کلید ابررسانایی در دست میدان مغناطیسی!

ابررسانایی و میدان‌های مغناطیسی معمولاً رقیب هم به حساب می‌آیند٬ طوری‌که میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی موجب ازبین رفتن حالت ابررسانایی می شوند. اما بتازگی فیزیک‌پیشگانی از موسسه‌ی پاول شرر (PSI) نشان داده‌اند که یک حالت نادر ابررسانایی٬ تنها در ماده‌ی CeCoIn5زمانی ایجاد می‌شود که میدان‌های مغناطیسی خارجی قوی وجود داشته باشند. این ماده قبلاً در میدان‌های ضعیف‌تر ابررسانا بوده با این وجود در میدان‌های قوی یک حالت ابررسانایی ثانویه‌ی اضافی نیز ایجاد می‌شود. این یعنی دو حالت ابررساناییِ متفاوت در یک زمان و در یک ماده وجود دارد.

ماده‌ی CeCoIn5 در دماهای بسیار پائین ابررساناست. همان‌طور که انتظار می‌رود ابررسانایی در حضور میدان‌های مغناطیسیِ بسیار قوی از بین می‌رود (در مورد این ماده در میدان‌های بالاتر از ۱۲ تسلا این پدیده رخ می‌دهد). اما اکنون پژوهش‌گرانی از موسسه‌ی پاول شرر نشان داده‌اند قبل از آن‌ که ابررسانایی به خاطر میدان مغناطیس قوی از بین برود٬ حالت نامتعارفی در این ماده در میدان‌های مغناطیسی قوی ایجاد می‌شود. در این حالت نامتعارف٬ یک حالت جدید پادفرومغناطیسیِ اضافی علاوه بر ابررسانایی مشاهده می‌شود. در حالت عادی بخشی از گشتاورهای مغناطیسی این ماده در یک جهت و بخشی در جهت مخالف جهت‌گیری می‌کنند. نتایجی که از مباحثی تقارنی حاصل می‌شود به این نتیجه‌گیری می‌انجامد که بایستی حالت کوانتومی نادری به این سیستم مغناطیسی مرتبط باشد.

میشل کنزلمن در حال تنظیم گاز ورودی به داخل آهنربای با میدان بالا؛ آزمایش‌هایی که بر روی CeCoIn5 در منبع نوترونی SINQ انجام شده است.

دو نوع ابررسانایی در یک زمان

پژوهش‌گرانِ موسسه‌ی PSI خواص این نظام پادفرومغناطیس را مورد آزمایش قرار داده و نتیجه گرفتند که این حالت کوانتومی نادر مربوط به یک حالت ابررسانایی مستقل و ثانویه است. ابررسانایی زمانی رخ می‌دهد که الکترون‌های ماده‌ی موردنظر به شکل جفت‌های کوپری به هم بپیوندند. این جفت‌ها قادرند تا آزادانه در ماده حرکت کنند. از چشم‌انداز جفت‌های کوپری٬ انواع مختلفی از ابررسانایی وجود دارد. به ویژه این ابررسانایی‌ها از لحاظ ویژگی‌های تقارنیِ حرکتِ جفت‌های کوپری با هم‌ تفاوت دارند. در ماده‌ای که اینجا مورد آزمایش واقع شده یک حالت کوانتومی ثانویه (علاوه بر حالت اولیه‌ای که قبلاً وجود داشته) وجود دارد. به بیان تخصصی تر٬ ابتدا ابررسانایی موج-d وجود داشته که در یک حالت نامتعارف به ابرسانایی موج-p می‌پیوندد.

آشکارسازی به وسیله‌ی نوترون‌ها

سیستم پادفرومغناطیسی در ماده‌ی موردنظر با انجام آزمایش‌های نوترونی در منبع نوترونیِ SINQ موسسه‌ی PSI و در موسسه‌ی لاوه-لانگوین در گرنوبل مشاهده شده است. در این آزمایش‌ها پرتوی نوترونی از داخل ماده می گذرد. پس از آن محققان مشاهده می‌کنند که در کدام جهت تعداد زیادی از نوترون‌ها پراکنده می‌شوند. این کار ما را قادر می‌سازد تا در مورد ساختار منظم داخل ماده نتیجه‌گیری کنیم. در این مورد یک جهت اضافی پدیدار می‌شود که بسیاری از نوترون‌ها در میدان‌های مغناطیسی قوی در آن جهت پراکنده می‌شوند. این پدیده به نظام پادفرومغناطیس مربوط می‌شود یا به بیان دقیق‌تر مربوط به یک موج چگالی اسپینی است. یعنی وقتی در جهت معینی در داخل ماده حرکت می‌کنیم٬ ممان‌های مغناطیسی ابتدا در یک جهت قرار دارند٬ بزرگتر شده و سپس کوچک‌تر شود و پس از آن در جهت مخالف قرار گرفته٬ بزرگ تر شده و دوباره کوچک‌تر می‌شوند و غیره. اگر این ممان‌ها را به شکل پیکان هایی رسم کنید٬ نوک این پیکان ‌ها با یک خط موجی بهم مرتبط می‌شوند.

در این ماده٬ امواج چگالی اسپینی قادرند تا در دو جهت (که بر هم عمودند) حرکت کنند٬ یعنی می‌توانند در دو حوزه‌ی مختلف ظاهر شوند. و این همان جهتی است که در آن امواج چگالی اسپینی بسته به جهت میدان مغناطیسی خارجی حرکت می‌کنند. وقتی جهت میدان مغناطیسی در جهت ویژه‌ای تغییر می‌کند جهت‌گیری موج چگالی اسپینی نیز ناگهان تغییر می‌کند. برای اثبات این اثر٬ محققان وسیله‌ی ویژه‌ای را برای نگه‌داشتن نمونه‌ا‌ی از این ماده ساخته‌اند. این نگه‌دارنده با استفاده از این اصل ساخته شده که نمونه بتواند با درجات بسیار کوچکی مابین اندازه‌گیری‌ها منحرف شود.

حالت کوانتومیِ تحت کنترل

آن طور که میشل کنزلمن (Michel Kenzelmann)٬ رئیس تیم تحقیقاتی PSI توضیح می‌دهد: «رفتاری که از این ماده مشاهده شده کاملاً غیرمنتظره بوده و مطمئناً یک اثر مغناطیسیِ خالص نبوده است». «این نشانه‌ای است واضح از این‌که در این ماده یک حالت ابررسانایی جدید همراه با موج چگالی اسپینی (آن‌گونه که از مباحث تقارنی انتظار می‌رود) رخ می‌دهد». ویژگی خاص این حالت آن است که ارتباط بسیار نزدیکی با نظام مغناطیسی دارد. یعنی هم این حالت ابررسانایی جدید و هم موج چگالی اسپینی با افزایش شدت میدان مغناطیسی خارجی تقویت می‌شوند. از این‌رو می‌توان با استفاده از میدان مغناطیسی خارجی این حالت کوانتومی (که به ابررسانایی مربوط است) را مستقیماً کنترل کرد. این امکان که بتوان حالات کوانتومی را مستقیماً کنترل کرد٬ برای رایانه‌های کوانتومیِ آینده حائز اهمیت است. سایمون گربر (Simon Gerber)٬ نویسنده‌ی اول این مقاله می‌افزاید: «حتی اگر این ماده‌ی ویژه٬ احتمالاً به دلیل دماهای پائین و میدان‌های مغناطیسیِ قوی که موردنیاز است٬ مورد استفاده قرار نگیرد٬ اما آزمایش‌های ما نشان می‌دهند که در اصل این نوع از کنترل شبیه چه چیزی می‌تواند باشد».

یافته‌های این پژوهش در مجله‌ی علمی فیزیکِ نیچر انتشار یافته است.