پیشرفت‌های تجربی در ابررسانایی هیدریدی و مواد پرفشار

رؤیای صد ساله انتقال بدون اتلاف؛ معمای دمای بحرانی در فیزیک کوانتوم

از زمان کشف پدیده ابررسانایی توسط کامرلینگ اونس در سال ۱۹۱۱، این حالت اعجاب‌انگیز ماده که در آن مقاومت الکتریکی به صفر مطلق می‌رسد و خطوط میدان مغناطیسی به بیرون رانده می‌شوند (اثر مایسنر)، مقدس‌ترین جام جهان فیزیک بوده است. اگر بشر بتواند به ماده‌ای دست یابد که در دما و فشار اتاق ابررسانا باشد، انقلابی در مقیاس صنعتی رخ خواهد داد: انتقال برق سراسری بدون حتی یک درصد تلفات، موتورهای الکتریکی بدون اصطکاک و کامپیوترهای کوانتومی بدون نیاز به سیستم‌های خنک‌کننده پرهزینه هلیومی.

با این حال، برای دهه‌ها سقف دمای بحرانی (Tc) در آلیاژهای سنتی مانند نیوبیوم-قلع در محدوده‌های فوق‌سرد زیر ۲۳ کلوین منجمد مانده بود. تئوری مشهور BCS (باردین، کوپر و شریفر) پیش‌بینی کرده بود که برای دستیابی به دمای بحرانی بالاتر، نیازمند اتم‌هایی با کمترین جرم ممکن هستیم تا فرکانس نوسانات شبکه (فونون‌ها) به حداکثر برسد. سبک‌ترین اتم جهان، هیدروژن است.

همان‌طور که در واکاوی کشف مواد جدید و شبکه‌های ابررسانا با مدل‌های مولد هوش مصنوعی اشاره کرده بودیم، هیدروژن خالص برای تبدیل شدن به فلز نیازمند فشارهایی فراتر از ۵۰۰ گیگاپاسکال (بیش از فشار مرکز کره زمین!) است که ساخت آن در آزمایشگاه‌ها عملاً ناممکن بود؛ تا زمانی که ایده شیمیایی «پیش‌فشردگی هیدریدی» (Chemical Pre-compression) متولد شد.

کالبدشناسی سوپرهیدریدها؛ شاهکار قفس‌های بلوری کلترات امروزه

در ترکیبات نوین هیدریدی مانند لانتانیوم هیدرید (LaH10) و هیدریدهای سه‌گانه ایتریوم-لیتیم، اتم‌های فلزی سنگین در مرکز شبکه قرار می‌گیرند و اتم‌های هیدروژن را درون قفس‌های هماهنگ نانومتری (Clathrate Cages) فشرده می‌سازند. این ساختار شیمیایی منحصربه‌فرد، فشار مورد نیاز برای رسانایی فلزی هیدروژن را تا ۷۰ درصد کاهش می‌دهد.

در آزمایش‌های تکرارپذیر دوران کنونی در آزمایشگاه‌های تابش سنکروترون برتر جهان (مانند ESRF و SPring-8)، نمونه‌های میکرومتری این هیدریدها درون «سلول‌های سندان الماس» (Diamond Anvil Cells یا DAC) قرار گرفته و تحت پرتو لیزرهای پالسی تا فشارهای ۱۲۰ تا ۱۵۰ گیگاپاسکال فشرده شدند. نتایج ثبت‌شده شگفت‌انگیز بود: دمای بحرانی ابررسانایی تا مرز ۲۵۵ کلوین (منفی ۱۸ درجه سانتی‌گراد) ثبت شد؛ دمایی که به راحتی با یخ خشک یا حتی فریزرهای معمولی قابل دسترسی است!

این پیشرفت پیوند عمیقی با تحولات در حوزه مهندسی مواد دارد؛ همان‌طور که دستکاری ساختارهای نانومتری در نوآوری در نانوساختارهای آند سیلیکون-کربن در باتری‌ها موجب جهش ظرفیت شد، در اینجا نیز مهندسی اتمی هیدریدها سدهای فیزیک کلاسیک را شکسته است.

اثبات قطعی اثر مایسنر؛ تلفیق DAC با مغناطیس‌سنج‌های کوانتومی الماس

بزرگ‌ترین رسوایی‌های علمی سال‌های گذشته در حوزه ابررسانایی، ناشی از اندازه‌گیری‌های نادرست مقاومت الکتریکی و عدم امکان اثبات قاطع اثر طرد میدان مغناطیسی (Meissner Effect) درون حجم فوق‌العاده میکروسکوپی سلول‌های سندان الماس بود. نمونه‌های فشرده‌شده قطری کمتر از ۵۰ میکرون دارند و سنسورهای مغناطیسی معمولی قادر به تفکیک سیگنال‌های آن‌ها از نویزهای پس‌زمینه نبودند.

امروزه این چالش با ادغام حسگرهای کوانتومی مراکز تهی‌جایی-نیتروژن (NV Centers) بر روی نوک سندان‌های الماسی حل شد. این فناوری که اصول آن در مقاله حسگرهای کوانتومی الماس و مراکز تهی‌جایی نیتروژن NV تشریح گردید، امکان تصویربرداری مغناطیسی با تفکیک فضایی در مقیاس نانومتر را مستقیماً درون محفظه پرفشار فراهم ساخت.

تیم‌های پژوهشی مشترک با این ابزار کوانتومی توانستند طرد قطعی میدان مغناطیسی و پدیده قفل‌شدگی کوانتومی شار (Flux Pinning) را در هیدریدهای فلزی بدون کوچک‌ترین ابهامی مستندسازی کنند و بر دهه‌ها شکاکیت علمی نقطه پایان بگذارند.

نقشه راه به سوی فشار محیط؛ مدل‌های دیفیوژن و محاسبات کریستالوگرافی

اگرچه دستیابی به دمای منفی ۱۸ درجه سانتی‌گراد دستاوردی تاریخی است، اما فشار ۱۲۰ گیگاپاسکالی همچنان مانع از استفاده تجاری در خطوط انتقال برق یا ترن‌های مگلو است. هدف کنونی فیزیکدانان امروزه کشف ترکیباتی است که بتوانند پیوندهای هیدروژنی متراکم را در فشار ۱ اتمسفر (محیط) در حالت «شبه‌پایدار» (Metastable) حفظ کنند؛ همان‌طور که الماس در فشار اتاق پایدار می‌ماند هرچند در اعماق پرفشار زمین متولد شده است.

مدل‌های یادگیری عمیق ساختار بلوری در حال حاضر میلیون‌ها ترکیب سه‌گانه و چهارگانه هیدریدی را شبیه‌سازی می‌کنند تا ترکیباتی کشف شوند که پس از برداشتن فشار سندان، ساختار قفس کلترات خود را حفظ نمایند. این الگوریتم‌ها از نظر ریاضی همان ریشه‌هایی را دارند که در ساعت‌های شبکه نوری استرانسیوم و ژئودزی کوانتومی برای سنجش پتانسیل گرانشی به کار گرفته می‌شوند.

نتیجه‌گیری تحریریه؛ طلوع عصر فناوری‌های بدون اتلاف انرژی

دوران کنونی به عنوان دورانی در تاریخ علم ثبت خواهد شد که در آن ابررسانایی از یک کنجکاوی آزمایشگاهی در نزدیکی صفر مطلق، به یک علم مهندسی پیش‌بینی‌پذیر با مدل‌های کامپیوتری تبدیل شد. گام‌های استواری که امروز در درک برهم‌کنش الکترون-فونون در هیدریدهای متراکم برداشته شده، نویدبخش این است که رؤیای شبکه برق فوق‌پایدار و تمدن پاک مبتنی بر ترابرد کوانتومی بیش از هر زمان دیگری در دسترس انسان قرار دارد.

تحریریه ماگ بیت با هیجان تحولات این مرز دانش را دنبال کرده و آخرین یافته‌های فیزیکدانان را برای جامعه علمی و علاقه‌مندان فناوری تحلیل می‌نماید.