ابررسانایی در دمای محیط: رازهای نوری اکسید مس بیزمینی

تحقیقات جدید در مورد ابررساناهای مس-اکسید (CuO₂)

ابررساناهای مس-اکسید (CuO₂) مانند Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ (Bi2212) دارای دماهای بحرانی غیرمعمولاً بالا هستند. اندازه‌گیری‌های بازتاب نوری Bi2212 نشان داده است که این ماده دارای آنیزوتروپی نوری قوی است. با این حال، این ویژگی تا کنون از طریق اندازه‌گیری‌های عبور نوری مورد بررسی قرار نگرفته است، در حالی که این روش می‌تواند بینش‌های مستقیم‌تری در مورد خواص حجمی ارائه دهد.

کشف منبع آنیزوتروپی نوری

اکنون، محققان منبع این آنیزوتروپی نوری را از طریق اندازه‌گیری‌های عبور نوری با نور فرابنفش و مرئی در بلورهای تک‌کریستالی Bi2212 که با سرب دوپ شده‌اند، روشن کرده‌اند. این تحقیق امکان بررسی دقیق‌تری از مکانیزم‌های ابررسانایی را فراهم می‌آورد. ابررساناها موادی هستند که وقتی به دماهای زیر یک دمای بحرانی سرد می‌شوند، بدون هیچ مقاومتی برق را هدایت می‌کنند. این مواد کاربردهای تحول‌آفرینی در زمینه‌های مختلف دارند، از جمله موتورها، ژنراتورها، قطارهای مغناطیسی با سرعت بالا و تصویربرداری تشدید مغناطیسی.

چالش‌های ابررسانایی دما بالا

در میان این مواد، ابررساناهای CuO₂ مانند Bi2212 به دلیل دماهای بحرانی بالایی که از حد نظری Bardeen-Cooper-Schrieffer فراتر می‌روند، برجسته هستند. با این حال، منبع این ابررسانایی در ابررساناهای دما بالا، مانند Bi2212، یکی از معماهای جذاب فیزیک باقی مانده است. یک عنصر کلیدی از این معما در صفحه کریستالی دو بعدی CuO₂ این مواد نهفته است که به طور گسترده‌ای با استفاده از آزمایش‌های مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است.

تحلیل بازتاب نوری

اندازه‌گیری‌های بازتاب نوری که نحوه بازتاب نور با طول‌موج‌های مختلف از صفحه کریستالی را از زوایای مختلف تحلیل می‌کنند، نشان می‌دهند که Bi2212 در هر دو صفحه کریستالی “ab” و “ac” آنیزوتروپی نوری بارزی از خود نشان می‌دهد. آنیزوتروپی نوری به تغییرات در خواص نوری یک ماده بر اساس جهتی که نور از آن عبور می‌کند، اشاره دارد. در حالی که اندازه‌گیری‌های بازتاب نوری اطلاعات ارزشمندی را ارائه داده‌اند، مطالعه نحوه عبور نور از یک کریستال در طول‌موج‌های مختلف از طریق اندازه‌گیری‌های عبور نوری می‌تواند بینش‌های مستقیم‌تری در مورد خواص حجمی Bi2212 ارائه دهد. با این حال، چنین مطالعاتی پیش از این به ندرت انجام شده است.

تحقیقات تیم ژاپنی

برای پر کردن این شکاف، یک تیم تحقیقاتی ژاپنی به رهبری پروفسور دکتر تورو آساHi، محقق دکتر کنتا ناکاگاوا و دانشجوی کارشناسی ارشد کیگو توکیتا از دانشکده علوم و مهندسی دانشگاه واسدا، منبع آنیزوتروپی نوری قوی بلورهای تک‌کریستالی Bi2212 دوپ‌شده با سرب را با استفاده از اندازه‌گیری‌های عبور نوری فرابنفش و مرئی بررسی کردند.

این تحقیقات می‌تواند به درک بهتر مکانیزم‌های ابررسانایی کمک کند و افق‌های جدیدی را در زمینه علم مواد و فیزیک ابررساناها بگشاید.

تحقیقات جدید در زمینه ابررسانایی در دماهای اتاق

آقای آساھی می‌گوید: “دستیابی به ابررسانایی در دماهای اتاق مدت‌هاست که یک رویا بوده و نیازمند درک مکانیزم‌های ابررسانایی در ابررساناهای دما بالا است. رویکرد منحصر به فرد ما در استفاده از اندازه‌گیری‌های انتقال نور فرابنفش-مرئی به عنوان یک پروب، به ما این امکان را می‌دهد که این مکانیزم‌ها را در Bi2212 روشن کنیم و یک قدم به این هدف نزدیک‌تر شویم.”

این مطالعه که شامل پروفسور دکتر ماساکی فوجیتا از موسسه تحقیقات مواد دانشگاه توهوکو نیز می‌شود، در تاریخ ۷ نوامبر ۲۰۲۴ در نشریه Scientific Reports منتشر شد. در کار قبلی خود، محققان وابستگی طول موج آنیزوتروپی نوری Bi2212 را در دمای اتاق در امتداد محور بلوری “c” آن بررسی کردند و از یک پلاری‌متر جهانی با دقت بالا استفاده کردند. این ابزار قدرتمند امکان اندازه‌گیری همزمان نشانگرهای آنیزوتروپی نوری — دوشکست خطی (LB) و دوشکست دایره‌ای (LD) — را به همراه فعالیت نوری (OA) و دوشکست دایره‌ای (CD) در ناحیه نور فرابنفش تا مرئی فراهم می‌کند.

یافته‌های قبلی آن‌ها نشان داد که در طیف‌های LB و LD، قله‌های قابل توجهی وجود دارد که آن‌ها فرض می‌کنند ناشی از مدولاسیون نامتناسب ساختار بلوری Bi2212 است، که با تغییرات دوره‌ای مشخص می‌شود و با الگوی معمول آرایش‌های اتمی آن هم‌خوانی ندارد. برای روشن شدن این موضوع، تیم در این مطالعه به بررسی آنیزوتروپی نوری بلورهای Bi2212 حاوی سرب پرداختند. آقای توکیتا توضیح می‌دهد: “مطالعات قبلی نشان داده‌اند که جایگزینی جزئی Bi با Pb در بلورهای Bi2212 مدولاسیون نامتناسب را سرکوب می‌کند.”

به این منظور، تیم بلورهای استوانه‌ای تکی از Bi2212 با محتوای مختلف سرب را با استفاده از روش منطقه شناور تولید کرد. سپس نمونه‌های صفحه‌ای فوق‌العاده نازک که امکان انتقال نور فرابنفش و مرئی را فراهم می‌کنند، از این بلورها با استفاده از نوارهای محلول در آب به دست آمد. آزمایش‌ها نشان داد که قله‌های بزرگ در طیف‌های LB و LD با افزایش محتوای سرب به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد که این امر با سرکوب مدولاسیون نامتناسب هم‌خوانی دارد. این کاهش بسیار مهم است زیرا امکان اندازه‌گیری دقیق‌تری از OA و CD را در آزمایش‌های آینده فراهم می‌کند.

در مورد این یافته‌ها، پروفسور دکتر آساھی می‌گوید: “این یافته امکان بررسی وجود یا عدم وجود شکست تقارن در فازهای شبه‌گپ و ابررسانایی را فراهم می‌کند که یک مسئله حیاتی در درک مکانیزم ابررسانایی دما بالا است. این موضوع به توسعه ابررساناهای جدید با دمای بالا کمک می‌کند.”