دانشمندان دانشگاه وارویک با استفاده از تصویربرداری پیشرفته سه‌بعدی با پرتو ایکس نشان داده‌اند که ساختار بلوری یکی از خانواده‌های مهم ابررساناها برخلاف تصور رایج، در سراسر بلور یکنواخت نیست. این یافته می‌تواند درک دانشمندان از ابررسانایی دمای بالا و نحوه طراحی مواد ابررسانای جدید را تغییر دهد.

کشف ساختار پنهان درون ابررساناها

ابررسانایی دمای بالا یکی از مهم‌ترین دستاوردهای علمی چهار دهه اخیر به شمار می‌رود. در مواد ابررسانا، جریان الکتریکی می‌تواند بدون مقاومت الکتریکی عبور کند و همین ویژگی، این مواد را به گزینه‌ای مهم برای فناوری‌های آینده از جمله شبکه‌های برق، آهنرباهای قدرتمند، اسکنرهای پزشکی و رایانه‌های کوانتومی تبدیل کرده است.

با این حال، یکی از پرسش‌های اساسی درباره ابررساناهای کوپراتی همچنان این است که ساختار داخلی این مواد چگونه بر رفتار ابررسانایی آن‌ها تأثیر می‌گذارد. کوپرات‌ها خانواده‌ای از مواد مبتنی بر مس هستند که می‌توانند در دماهایی نسبتاً بالا، هرچند همچنان بسیار پایین، به حالت ابررسانا برسند.

پژوهشگران دپارتمان شیمی دانشگاه وارویک، با همکاری مرکز تابش سینکروترون اروپا (ESRF) در فرانسه، برای بررسی این موضوع به درون ساختار بلوری این مواد نگاه کردند.

پایان یک فرض 40 ساله درباره ساختار کوپرات‌ها

برای حدود 40 سال، بسیاری از مدل‌های علمی و نظریه‌های مربوط به ابررساناهای کوپراتی بر این فرض استوار بوده‌اند که ساختار بلوری این مواد در تمام حجم بلور تقریباً یکسان است.

اما پژوهش جدید نشان می‌دهد که این فرض تصویر کاملی از ساختار واقعی ماده ارائه نمی‌کند. دانشمندان با استفاده از روشی به نام پراش پرتو ایکس سه‌بعدی روبشی (Scanning 3D X-ray Diffraction) توانستند تصویری سه‌بعدی از بخش داخلی بلور تهیه کنند. این روش از نظر مفهوم شباهت‌هایی به سی‌تی‌اسکن دارد، با این تفاوت که به جای تصویربرداری از بافت‌های بدن، آرایش اتم‌ها و ساختار بلوری ماده را بررسی می‌کند.

نتایج نشان داد که بلور مورد مطالعه از مجموعه‌ای از نواحی با دو آرایش بلوری متفاوت تشکیل شده است. این دو ساختار که با نام‌های LTO و LTT شناخته می‌شوند، در بخش‌های مختلف بلور در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند.

بلور ابررسانا یک ساختار یکنواخت نیست

یکی از مهم‌ترین یافته‌های این پژوهش، مشاهده مرزهایی میان نواحی مختلف ساختاری بود که عرض آن‌ها بسیار بیشتر از چیزی است که برای مرز معمول میان دو ساختار بلوری انتظار می‌رفت.

پژوهشگران دریافتند که این نواحی مرزی تنها یک خط باریک بین دو ساختار نیستند، بلکه خود می‌توانند به‌عنوان مناطقی با ویژگی‌های ساختاری قابل توجه در نظر گرفته شوند. پروفسور مارک سن (Mark Senn) از دپارتمان شیمی دانشگاه وارویک و سرپرست این پژوهش توضیح می‌دهد که برای چهار دهه تصور غالب این بوده است که این مواد در سراسر بلور ساختاری یکسان دارند و بخش قابل توجهی از نظریه‌های موجود نیز بر همین اساس شکل گرفته‌اند.

به گفته او، نتایج جدید نشان می‌دهد که ساختار این بلورها در واقع بافت‌دار و تکه‌تکه (Patchworked) است و نواحی مرزی گسترده ممکن است به جای آنکه صرفاً در کنار ابررسانایی قرار داشته باشند، بر عملکرد ابررسانای ماده اثر منفی بگذارند.

تفاوت ساختارهای LTO و LTT چیست؟

در بررسی انجام‌شده، دو نوع ساختار بلوری LTO (Low-Temperature Orthorhombic) و LTT (Low-Temperature Tetragonal) شناسایی شدند.

در ساختار LTO، جهت اعوجاج ساختاری در لایه‌های مختلف به‌صورت هم‌راستا گسترش پیدا می‌کند. در مقابل، در ساختار LTT جهت این اعوجاج میان لایه‌های مجاور تغییر می‌کند و با چرخشی 90 درجه‌ای از یک راستای قطری به راستای قطری دیگر منتقل می‌شود.

این تفاوت ظریف در نحوه آرایش اتم‌ها می‌تواند پیامدهای مهمی برای خواص فیزیکی ماده داشته باشد. تصویربرداری سه‌بعدی جدید به پژوهشگران اجازه داد تا توزیع این ساختارها را در حجم واقعی نمونه مشاهده کنند؛ موضوعی که با اندازه‌گیری‌های متعارف از سطح یا میانگین‌گیری روی کل نمونه به‌سادگی قابل مشاهده نیست.

چرا این کشف برای ابررسانایی اهمیت دارد؟

ساختار داخلی مواد نقش مهمی در تعیین خواص الکتریکی و فیزیکی آن‌ها دارد. اگر یک ابررسانا در سراسر حجم خود ساختار کاملاً یکنواختی نداشته باشد، اندازه‌گیری‌های انجام‌شده روی کل نمونه ممکن است ترکیبی از رفتار نواحی مختلف را نشان دهند.

پژوهشگران معتقدند ساختار موزاییکی مشاهده‌شده می‌تواند به توضیح این موضوع کمک کند که چرا برخی مواد ابررسانا عملکرد متفاوتی نسبت به مواد مشابه دارند. این یافته همچنین نشان می‌دهد که برخی اندازه‌گیری‌های حجمی گذشته ممکن است نیاز به تفسیر مجدد داشته باشند و مدل‌های نظری آینده باید ناهمگنی و پیچیدگی ساختاری داخل بلور را نیز در نظر بگیرند.

آیا این پدیده در سایر ابررساناها نیز وجود دارد؟

به گفته تیم پژوهشی، ساختار پچ‌ورک یا موزاییکی مشاهده‌شده احتمالاً تنها به ماده مورد بررسی محدود نیست و ممکن است در بخش گسترده‌تری از خانواده ابررساناهای کوپراتی نیز وجود داشته باشد.

این احتمال حتی می‌تواند برای مواد دیگری که در شرایط شدید، از جمله فشارهای بسیار بالا، برای دستیابی به ابررسانایی مورد مطالعه قرار می‌گیرند، اهمیت داشته باشد.

تصویربرداری سه‌بعدی؛ گام مهمی در مطالعه مواد

اهمیت این پژوهش تنها به کشف ساختارهای متفاوت درون یک ابررسانا محدود نمی‌شود. فناوری تصویربرداری مورد استفاده، امکان بررسی سه‌بعدی ساختار داخلی مواد را با سطحی از جزئیات فراهم کرده است که پیش از این به‌سادگی در دسترس نبود.

این قابلیت می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا ارتباط میان ساختار داخلی، نقص‌های بلوری، نواحی مرزی و خواص فیزیکی مواد را بهتر درک کنند. پیشرفت‌های اخیر در ESRF، از جمله یک ارتقای زیرساختی با هزینه حدود ۱۵۰ میلیون یورو، امکان انجام چنین مطالعات پیشرفته‌ای را فراهم کرده است.

نتیجه‌گیری

این پژوهش تصویری متفاوت از ساختار ابررساناهای کوپراتی ارائه می‌دهد. برخلاف فرضی که برای دهه‌ها در بسیاری از مطالعات مورد استفاده قرار گرفته بود، ساختار بلوری این مواد ممکن است در سراسر حجم نمونه یکنواخت نباشد و از نواحی مختلف LTO و LTT و مرزهای گسترده میان آن‌ها تشکیل شده باشد.

شناخت این پیچیدگی ساختاری می‌تواند به درک بهتر سازوکار ابررسانایی دمای بالا کمک کند و در آینده برای طراحی و بهینه‌سازی مواد ابررسانای جدید اهمیت داشته باشد.