راتگرز و استونی از نور نامرئی برای بررسی گرداب‌های مغناطیسی کوچک به نام گرداب‌ها در داخل یک ابررسانا استفاده کرده‌اند و جزئیاتی را آشکار می‌کنند که می‌تواند به محققان در توسعه مواد بهتر برای حمل الکتریسیته کمک کند.

مطالعه آنها که در Physical Review Letters منتشر شده است، دو گروه از ذرات به دام افتاده در این گرداب ها را متمایز می کند و ویژگی هایی را اندازه گیری می کند که تکنیک های معمولی نمی توانند به راحتی از هم جدا شوند.

گیرش بلومبرگ، استاد برجسته دپارتمان فیزیک و نجوم در دانشکده هنر و علوم راتگرز و یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: برای بهبود ابررساناها، دانشمندان باید بدانند گرداب ها شامل چه چیزی هستند و چگونه رفتار می کنند. "این مطالعه راه جدیدی برای نگاه کردن به درون آنها ارائه می دهد."

هر گرداب شامل جریان الکتریکی در اطراف یک هسته باریک است که در آن ابررسانایی ضعیف شده است. مواد اطراف ابررسانا باقی می مانند.

ابررساناها می توانند برق را بدون از دست دادن انرژی به عنوان گرما حمل کنند و برای ایجاد آهنرباهای قدرتمند در اسکنرهای MRI و شتاب دهنده های ذرات استفاده می شوند. اما میدان های مغناطیسی می توانند گرداب های کوچکی را در داخل بسیاری از ابررساناها ایجاد کنند. هنگامی که این گرداب ها حرکت می کنند، باعث اتلاف انرژی می شوند. درک محتویات و رفتار آنها می تواند به دانشمندان کمک کند موادی را بسازند که در میدان های مغناطیسی قوی عملکرد قابل اعتمادتری داشته باشند.

بلومبرگ گفت: "این مانند پنیر سوئیسی است که سوراخ های زیادی دارد."

"سوراخ" در این مقایسه گرداب ها هستند. ذرات محصور در درون آنها از قوانین فیزیک کوانتومی پیروی می کنند که ماده را در مقیاس های بسیار کوچک اداره می کند.

در سال 1964، فیزیکدانان پیش بینی کردند که این ذرات به دام افتاده سطوح انرژی جداگانه ای را اشغال خواهند کرد. سطوح شبیه پله های یک نردبان است. یک ذره می تواند با جذب مقدار مناسب انرژی از یک سطح مجاز به سطح دیگر حرکت کند.

آزمایش های قبلی این حالت ها را شناسایی کرده بود. بلومبرگ و همکارانش می خواستند در مورد انتقال بین آنها بیشتر بیاموزند و سهم گروه های مختلف ذرات را تشخیص دهند.

یافتن مواد مناسب ضروری بود. در بسیاری از ابررساناهای معمولی، سطوح انرژی به قدری نزدیک به هم هستند که سیگنال های آنها تار می شود. ابررساناهای مبتنی بر آهن که تیم انتخاب کردند دارای هسته‌های گردابی باریکی هستند که کمک می‌کند سطوح به اندازه کافی از هم فاصله داشته باشند تا بتوان آنها را متمایز کرد.

این آزمایش به فیلم‌های ابررسانای نازکی که توسط تیم راتگرز تهیه شده بود، بستگی داشت، که شامل محققانی به نام سئونگشیک اوه، استاد دپارتمان فیزیک و ستاره‌شناسی، و هی تاک یی، همکار پژوهشی فوق دکترا بود.

هر فیلم ابررسانا که با رسوب کنترل شده اتمی لایه به لایه آهن، تلوریم و سلنیوم ساخته شده بود، ضخامتی 40 نانومتر یا تقریبا هزار بار نازک‌تر از موی انسان داشت. نانومتر یک میلیاردم متر است.

بلومبرگ گفت: "ما برای انجام این آزمایش به فیلم های بسیار تمیز، لایه های نازک و تمیز نیاز داریم."

نقص ها می توانند با رفتار ذرات تداخل کنند و سیگنال های آنها را مبهم کنند.

این لایه‌ها همچنین باید به اندازه‌ای نازک می‌بود که محققان بتوانند نور عبوری از آنها را اندازه‌گیری کنند.

اندازه گیری نور در موسسه ملی فیزیک شیمی و بیوفیزیک در تالین، استونی انجام شد. محققان نمونه ها را خنک کردند و در معرض میدان های مغناطیسی قدرتمند قرار دادند. هر دو نمونه در دمای منفی 438 درجه فارنهایت (261- درجه سانتیگراد) ابررسانا شدند.

این تیم تابش تراهرتز، شکلی از نور نامرئی را از میان فیلم‌ها عبور داد و تغییرات قطبش نور یا جهت میدان الکتریکی آن را اندازه‌گیری کرد.

امواج نور می توانند به شکلی ارتعاش کنند که در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت بچرخند. یک گروه از ذرات به الگوی نور چپ دست پاسخ دادند، در حالی که گروه دیگر به الگوی مخالف، یعنی راست دست پاسخ دادند. این تفاوت به محققان اجازه داد تا دو گروه را از هم جدا کرده و هر کدام را جداگانه مطالعه کنند.

بلومبرگ گفت: «با جستجوی این جابه‌جایی‌ها با نور با دست‌های متفاوت، می‌توانید آنها را از هم جدا کنید.

محققان با استفاده از اندازه گیری های نور و محاسبات ریاضی خود، اندازه گرداب ها و مدت زمان پاسخ ذرات به نور را تخمین زدند. آنها همچنین تخمین زدند که گرداب ها تا چه حد در برابر تغییرات سرعت یا جهت مقاومت می کنند و میدان مغناطیسی چقدر قوی ابررسانایی هر گروه از ذرات را مختل می کند.

اعضای تیم دو نسخه از مواد حاوی مقادیر مختلف سلنیوم را مقایسه کردند. هر دو شروع به حمل الکتریسیته بدون مقاومت در دمای تقریبا یکسان کردند. اما تغییر دستور غذا ترکیبی از ذرات به دام افتاده در داخل گرداب ها را تغییر داد.

در یک نمونه، محاسبات نشان داد که تقریبا چهار ذره از یک گروه به ازای هر ذره گروه دیگر وجود دارد. در گروه دوم، تعداد دو گروه تقریبا برابر بود. تغییر دستور غذا همچنین میزان انرژی مورد نیاز ذرات برای پرش بین سطوح و سرعت محو شدن پاسخ آنها به نور را تغییر داد.

مقایسه نشان می‌دهد که چگونه موادی با دمای ابررسانای مشابه می‌توانند خواص داخلی متفاوتی داشته باشند. این تکنیک راهی را به دانشمندان می دهد تا این تفاوت ها را با تغییر ترکیب مواد بررسی کنند.

نویسندگان گفتند که این رویکرد می تواند برای بررسی سایر ابررساناها با هسته های گردابی به اندازه کافی باریک مورد استفاده قرار گیرد و ابزارهای موجود برای محققانی که مواد جدید را توسعه می دهند، گسترش دهد.

بلومبرگ گفت: "این تکنیک به ویژه مفید است زیرا می تواند مشارکت دو گروه مختلف از ذرات را از هم جدا کند." روش‌های قبلی می‌توانست حالت‌های به دام افتاده را شناسایی کند، اما نمی‌توانست این تفاوت را به طور مستقیم آشکار کند.»

T. Rõõm و همکاران، طیف‌سنجی حل‌شده با کایرالیتی حالات Caroli-de Gennes-Matricon در چند باند FeTe 1 - x Sex Superconductors، Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/wrds-99zb. در arXiv : arxiv.org/abs/2606.03637

اطلاعات مجله: Physical Review Letters , arXiv

سواتی مستری دارای مدرک لیسانس در مهندسی الکترونیک است و از سال 2019 به عنوان ویرایشگر محتوا کار کرده است. او ویرایش اسناد تحقیقاتی در زمینه فناوری، مراقبت های بهداشتی و علم مواد را تجربه کرده است و علاقه خاصی به فناوری و فضا دارد. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →