وبلاگ

Newswise – از آن زمان ابررسانایی در اوایل دهه 1900 کشف شد و دانشمندان را مجذوب و متحیر کرد. ابررساناها الکتریسیته را با مقاومت تقریباً صفر هدایت می کنند و امکان انتقال بسیار کارآمد جریان الکتریکی را فراهم می کنند. از جمله کاربردهای دیگر، آنها میدان های مغناطیسی قوی را ایجاد می کنند که ما برای تصویربرداری پزشکی با دستگاه های MRI به آنها وابسته هستیم.

اولین شناخته شده ابررساناجیوه، تنها زمانی کار می کند که دما درست کمتر از -450 درجه فارنهایت کاهش یابد. مواد حاوی مس به نام کپرات ها در دهه 1980 کشف شدند تا در دماهای بالاتر به ابررسانا تبدیل شوند، اگرچه هنوز به طرز ناراحت کننده ای سرد هستند – نزدیک به -200 درجه فارنهایت. درک نحوه عملکرد این ابررساناهای به اصطلاح با دمای بالا می تواند در نهایت منجر به ایجاد ابررسانایی هایی شود که می توانند در شرایط سرد کمتری کار کنند.

یکی از نشانه های بالقوه ابررساناهای با دمای بالا تا کنون کاملاً نظری باقی مانده است. تیمی از دانشمندان، از جمله چندین نفر از آزمایشگاه ملی آرگون (DOE) وزارت انرژی ایالات متحده، وضعیتی از ماده را مشاهده کردند که نماتیک اسپین کوانتومی نامیده می‌شود. مطالعه ای که بود منتشر شده در مجله Nature، از منبع فوتون پیشرفته (APS)، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE در Argonne استفاده می کند، که همچنین اتفاقاً از ابررساناها استفاده می شود. نتایج بینشی در مورد دو دمای بالا می دهد ابررسانایی-and-magnetism” href=”https://www.anl.gov/msd/ابررسانایی-and-magnetism” target=”_blank”>ابررسانایی و برخی از فیزیک درگیر محاسبات کوانتومی.

شما می توانید یک نماتیک اسپین کوانتومی را به عنوان نسخه کوانتومی کریستال های مایع در نظر بگیرید. سال ها پیش پیشنهاد شد، اما هرگز به طور مستقیم مشاهده نشد. – جونگ وو کیم، آزمایشگاه ملی آرگون

ابررسانایی زمانی است که ذرات باردار معروف به الکترون از کانالی با مقاومت صفر عبور می کنند. این جریان بدون محدودیت الکترون ها زمانی اتفاق می افتد که a ابررسانا نیرویی وارد می کند که باعث جفت شدن الکترون ها می شود. در یک سیم مسی معمولی، برخی از الکترون ها به ناچار با خود سیم برهمکنش می کنند و مقاومتی ایجاد می کنند که به معنای از دست دادن انرژی است. جفت شدن الکترون ها در ابررساناها یک شاهراه الکترونی ایجاد می کند که به ذرات اجازه می دهد بدون مانع جریان پیدا کنند.

اما دمای بالا دقیقا چگونه کار می کند؟ ابررسانا دستیابی به این اثر، و آیا می توان مواد را به گونه ای تغییر داد که حتی با بالا رفتن دماسنج، این اثر ادامه یابد؟ برای پاسخ به این سؤالات، دانشمندان بررسی کرده‌اند که حالت‌های الکترونیکی و اسپین در این مواد کریستالی چگونه چیده شده‌اند و چگونه رفتار می‌کنند.

نماتیک اسپین کوانتومی، فازی که اعتقاد بر این است که با دمای بالا مرتبط است ابررسانایی، آرایش حالت های چرخش درهم تنیده را توصیف می کند. کلمه “nematic” نوعی ساختار کریستالی مایع را توصیف می کند که در آن گروهی از مولکول ها دارای محورهای موازی هستند که کم و بیش در یک جهت متمایل شده اند. صفحه نمایش کریستال مایع یا ال سی دی در تلویزیون یا مانیتور کامپیوتر شما توسط کریستال های مایع نماتیک که با جریان الکتریکی تعامل دارند، تغذیه می شود. اسپین یک ویژگی کوانتومی است که نه حرکت چرخشی بلکه تکانه زاویه ای ذاتی را توصیف می کند.

جونگ وو کیم، فیزیکدان آرگون و یکی از نویسندگان این مطالعه، می گوید: «می توانید یک نماتیک اسپین کوانتومی را به عنوان نسخه کوانتومی کریستال های مایع در نظر بگیرید. سال‌ها پیش پیشنهاد شد، اما هرگز به‌طور مستقیم مشاهده نشد. که در محاسبات کوانتومی سیستم، درهم تنیدگی را می توان برای رمزگذاری و انتقال داده استفاده کرد.

این تیم به رهبری مؤسسه علوم پایه کره جنوبی و دانشگاه علم و فناوری پوهانگ، از اشعه ایکس قدرتمند در APS Argonne برای جستجوی شواهدی از این وضعیت در نمونه ای از اکسید iridate استفاده کردند. نشان داده شده است که Iridates دارای ویژگی های کلیدی کوانتومی با ابررساناهای با دمای بالا هستند.

یک فاز نماتیک اسپین کوانتومی پیشنهاد شد، اما به طور تجربی تایید نشد، زیرا تشخیص آن با اندازه‌گیری‌های مغناطیسی معمولی چالش برانگیز است – فاقد امضای مغناطیسی واضحی است که بتوان به راحتی مشاهده کرد. «وقتی به یک اشعه ایکس می‌تابید اشعه با نمونه، آرایش اتمی دارای امضا است. Yongseong Choi، فیزیکدان Argonne و یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: نظم اسپین و درهم تنیدگی کوانتومی نیز می تواند سیگنال هایی را منتشر کند. سیگنال ساختار اتمی قوی ترین است. چرخش ضعیف است، اما هنوز قابل اندازه گیری است. مقیاس درهم تنیدگی کوانتومی این سیگنال کوچک است که روی حالت‌های بسیار بزرگ‌تر از حالت‌های دیگر قرار گرفته است.”

برای شناسایی این پدیده ها در APS، دانشمندان از تکنیکی به نام پراش پرتو ایکس تشدید استفاده کردند. خط پرتو 4-ID-Dکه برای مطالعه مواد مغناطیسی طراحی شده است. این فرآیند شامل اندازه گیری شدت پرتوهای ایکس قطبی دایره ای پراکنده شده توسط مواد است. قطبش به جهت گیری میدان الکتریکی در نور پرتو ایکس اشاره دارد. امواج قطبی دایره ای دارای یک میدان الکتریکی دوار هستند که شبیه یک مته سبک است که به دلیل تداخل با پراکندگی اشعه ایکس از آرایش چرخشی معمولی و درهم تنیدگی اسپین موجود در این ماده منحصر به فرد، پاسخ های منحصر به فردی ایجاد می کند.

تیم تحقیقاتی همچنین از تکنیک‌های پراکندگی غیرالاستیک پرتو ایکس تشدید پلاریزاسیون-شکاف در خط پرتو 27-ID-B در APS استفاده کردند. در این مطالعه، امواج نور پرتو ایکس خطی هستند و با جهت خاصی از چرخش برهم کنش دارند. با انجام اندازه گیری جهت پرتو، جهت نمونه و جهت میدان مغناطیسی، تیم قادر به تشخیص تحریکات مغناطیسی – پاسخی جمعی به بسیاری از اسپین ها – در فاز نماتیک اسپین کوانتومی بود که به طور قابل توجهی از آنچه در حالت مغناطیسی سنتی

انفجارهای شدید نور پرتو ایکس مطالعه باید در یک محیط فوق پایدار اجرا شود. تنها چند ابزار در جهان وجود دارند که این توانایی را دارند که پرتوهای ایکس شدید، تغییر پلاریزاسیون، انجام پراش و حفظ پایداری شدید را به طور همزمان داشته باشند. این امر خط پرتو را خاص می‌کند.

اگرچه این مطالعه وجود حالت نماتیک اسپین کوانتومی را تأیید می کند، اما باید کارهای بیشتری برای پیوند آن با مکانیسم دمای بالا انجام شود. ابررسانایی. مانع تولید نمونه با اندازه مناسب و کیفیت بالا یک چالش همیشگی در تحقیقات است. این ارتقا APS، که در حال حاضر برای افزایش روشنایی اشعه ایکس تا ضریب 500 در حال انجام است، بر این امر غلبه خواهد کرد. این بهبود نه تنها مطالعه نمونه‌های بسیار کوچک‌تر را تسهیل می‌کند، بلکه امکان تجزیه و تحلیل پیچیده‌تر و دقیق‌تر از پدیده‌ها را نیز فراهم می‌کند.

نویسندگان دیگر Argonne عبارتند از: Jörg Strempfer، Daniel Haskell، و Jung Ho Kim. سایر نویسندگان مقاله عبارتند از دانشمندانی از مؤسسه علوم بنیادی، دانشگاه علم و فناوری پوهانگ، دانشگاه ملی سئول، مرکز تابش سنکروترون اروپا و Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati (موسسه مواد نانوساختار). علاوه بر وزارت انرژی ایالات متحده، مؤسسه علوم پایه؛ بنیاد علم و فناوری سامسونگ؛ و وزارت علوم و فناوری اطلاعات و ارتباطات کره از این مطالعه حمایت کردند.