نیوزویز – دانشمندان آزمایشگاه ملی ایمز اولین ابررسانای غیر متعارف با ترکیب شیمیایی را که در طبیعت نیز وجود دارد، شناسایی کردند. میازیت یکی از چهار ماده معدنی طبیعی است که وقتی در آزمایشگاه رشد می کند به عنوان یک ابررسانا عمل می کند. تحقیقات این تیم بر روی miassite نشان داد که این یک ابررسانا غیر متعارف با خواصی شبیه به ابررساناهای با دمای بالا است. یافته‌های آنها به درک دانشمندان از این نوع ابررسانایی می‌افزاید، که می‌تواند منجر به فناوری پایدارتر و اقتصادی‌تر مبتنی بر ابررسانا در آینده شود.
ابررسانایی زمانی است که یک ماده بتواند جریان الکتریکی را بدون از دست دادن انرژی هدایت کند. ابررساناها کاربردهایی از جمله دستگاه های MRI پزشکی، کابل های برق و کامپیوترهای کوانتومی دارند. ابررساناهای معمولی به خوبی شناخته شده اند اما دمای بحرانی پایینی دارند. دمای بحرانی بالاترین دمایی است که در آن یک ماده به عنوان ابررسانا عمل می کند.
در دهه 1980، دانشمندان ابررساناهای غیر متعارفی را کشف کردند که بسیاری از آنها دمای بحرانی بسیار بالاتری دارند. به گفته Ruslan Prozorov، دانشمند آزمایشگاه ایمز، همه این مواد در آزمایشگاه رشد می کنند. این واقعیت منجر به این باور عمومی شده است که ابررسانایی غیر متعارف یک پدیده طبیعی نیست.
پروزوروف توضیح داد که یافتن ابررساناها در طبیعت دشوار است زیرا بیشتر عناصر و ترکیبات ابررسانا فلزی هستند و تمایل به واکنش با عناصر دیگر مانند اکسیژن دارند. او گفت میازیت (Rh17S15) یک کانی جالب به دلایل مختلف است که یکی از آنها فرمول شیمیایی پیچیده آن است. پروزوروف گفت: “به طور شهودی، شما فکر می کنید که این چیزی است که عمداً در طی یک جستجوی هدفمند تولید می شود و نمی تواند در طبیعت وجود داشته باشد.”
پل کانفیلد، استاد برجسته فیزیک و ستاره شناسی دانشگاه ایالتی آیووا و دانشمند آزمایشگاه ایمز، در طراحی، کشف، رشد و شناسایی مواد کریستالی جدید تخصص دارد. او برای این پروژه کریستال های میازیت با کیفیت بالا را سنتز کرد. کانفیلد گفت: «اگرچه میازیت یک ماده معدنی است که در نزدیکی رودخانه میاس در استان چلیابینسک روسیه یافت شده است، اما این ماده معدنی نادری است که معمولاً به اندازه بلورهای خوش فرم رشد نمی کند.»
رشد کریستال های میازیت بخشی از یک تلاش بزرگتر برای کشف ترکیباتی بود که عناصر را با نقطه ذوب بسیار بالا (مانند Rh) و عناصر فرار (مانند S) ترکیب می کند. کنفیلد گفت: «بر خلاف ماهیت عناصر خالص، ما در استفاده از مخلوط‌هایی از این عناصر که اجازه رشد کریستال را در دمای پایین با حداقل فشار بخار می‌دهد، تسلط داریم. «مثل پیدا کردن یک سوراخ ماهیگیری مخفی است که پر از ماهی های چاق بزرگ است. ما سه ابررسانای جدید در سیستم Rh-S کشف کردیم. و از طریق اندازه گیری های دقیق روسلان، ما متوجه شدیم که میازیت یک ابررسانا غیر متعارف است.
گروه Prozorov متخصص در تکنیک های پیشرفته برای مطالعه ابررساناها در دماهای پایین است. او گفت که این ماده باید به اندازه 50 میلی کلوین سرد باشد که حدود -460 درجه فارنهایت است.
تیم پروزوروف از سه آزمایش مختلف برای تعیین ماهیت ابررسانایی میازیت استفاده کردند. آزمایش اصلی “عمق نفوذ لندن” نام دارد. تعیین می کند که یک میدان مغناطیسی ضعیف تا چه اندازه می تواند به بخش عمده ای از ابررسانا از سطح نفوذ کند. در یک ابررسانای معمولی، این طول اساساً در دمای پایین ثابت است. با این حال، در ابررساناهای غیر متعارف، به طور خطی با دما تغییر می کند. این آزمایش نشان داد که میازیت مانند یک ابررسانا غیر متعارف رفتار می کند.
آزمایش دیگری که تیم انجام داد، وارد کردن نقص در مواد بود. پروزوروف گفت که این آزمایش یک تکنیک امضایی است که تیم او در دهه گذشته از آن استفاده کرده است. این شامل بمباران مواد با الکترون های پر انرژی است. این فرآیند یون ها را از موقعیت خود خارج می کند و در نتیجه نقص هایی در ساختار کریستالی ایجاد می کند. این اختلال می تواند باعث تغییرات در دمای بحرانی مواد شود.
ابررساناهای معمولی به اختلال غیر مغناطیسی حساس نیستند، بنابراین این آزمایش هیچ تغییری در دمای بحرانی نشان نمی دهد یا بسیار کم است. ابررساناهای غیر متعارف حساسیت بالایی نسبت به بی نظمی دارند و ایجاد عیوب باعث تغییر یا سرکوب دمای بحرانی می شود. همچنین بر میدان مغناطیسی بحرانی ماده تأثیر می گذارد. در miassite، تیم دریافت که هم دمای بحرانی و هم میدان مغناطیسی بحرانی همانطور که در ابررساناهای غیر متعارف پیش‌بینی شده بود، رفتار می‌کنند.
مطالعه ابررساناهای نامتعارف درک دانشمندان را از نحوه کار آنها بهبود می بخشد. پروزوروف توضیح داد که این مهم است زیرا “آشکار کردن مکانیسم‌های پشت ابررسانایی غیر متعارف کلیدی برای کاربردهای اقتصادی ابررساناها است.”
این تحقیق بیشتر در «ابررسانایی گرهی در میاسیت Rh17اس15نوشته شده توسط Hyunsoo Kim، Macarius A. Thanatar، Marcin Koncikowski، Romain Grasset، Oudhara S. Kaluarachchi، Seraphim Teknowiyo، Quill Cho، Aashish Sapkota، John M. Wilde، Matthew J. کروگستاد، سرگئی ال. بودکو، فیلیپ ام آر برایدن، پل اس. کانفیلد و روسلان پروزوروف و منتشر شده در مواد ارتباطی
این کار توسط دفتر علوم DOE (دفتر علوم پایه انرژی) پشتیبانی شد و از منابع Advanced Photon Source، یکی از خدمات کاربر دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) استفاده شد.
آزمایشگاه ملی ایمز است وزارت انرژی آمریکا دفتر علوم یک آزمایشگاه ملی که توسط دانشگاه ایالتی آیووا اداره می شود. آزمایشگاه ایمز مواد، فناوری ها و راه حل های انرژی نوآورانه ایجاد می کند. ما از تخصص، توانایی های منحصر به فرد و همکاری بین رشته ای خود برای حل مشکلات جهانی استفاده می کنیم.
آزمایشگاه ایمز توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به https://energy.gov/science.