چقدر به ابررساناهایی که واقعا عملی هستند نزدیک هستیم؟

در سال 1911، فیزیکدان هلندی، هایک کامرلینگ اونس، کشفی در حال تغییر پارادایم کرد: جیوه در چند درجه بالاتر از صفر مطلق، مقاومت الکتریکی خود را کاملا از دست داد. این بدان معنی است که با شرایط مناسب، جریان های الکتریکی می توانند به طور نامحدود بدون از دست دادن قدرت در هنگام عبور از ماده حرکت کنند.

دانشمندان به زودی متوجه شدند که این ویژگی که ابررسانایی نام دارد، فقط محدود به جیوه نیست. اثرات مکانیکی کوانتومی خاص ابررسانایی را ممکن می‌سازد، بنابراین عناصر دیگر می‌توانند این ویژگی‌ها را در شرایط مناسب از خود نشان دهند. در نهایت، فیزیکدانان راهی برای آوردن مواد ابررسانا به سیم‌ها و آهن‌رباها پیدا کردند که راه‌های کاملا جدیدی را برای آزمایش و استفاده از پدیده‌های عجیب کوانتومی باز کرد. برای مثال، بهترین رایانه‌های کوانتومی و شتاب‌دهنده‌های ذرات ما برای کار به مواد ابررسانا متکی هستند.

اگر تا به حال ام آر آی گرفته اید، حتی لازم نیست فیزیکدان باشید تا به یک فیزیکدان نزدیک شده باشید.

متأسفانه، ابررساناها هنوز برای عملکرد به دماهای بسیار پایینی نیاز دارند، که کار را پیچیده می کند. به عنوان مثال، در مورد کامپیوترهای کوانتومی، کاهش نویز و تصحیح خطا به عنوان یک مانع بزرگ باقی می‌ماند که به دمای نزدیک به صفر کلوین برای کیوبیت‌های آنها نیاز دارد.

به طور طبیعی، دانشمندان می‌خواهند آستانه دما را برای ابررساناها افزایش دهند - به اصطلاح، ابررساناهایی با دمای اتاق ایجاد کنند. هیئت منصفه هنوز در مورد اینکه آیا این اصلا امکان پذیر است یا خیر. اما محققان به سختی در حال یافتن ترکیب‌ها و طرح‌های جدید برای جذب ابررساناها به شرایط گرم‌تر و گرم‌تر بوده‌اند. و آنها تا حدودی پیشرفت کرده اند.

برای این Giz Asks، ما از محققان خواستیم وضعیت موجود را تجزیه و تحلیل کنند. جامعه در دوره های اخیر چه نوع پیشرفتی داشته است؟ برخی از نامزدهای امیدوارکننده برای ابررساناهای دمای اتاق (یا جایی در آن رژیم) کدامند؟ برخی از چالش‌های باقی‌مانده برای محققان چیست و چگونه به آنها رسیدگی می‌کنند؟ پاسخ‌های زیر ممکن است برای طول و وضوح کمی ویرایش شده باشند.

فیزیکدان، آزمایشگاه کلیدی روش‌ها و نرم‌افزارهای شبیه‌سازی مواد وزارت آموزش و پرورش; دانشگاه جیلین، چین

در دهه گذشته، تحقیقات ابررساناها شاهد پیشرفت‌های عمده‌ای بوده است که عمدتا ناشی از مطالعه پررونق ابررساناهای هیدریدی تحت فشار بالا بوده است. با این حال، ابررساناهای عملی دمای اتاق هنوز با واقعیت فاصله دارند. بیشتر این مواد هیدریدی فقط تحت فشار بسیار زیاد کار می کنند، بسیار بالاتر از فشار معمولی اتمسفر، که استفاده روزمره آنها را بعید می کند.

همچنین برخی از نامزدهای امیدوارکننده اما کمتر شناخته شده وجود دارد، از جمله ترکیبات مبتنی بر بور و هیدریدهای تازه کشف شده که در فشارهای نسبتا کمتری کار می کنند. بعید است در 10 تا 15 سال آینده یک ابررسانا با فشار محیط و دمای اتاق برای لوازم الکترونیکی مصرفی بدست آوریم. چیزی که احتمالا زودتر شاهد آن خواهیم بود، استفاده گسترده‌تر از ابررساناهای با دمای بالا خنک‌شده با نیتروژن برای شبکه‌های برق و تجهیزات تخصصی است، نه لوازم خانگی.

فیزیکدانان، دانشگاه هیوستون (UH). دنگ و چو به کار اخیر منتشر شده در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS) کمک کردند که رکورد جدیدی را برای ابررسانایی در فشار محیط به ثبت رساند.

خبر خوب این است که ما در حال نزدیک‌تر شدن هستیم، اما «عملی» به معنای چیزی بیش از دستیابی به یک دمای انتقال ابررسانا بالا (Tc) است. اولین ابررسانا (YBCO) با Tc (93 K) بالاتر از نقطه جوش نیتروژن مایع (77 K) توسط چو و همکارانش در سال 1987 کشف شد. برای سال‌های متمادی، برخی از بالاترین دماهای ابررسانا تنها تحت فشارهای بسیار زیاد به دست می‌آیند که استفاده از این حالت‌ها را در خارج از آزمایشگاه‌های تخصصی بسیار دشوار می‌کند.

یک تغییر بالقوه مهم این است که فشار را نه به عنوان شرایطی که باید برای همیشه حفظ شود، بلکه به عنوان یک ابزار پردازش در نظر بگیرید - از فشار برای ایجاد یک حالت مطلوب استفاده کنید، سپس راهی برای حفظ آن حالت پس از برداشتن فشار بیابید.

این ایده پشت پروتکل کوئنچ فشار اخیرا توسعه یافته بر روی ابررساناها است که توسط تیم ما در UH رهبری می شود. این رویکرد قبلا ابررسانایی افزایش‌یافته فشار در FeSe را در فشار محیط حفظ کرده است و به دنبال آن فازهای ابررسانا ناشی از فشار در مواد دیگری مانند Bi0.5Sb1.5Te3 قرار دارد. اخیرا، خاموش کردن فشار، Tc ابررسانای فشار محیط HgBa2Ca3Cu3O8+δ را به 151 K افزایش داد، که از رکورد فشار محیط قبلی 133 K که برای بیش از سه دهه بود، پیشی گرفت.

این بدان معنا نیست که کابل‌های برق ابررسانا یا وسایل الکترونیکی مبتنی بر مواد خاموش شده با فشار در گوشه و کنار هستند. چالش‌های بعدی اساسی‌تر هستند: پایدار کردن حالت‌های حفظ‌شده از نظر حرارتی و زمانی، درک آنچه واقعا آنها را تثبیت می‌کند، افزایش حجم نمونه، نمایش پردازش قابل تکرار و در نهایت نمایش جریان‌های حیاتی مفید در اشکالی مانند سیم، نوار یا فیلم. اما خاموش کردن فشار، سوال را به طرز جالبی تغییر می دهد.

به جای اینکه فقط بپرسید: "Tc تحت فشار چقدر می تواند بالا برود؟" اکنون می‌توانیم بپرسیم: "آیا می‌توانیم خواص ایجاد شده در اثر فشار را با خود بازگردانیم؟" اگر این استراتژی کلی و مقیاس‌پذیر باشد، می‌تواند شکاف بین اکتشافات پرفشار دیدنی و ابررساناهایی را که واقعا می‌توان استفاده کرد، به‌طور قابل توجهی کاهش داد.

دانشمند مواد، دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا.

ابررسانایی پیشرفت قابل توجهی داشته است، از جمله نمایش دمای انتقال بسیار بالا در مواد غنی از هیدروژن تحت فشارهای بسیار بالا. با این حال، من در مورد پیش‌بینی اینکه چه زمانی یک ابررسانای دمای اتاق یا نزدیک به دمای اتاق تبدیل به یک فناوری کاربردی می‌شود، محتاط خواهم بود. Tc بالا به خودی خود کافی نیست: یک ماده مفید همچنین باید در فشار محیط یا نزدیک به آن پایدار باشد، جریان های الکتریکی و میدان های مغناطیسی قابل توجهی را حمل کند، از نظر مکانیکی قوی، در مقیاس تولید شود و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد.

در حال حاضر، فکر نمی‌کنم ماده‌ای را بشناسیم که به طور همزمان این الزامات را برآورده کند، بنابراین جدول زمانی قابل اعتمادی را در مورد ابررساناهای کاربردی مصرفی تعیین نمی‌کنم.

یک جهت مهم، به نظر من، درک چگونگی ایجاد یک حالت ابررسانا نیست، بلکه این است که چگونه ساختار اتمی و الکترونیکی می تواند از آن حالت در برابر نوسانات حرارتی محافظت کند. در کار اخیر خود، ما یک پیکربندی ابررسانا با تقارن شکسته (SCC) پیشنهاد کردیم و تونل‌های یک بعدی مستقیم (SODTs) را در تفاوت چگالی بار بین پیکربندی‌های ابررسانا و عادی شناسایی کردیم. ما این ویژگی ها را در ابررساناهای معمولی و غیر متعارف از جمله YBCO یافتیم.

در YBCO، ما پیشنهاد کردیم که یک ساختار "پانتون" لایه‌ای، با پیوند نسبتا ضعیف بین لایه‌های ابررسانا و توده اطراف، به محافظت از این ساختارهای الکترونیکی مرتبط با ابررسانایی در برابر اختلالات حرارتی کمک می‌کند و در نتیجه به TC نسبتا بالای آن کمک می‌کند.

ما همچنین یک درخواست ثبت اختراع موقت با عنوان «روش شناسایی و پیش‌بینی ابررسانایی بر اساس تونل‌های چگالی بار شکسته تقارن و ساختارهای پانتون» ثبت کرده‌ایم. ما اکنون در حال گسترش این چارچوب برای درک پایداری ترمودینامیکی این پیکربندی‌ها در دمای محدود با استفاده از نظریه Zentropy خود و در نهایت، استفاده از آن برای پیش‌بینی و طراحی مواد ابررسانای جدید هستیم.

صندوق علوم سازمانی، سرمایه گذاری های فکری. جولیان و پراسانکومار همراه با دنگ و چو، مقاله PNAS را به نگارش درآوردند که رکورد جدیدی را برای ابررسانایی در فشارهای محیطی به ثبت رساند. Intellectual Ventures تامین کننده مالی این پروژه بود.

یک ابررسانا در دمای اتاق و فشار محیط مسلما بزرگترین چالش حل نشده در فیزیک ماده متراکم است که پتانسیل تغییر جامعه را در مقیاس اینترنت یا هوش مصنوعی دارد. ما کاملا خوشبین هستیم که علیرغم ادعاهای بی اعتبار اخیر و مناقشات مداوم، بیش از هر زمان دیگری به تحقق مواد ابررسانای عملی و تجاری سازی برای چنین کاربردهایی نزدیک شده ایم.

درک ما از ابررسانایی عمیق‌تر از همیشه است و ابزارهای موجود برای اعمال آن - از تکنیک‌های ساخت پیشرفته تا شبیه‌سازی‌های اصول اول با شتاب GPU - هرگز قدرتمندتر از این نبوده‌اند. با این حال، البته، درک و توانایی به تنهایی ما را به آنجا نمی رساند.

وسوسه‌انگیز است که پیش‌بینی را به‌عنوان مقصد در نظر بگیریم: اگر بتوانیم از نظر محاسباتی یک ماده کاندید را شناسایی کنیم، یا با محاسبات اصول اولیه پیچیده فیزیک یا روش‌های آماری نیروی brute force، موفقیت در دسترس است. اما پیش بینی یک ماده ابررسانا کافی نیست. ما باید ابررساناهایی را پیش‌بینی کنیم که واقعا می‌توانند سنتز شوند و سخت‌تر از آن، آنچه را که پیش‌بینی می‌کنیم سنتز کنیم. ما همچنین باید روش‌هایی را برای افزایش پیش‌بینی ابررسانایی از طریق مهندسی عمدی ویژگی‌های ساختاری و الکترونیکی که بر رفتار ابررسانا حاکم است، توسعه دهیم.

مهار موادی که ابررسانایی غیر متعارف از خود نشان می دهند نیز یک قطعه حیاتی در رسیدن به دمای اتاق خواهد بود. مقدار زیادی تفاوت ظریف، پیچیدگی و کار ترکیبی چالش برانگیز وجود دارد که به هر یک از این اهداف وارد می شود. ملاقات با آنها مستلزم خلاقیت انسانی است که برگرفته از سنت های علمی مختلف است که در کنسرت های واقعی کار می کنند.

حرکت از کشف یک ابررسانا با دمای بالا به کشف یک ابررسانا با دمای بالا عملی با پیچیدگی بیشتری همراه است. یک ماده کاربردی باید به سیم ها یا نوارها کشیده شود و زخم شود، یا به عنوان یک فیلم یا پوشش رسوب شود، یا با فرآیندهای ریخته گری نیمه هادی سازگار باشد. هر یک از این ویژگی‌های مواد حیاتی متفاوتی دارند، و چالش‌های مهمی در مدل‌سازی دقیق آن‌ها برای مواد واقعا جدید وجود دارد.

بنابراین ما باید بر چالش غربالگری محاسباتی برای "عملی بودن" غلبه کنیم تا از نیاز به تعداد زیادی آزمایش پیچیده اجتناب کنیم. سپس باید راه هایی را برای جلوگیری از چرخه توسعه سنتی 20 ساله بین کشف مواد و پذیرش تجاری پیدا کنیم.

مسیر پیش رو ما یک رویکرد کاملا یکپارچه و چند رشته ای است که فیزیکدانان ماده متراکم، شیمیدانان، دانشمندان مواد، تجربی گرایان، نظریه پردازان و مهندسان محاسباتی را در همکاری نزدیک به ارمغان می آورد. ما باید از مرزهای انضباطی عبور کنیم، دانش را مبادله کنیم و چارچوب های مشترک بسازیم تا نه تنها آن چالش هایی را که قبلا درک کرده ایم، بلکه چالش هایی را که گریزان مانده اند، حل کنیم. ما بیشتر از همیشه می دانیم، اما هنوز چیزهای زیادی برای یادگیری وجود دارد.

فرصت بسیار زیاد است و این عدم قطعیت در واقع واضح ترین نشانه ای است که بزرگترین اکتشافات در این زمینه هنوز در راه است.

Giz Asks یک مجموعه تکراری Gizmodo است که در آن کارشناسان به سوالات بزرگ به زبان خودشان پاسخ می‌دهند و طیف وسیعی از دیدگاه‌ها را در مورد ایده‌ها، اکتشافات و بحث‌هایی ارائه می‌دهند که بر زندگی ما تأثیر می‌گذارند و درک ما از جهان را شکل می‌دهند.