یک بزرگراه کوانتومی با ارتفاع یک اتم می تواند ابررساناها را دگرگون کند
دانشمندان کشف کردند که پله‌های اتمی با ارتفاع یک اتم می‌توانند گرداب‌های کوانتومی را از میان ابررساناها هدایت کنند و باعث می‌شوند که آنها بیش از 1000 برابر آسان‌تر در یک جهت نسبت به جهت دیگر حرکت کنند. این کنترل قابل توجه بر حرکت کوانتومی می تواند به نسل جدیدی از الکترونیک ابررسانا فوق العاده کارآمد منجر شود.
دانشمندان ژاپنی کشف کرده‌اند که پله‌های کوچک با ارتفاع یک اتم می‌توانند مانند ریل‌های راه‌آهن میکروسکوپی عمل کنند و حرکت گرداب‌های کوانتومی را در داخل یک ابررسانا فوق نازک هدایت کنند. تحت شرایط خاص، این گرداب‌ها بیش از 1000 برابر آسان‌تر در طول پله‌ها حرکت می‌کردند تا از روی آنها. محققان همچنین دریافتند که می توانند این اثر قابل توجه را به سادگی با تغییر دما یا میدان مغناطیسی تنظیم کنند.
این کشف توسط محققان مرکز تحقیقات نانومعماری مواد (MANA)، بخشی از موسسه ملی علوم مواد ژاپن (NIMS) انجام شد. یافته‌های آنها یک رویکرد جدید امیدوارکننده برای کنترل رفتار کوانتومی ارائه می‌کند و در نهایت می‌تواند به مهندسان کمک کند تا الکترونیک ابررسانایی را توسعه دهند که انرژی بسیار کمتری مصرف می‌کند و در عین حال اطلاعات را با کارایی بیشتری پردازش می‌کند.
ابررساناها مواد غیرمعمولی هستند که وقتی زیر دمای بحرانی سرد شوند می توانند الکتریسیته را بدون مقاومت الکتریکی حمل کنند. این ویژگی آنها را برای توسعه الکترونیک بسیار کم مصرف و سایر فناوری های پیشرفته جذاب می کند.
با این حال، ابررساناها همچنین دارای ساختارهای کوانتومی کوچکی هستند که به عنوان گرداب شناخته می شوند. اینها در جایی شکل می گیرند که میدان های مغناطیسی به مواد نفوذ می کنند و مناطق کوچکی را ایجاد می کنند که توسط جریان های الکتریکی در گردش احاطه شده اند. هنگامی که گرداب ها حرکت می کنند، می توانند مقاومت الکتریکی ایجاد کنند و بر عملکرد ابررسانا تأثیر بگذارند.
بنابراین، توانایی کنترل محل حرکت این گرداب ها می تواند به دانشمندان در بهبود دستگاه های ابررسانا کمک کند. تا به حال، هدایت حرکت آنها در ابررساناهای بسیار نازک و دو بعدی بسیار دشوار بوده است.
برای بررسی این چالش، تیمی به سرپرستی تاکاشی اوچیهاشی در MANA یک ابررسانا فوق نازک را مطالعه کردند که سطح آن شامل یک سری مراحل اتمی با فاصله منظم بود. محققان با استفاده از میکروسکوپ تونل زنی روبشی، تکنیکی که قادر به تصویربرداری از سطوح در سطح اتمی است، تأیید کردند که مراحل موازی با یکدیگر بوده و به طور مستقیم گرداب هایی را که در امتداد آنها قرار گرفته اند مشاهده کردند.
این یافته ها در مجله Physical Review B منتشر شد.
گام های اتمی مانند ریل برای حرکت کوانتومی عمل می کنند
آزمایش‌ها تفاوت فوق‌العاده‌ای را در میزان آسانی حرکت گرداب‌ها بسته به جهتشان نشان داد.
این تیم با استفاده از اندازه‌گیری‌های مقاومت چهار ترمینالی، که به محققان امکان اندازه‌گیری دقیق مقاومت الکتریکی را می‌دهد، دریافتند که گرداب‌ها در امتداد پله‌های اتمی بیش از 1000 برابر آسان‌تر از طول آنها زمانی که در معرض میدان‌های مغناطیسی میانی قرار می‌گیرند، حرکت می‌کنند.
در واقع، گام‌ها مانند ریل‌های کوچک عمل می‌کردند و مسیرهای ترجیحی برای دنبال کردن گرداب‌های کوانتومی ایجاد می‌کردند.
اوچیهاشی می‌گوید: «مطالعه ما نشان می‌دهد که مراحل در مقیاس اتمی می‌توانند به‌عنوان ریل‌های مؤثری عمل کنند که گرداب‌های ابررسانا را هدایت می‌کنند، و این اثر هدایت‌کننده را می‌توان به سادگی با تغییر دما یا میدان مغناطیسی تنظیم کرد».
محققان همچنین زمانی که میدان مغناطیسی بین 0.10 تا 0.20 T (تسلا، واحدی که برای اندازه‌گیری قدرت میدان مغناطیسی استفاده می‌شود)، رفتار جالب توجهی را شناسایی کردند. در این محدوده، گرداب‌ها می‌توانند آزادانه در امتداد پله‌ها جریان داشته باشند بدون اینکه در اثر نقص در مواد به دام بیفتند.
این رفتار که به عنوان جریان گردابی بدون پینینگ یک بعدی شناخته می شود، به این معنی است که گرداب ها می توانند در یک مسیر تعریف شده بدون برخورد با موانع معمولی که حرکت آنها را محدود می کند، حرکت کنند.
در پایین ترین دما، محققان یک اثر غیرعادی دیگر را مشاهده کردند. حرکت گرداب توسط تونل زنی کوانتومی کنترل می‌شد، پدیده‌ای که در آن اجسام کوانتومی می‌توانند از موانع انرژی عبور کنند که معمولا در فیزیک کلاسیک از حرکت آنها جلوگیری می‌کرد.
مسیری جدید به سوی ابررساناهای کارآمدتر
یافته‌ها نشان می‌دهد که حتی یک ویژگی سطحی با ارتفاع تنها یک اتم می‌تواند تأثیر قدرتمندی بر حرکت گردابه‌های کوانتومی داشته باشد.
با استفاده از این مراحل اتمی به عنوان مسیرهای هدایت طبیعی، دانشمندان ممکن است بتوانند حرکت گردابی را با دقت قابل توجهی کنترل کنند. توانایی تنظیم این حرکت از طریق دما و میدان های مغناطیسی نیز راه دیگری برای تأثیرگذاری بر نحوه رفتار ابررساناها فراهم می کند.
اگرچه کاربردهای عملی نیاز به توسعه بیشتری دارد، این رویکرد در مقیاس اتمی در نهایت می‌تواند به محققان کمک کند تا هم حرکت گردابی و هم جریان گرما را در فناوری‌های ابررسانای آینده مدیریت کنند و به طور بالقوه دستگاه‌های کارآمدتری را که انرژی کمتری مصرف می‌کنند، ممکن می‌سازد.
مواد ارائه شده توسط مرکز تحقیقات نانومعماری مواد (MANA). توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.
ستاره شناسان MIT ستاره ای را گرفتند که به آرامی همراه خود را در فاصله 300 سال نوری می خورد
دایناسورهای باستانی زیمبابوه چیزی شبیه به انتظار دانشمندان نبودند
فواید مخفی قلب یک داروی رایج دیابت
متن اصلی (انگلیسی)
A quantum highway just one atom high could transform superconductors
Scientists discovered that atomic steps just one atom high can guide quantum vortices through superconductors, making them move more than 1,000 times more easily in one direction than another. This remarkable control over quantum motion could lead to a new generation of ultra-efficient superconducting electronics.