ابررساناهای مرموز مس-اکسید: ژاپنی‌ها راز جهت‌گیری نور را فاش کردند!

کاوش‌های تازه در رمز و راز ابررساناهای مس-اکسید

ابررساناهای مبتنی بر مس-اکسید (CuO₂)، از جمله ماده‌ی Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ (یا همون Bi2212)، به خاطر دماهای بحرانیِ به‌ طرز عجیبی بالا شهرت دارن. بررسی‌های مربوط به انعکاس نور از Bi2212 نشون داده که این ماده از ویژگی‌های نوری جهت‌دار قوی برخورداره. اما تا به حال، این خصوصیت از طریق اندازه‌گیری‌های عبور نور مورد بررسی قرار نگرفته بود؛ در حالی که چنین روشی می‌تونه بینش‌های روشن‌تری در مورد ویژگی‌های حجمی این ماده به ما بده.

رازگشایی منبع جهت‌گیری نوری

حالا، دانشمندا تونستن منبع این جهت‌گیری نوری رو با اندازه‌گیری میزان عبور نور ماوراء بنفش و مرئی از تک‌کریستال‌های Bi2212 که با سرب تقویت شدن، آشکار کنن. این تحقیق، امکان تحقیقات دقیق‌تری رو در مورد چگونگی عملکرد ابررسانایی فراهم می‌کنه. ابررساناها موادی هستن که وقتی به دمایی پایین‌تر از یک دمای خاص سرد می‌شن، بدون هیچ مقاومتی جریان برق رو عبور می‌دن. این مواد، کاربردهای فوق‌العاده‌ای در حوزه‌های مختلف دارن، از موتورها و ژنراتورها گرفته تا قطارهای مغناطیسی پرسرعت و تصویربرداری رزونانس مغناطیسی.

چالش‌های ابررسانایی در دماهای بالا

تو بین این مواد، ابررساناهای CuO₂، مثل Bi2212، به‌خاطر دماهای بحرانی بالایی که از حد تئوری باردین-کوپر-شریفر فراتر می‌رن، برجسته هستن. با این حال، منبع این ابررساناییِ ویژه تو ابررساناهای دما بالا، مثل Bi2212، همچنان یکی از معماهای جذاب فیزیک هست. یه عنصر کلیدی از این ماجرا، تو صفحه‌ی کریستالی دو بعدی CuO₂ این مواد نهفته، که با استفاده از آزمایش‌های مختلف، به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته.

تحلیل انعکاس نور

اندازه‌گیری‌های مربوط به انعکاس نور – که نحوه بازتاب نور با طول موج‌های متفاوت از صفحه‌ی کریستالی رو از زوایای مختلف بررسی می‌کنن – نشون می‌ده که Bi2212، هم تو صفحه‌ی کریستالی «ab» و هم «ac»، جهت‌گیری نوریِ مشخصی داره. جهت‌گیری نوری به تغییرات در خواص نوری یه ماده، بسته به جهتی که نور ازش عبور می‌کنه، اشاره داره. درسته که اندازه‌گیری‌های انعکاس نور، اطلاعات ارزشمندی رو در اختیارمون گذاشتن، اما بررسی چگونگی عبور نور از یه کریستال در طول موج‌های مختلف، از طریق اندازه‌گیری‌های عبور نور، می‌تونه بینش‌های دقیق‌تری راجع به ویژگی‌های حجمی Bi2212 در اختیارمون بذاره. البته، تا حالا این مطالعات به‌ ندرت انجام شدن.

پژوهش‌های تیم ژاپنی

برای پر کردن این خلاء، یه گروه تحقیقاتی ژاپنی، به سرپرستی پروفسور دکتر تورو آساHی، محقق دکتر کنتا ناکاگاوا و دانشجوی ارشد کیگو توکیتا از دانشکده علوم و مهندسی دانشگاه واسدا، منبعِ جهت‌گیری نوریِ قویِ کریستال‌های تک‌تک Bi2212 که با سرب ترکیب شده‌ن رو، با استفاده از اندازه‌گیری‌های عبور نور ماوراء بنفش و مرئی، بررسی کردن.

این تحقیقات می‌تونه به درک بهتر از مکانیسم‌های ابررسانایی کمک کنه و افق‌های جدیدی رو در زمینه‌ی دانش مواد و فیزیک ابررساناها بگشاید.

تحقیقات جدید در زمینه‌ی ابررسانایی در دمای اتاق

آقای آساHی ميگه: «رسیدن به ابررسانایی در دمای اتاق، مدت‌هاست که یه رویا بوده و نیازمند فهم مکانیسم‌های ابررسانایی در ابررساناهای دما بالاست. رویکرد منحصربه‌فرد ما در استفاده از اندازه‌گیری انتقال نور ماوراء بنفش-مرئی به‌عنوان یه ابزار، به ما این امکان رو می‌ده که این مکانیسم‌ها را در Bi2212 روشن کنیم و یه گام به این هدف نزدیک‌تر بشیم.»

این مطالعه که پروفسور دکتر ماساکی فوجیتا از مؤسسه تحقیقات مواد دانشگاه توهوکو هم در اون مشارکت داشته، در ۷ نوامبر ۲۰۲۴ در مجله‌ی Scientific Reports منتشر شد. تو کار قبلی‌شون، محققان، چگونگی تغییر جهت‌گیری نوری Bi2212 در دمای اتاق، در امتداد محور کریستالی «c»، با استفاده از یه پلاری‌متر (قطبش‌سنج) جهانی با دقت بالا بررسی کردن. این ابزار قدرتمند، امکان اندازه‌گیری هم‌زمان شاخص‌های جهت‌گیری نوری — شکست دوگانه خطی (LB) و شکست دوگانه دایره‌ای (LD) — به همراه فعالیت نوری (OA) و شکست دوگانه دایره‌ای (CD) در ناحیه نور ماوراء بنفش تا مرئی رو فراهم می‌کنه.

یافته‌های قبلی‌شون نشون داد که تو طیف‌های LB و LD، قله‌های قابل توجهی وجود دارن که حدس می‌زنن ناشی از تغییر نامنظم ساختار کریستالی Bi2212 هستن، که با تغییرات دوره‌ای مشخص می‌شه و با الگوی معمول آرایش اتمی اون هم‌خوانی نداره. برای روشن شدن این موضوع، تیم، تو این مطالعه، به بررسی جهت‌گیری نوری کریستال‌های Bi2212 حاوی سرب پرداختن. آقای توکیتا توضیح می‌ده: «مطالعات قبلی نشون داده‌ن که جایگزینی جزئی Bi با Pb تو کریستال‌های Bi2212، تغییر نامنظم رو مهار می‌کنه.»

به همین منظور، تیم، کریستال‌های میله‌ای تکی از Bi2212 با مقادیر مختلف سرب رو با استفاده از روش منطقه شناور تولید کرد. سپس، نمونه‌های صفحه‌ای فوق‌العاده نازک که امکان انتقال نور ماوراء بنفش و مرئی رو فراهم می‌کنن، از این کریستال‌ها با استفاده از نوارهای محلول در آب به‌دست اومد. آزمایش‌ها نشون داد که قله‌های بزرگ تو طیف‌های LB و LD با افزایش مقدار سرب به‌طور قابل توجهی کاهش پیدا می‌کنه، که این با مهار تغییرات نامنظم هم‌خوانی داره. این کاهش خیلی مهمه، چون امکان اندازه‌گیری دقیق‌تری از OA و CD رو تو آزمایش‌های آینده فراهم می‌کنه.

در مورد این یافته‌ها، پروفسور دکتر آساHی می‌گه: «این کشف، امکان بررسی وجود یا عدم وجود تقارن تو فازهای شبه‌گپ (quasi-gap) و ابررسانایی رو فراهم می‌کنه، که یه موضوع حیاتی در درک مکانیسم ابررسانایی تو دماهای بالاست. این موضوع به توسعه‌ی ابررساناهای جدید با دمای بالا کمک می‌کنه.»