ناهمسانگردی نوری ابررساناها: کشف جدیدی که به ابررسانای دمای اتاق نزدیک می‌شه!

بررسی ناهمسانگردی نوری در ابررساناهای مس-اکسید

ابررساناهای مس-اکسید (CuO₂)، مثل Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ (معروف به Bi2212)، دمای بحرانی نسبتاً بالایی دارن. اندازه‌گیری‌های بازتاب نوری Bi2212 نشون داده که این ماده ناهمسانگردی نوری قوی داره. ولی، این مسئله از طریق اندازه‌گیری‌های عبور نوری مورد بررسی قرار نگرفته، در حالی که این روش می‌تونه بینش‌های مستقیم‌تری در مورد خواص حجمی ارائه بده.

تحقیقات جدید درباره ناهمسانگردی نوری

حالا محققان منشاء این ناهمسانگردی نوری رو با اندازه‌گیری‌های عبور نوری با نور فرابنفش و مرئی در کریستال‌های تک‌بلوره Bi2212 که با سرب ناخالص شده‌ان، روشن کردن. این تحقیقات امکان بررسی دقیق‌تری از سازوکارهای ابررسانایی این ماده رو فراهم می‌کنه. ابررساناها موادی هستن که وقتی به دمای زیر یه دمای بحرانی سرد می‌شن، بدون هیچ مقاومتی برق رو هدایت می‌کنن. این مواد تو زمینه‌های مختلف کاربردهای متحول‌کننده‌ای دارن، از جمله موتورها، ژنراتورها، قطارهای مغناطیسی پرسرعت و تصویربرداری تشدید مغناطیسی.

ویژگی‌های منحصربه‌فرد ابررساناهای CuO₂

تو این دسته از مواد، ابررساناهای CuO₂ مثل Bi2212 به خاطر دمای بحرانی بالایی که دارن و از حد نظری باردین-کوپر-شریفر فراتر می‌رن، متمایزن. با این حال، منشاء این ابررسانایی در ابررساناهای با دمای بالا، مثل Bi2212، یکی از معماهای جذاب فیزیک باقی مونده. یه بخش کلیدی از این معما تو صفحه کریستالی دوبُعدی CuO₂ این مواد قرار داره که به طور گسترده با آزمایش‌های مختلف بررسی شده.

اندازه‌گیری‌های بازتاب نوری و ناهمسانگردی

اندازه‌گیری‌های بازتاب نوری، که چگونگی بازتاب نور با طول موج‌های مختلف از صفحه کریستالی رو از زوایای مختلف تحلیل می‌کنن، نشون داده که Bi2212 تو هر دو صفحه کریستالی “ab” و “ac” ناهمسانگردی نوری قابل توجهی داره. ناهمسانگردی نوری به تغییرات تو خواص نوری یه ماده بستگی داره به جهتی که نور ازش عبور می‌کنه. خب، در حالی که اندازه‌گیری‌های بازتابی اطلاعات ارزشمندی رو ارائه دادن، بررسی نحوه عبور نور از یه کریستال با طول موج‌های مختلف از طریق اندازه‌گیری‌های عبور نوری می‌تونه بینش‌های مستقیم‌تری درباره خواص حجمی Bi2212 بده. اما این مطالعات قبلاً خیلی کم انجام شدن.

تیم تحقیقاتی و نتایج

برای پر کردن این شکاف، یه تیم تحقیقاتی ژاپنی به رهبری پروفسور دکتر تورو آسااِهی، پژوهشگر دکتر کنتا ناکاگاوا و دانشجوی ارشد کیگو توکیتا از دانشکده علوم و مهندسی، سازمان تحقیقات جامع دانشگاه واسدا، منشاء ناهمسانگردی نوری قوی کریستال‌های تک‌بلوره Bi2212 که با سرب ناخالص شده‌ان رو با استفاده از اندازه‌گیری‌های عبور نوری فرابنفش و مرئی بررسی کردن.

این تحقیقات می‌تونه به درک بهتر سازوکارهای ابررسانایی و خواص نوری این مواد کمک کنه و در نهایت باعث پیشرفت‌های بیشتر تو فناوری‌های مرتبط با ابررساناها بشه.

تحقق ابررسانایی در دماهای معمولی

آقای آسااِهی می‌گه: “رسیدن به ابررسانایی تو دماهای اتاق یه آرزو بوده و نیاز به درک سازوکارهای ابررسانایی تو ابررساناهای با دمای بالا داره. رویکرد خاص ما تو استفاده از اندازه‌گیری‌های انتقال نور فرابنفش-مرئی به عنوان ابزاری برای بررسی این سازوکارها تو Bi2212، ما رو یه قدم به این هدف نزدیک‌تر می‌کنه.” این مطالعه که پروفسور دکتر ماساکی فوجیتا از مؤسسه تحقیقات مواد دانشگاه توهوکو هم توش همکاری داشته، تو تاریخ ۷ نوامبر ۲۰۲۴ تو نشریه Scientific Reports منتشر شد.

تحقیقات قبلی و روش‌های جدید

تو کار قبلی، محققان وابستگی طول موج ناهمسانگردی نوری Bi2212 رو تو دمای معمولی در امتداد محور کریستالی “c” بررسی کردن و از یه پلاری‌متر عمومی با دقت بالا استفاده کردن. این ابزار قدرتمند امکان اندازه‌گیری همزمان انتقال نشانگرهای ناهمسانگردی نوری — دو شکست خطی (LB) و دو شکست دایره‌ای (LD) — رو همراه با فعالیت نوری (OA) و دوشکستی دایره‌ای (CD) تو ناحیه نور فرابنفش تا مرئی فراهم می‌کنه. یافته‌های قبلی اونا قله‌های قابل توجهی تو طیف‌های LB و LD نشون می‌داد که گمان می‌رفت به خاطر مدولاسیون نامتناسب ساختار کریستالی Bi2212 باشه، که با تغییرات دوره‌ای مشخص می‌شه و با الگوی معمول آرایش‌های اتمی‌ش همخوانی نداره.

بررسی ناهمسانگردی نوری کریستال‌های Bi2212

برای این که معلوم بشه این فرضیه درسته یا نه، تیم تحقیقاتی تو این مطالعه ناهمسانگردی نوری کریستال‌های Bi2212 حاوی سرب رو بررسی کردن. آقای توکیتا توضیح می‌ده: “مطالعات قبلی نشون دادن که جایگزینی جزئی Bi با Pb (سرب) تو کریستال‌های Bi2212 مدولاسیون نامتناسب رو سرکوب می‌کنه.” به همین منظور، تیم کریستال‌های استوانه‌ای تک‌تکه‌ای Bi2212 با مقدار متغیر سرب رو با روش منطقه شناور تولید کرد. نمونه‌های ورقه‌ای فوق‌العاده نازک که امکان انتقال نور فرابنفش و مرئی رو می‌دن، بعداً از این کریستال‌ها با استفاده از نوار چسب محلول تو آب به دست اومدن.

نتایج آزمایش‌ها و اهمیت‌شون

آزمایش‌ها نشون داد که قله‌های بزرگ تو طیف‌های LB و LD با افزایش مقدار سرب به طور قابل توجهی کاهش پیدا می‌کنن، که با سرکوب مدولاسیون نامتناسب همخوانی داره. این کاهش خیلی مهمه چون امکان اندازه‌گیری دقیق‌تر OA و CD رو تو آزمایش‌های آینده فراهم می‌کنه. درباره این یافته‌ها، پروفسور دکتر آسااِهی می‌گه: “این یافته امکان بررسی وجود یا عدم وجود شکستگی تقارن تو فازهای شبه‌شکاف و ابررسانایی رو فراهم می‌کنه که یه مسئله حیاتی تو درک سازوکار ابررسانایی با دمای بالا هست. این مسئله به توسعه ابررساناهای جدید با دمای بالا کمک می‌کنه.”