طیف‌سنجی تونل‌زنی واضح‌ترین دلیل را نشان می‌دهد که این حالت ابررسانای عجیب و غریب ماده بدون میدان مغناطیسی در یک ابررسانا مبتنی بر آهن وجود دارد.
محققان یک حالت ابررسانایی جایگزین به نام موج چگالی جفتی (PDW) را در یک محیط غیر مغناطیسی کشف کردند که درک قبلی از ابررسانایی را به چالش می‌کشد. این پیشرفت در یک ابررسانا مبتنی بر آهن که فرومغناطیس را نیز نشان می دهد، پتانسیل جدیدی را برای تحقیقات ابررسانایی باز می کند و می تواند انقلابی در این زمینه ایجاد کند.
در زمینه ابررسانایی – پدیده‌ای که در آن الکترون‌ها می‌توانند از طریق ماده‌ای با مقاومت اساساً صفر جریان پیدا کنند – « جام مقدس» کشف ابررسانایی است که می‌تواند تحت دما و فشارهای روزمره عمل کند. چنین ماده ای می تواند زندگی مدرن را متحول کند. اما در حال حاضر، حتی ابررساناهای “درجه حرارت بالا” (Tc بالا) که کشف شده اند باید برای عملکرد بسیار سرد نگه داشته شوند – برای اکثر کاربردها خیلی سرد.
دانشمندان هنوز چیزهای زیادی برای یادگیری قبل از تحقق ابررسانایی در دمای اتاق دارند، عمدتاً به این دلیل که ابررساناها مواد بسیار پیچیده ای هستند که حالت های مغناطیسی و الکترونیکی در هم تنیده و گاهی اوقات رقیب دارند. گره‌گشایی و تفسیر این حالت‌ها یا مراحل مختلف می‌تواند بسیار دشوار باشد.
یکی از این حالت ها حالت ابررسانای متناوب ماده است که به عنوان موج چگالی جفتی (PDW) شناخته می شود که توسط جفت الکترون های جفت شده ای که دائماً در حرکت هستند مشخص می شود. تصور می‌شد که PDWها تنها زمانی به وجود می‌آیند که یک ابررسانا در یک میدان مغناطیسی بزرگ قرار می‌گیرد – تا کنون، یعنی.
اخیراً، محققان آزمایشگاه ملی بروکهاون، دانشگاه کلمبیا، و مؤسسه ملی علوم و فناوری صنعتی پیشرفته ژاپن، PDW را در یک ماده ابررسانا مبتنی بر آهن و بدون میدان مغناطیسی مشاهده کردند. آنها نتایج خود را در 28 ژوئن 2023، نسخه آنلاین مجله Nature شرح می دهند.
کازوهیرو فوجیتا، فیزیکدان در بروکهاون که در این مطالعه شرکت کرد، گفت: «محققان در حوزه ما این نظریه را مطرح کرده‌اند که یک PDW می‌تواند به تنهایی وجود داشته باشد، اما شواهد در بهترین حالت مبهم هستند. این ابررسانا بر پایه آهن اولین ماده ای است که در آن شواهد به وضوح به PDW میدان مغناطیسی صفر اشاره می کند. این یک نتیجه هیجان انگیز است که راه های بالقوه جدیدی را برای تحقیق و کشف برای ابررسانایی باز می کند.
این ماده، پنکتید آهن EuRbFe4As4 (Eu-1144)، که ساختار کریستالی لایه‌ای دارد، نیز کاملاً قابل توجه است زیرا به طور طبیعی هم ابررسانایی و هم فرومغناطیس را نشان می‌دهد. این هویت دوگانه غیرمعمول همان چیزی است که در ابتدا گروه را به سمت مطالب سوق داد و آنها را به مطالعه آن سوق داد.
می‌خواستیم ببینیم آیا این مغناطیس با ابررسانایی مرتبط است؟ به طور کلی، ابررساناها با نظم مغناطیسی بی‌ثبات می‌شوند، بنابراین وقتی ابررسانایی و مغناطیس هر دو با هم در یک ترکیب واحد وجود داشته باشند، جالب است که ببینیم این دو چگونه در کنار هم وجود دارند.» وابسته به Brookhaven و Columbia است. «می‌توان تصور کرد که این دو پدیده در بخش‌های مختلف ترکیب وجود داشته باشند و هیچ ارتباطی با یکدیگر نداشته باشند. اما در عوض متوجه شدیم که ارتباط زیبایی بین این دو وجود دارد.»
ابررسانایی مدوله شده فضایی پس از ظهور مغناطیس تشخیص داده شد.
پاسوپاتی و همکارانش Eu-1144 را در آزمایشگاه ارتعاش بسیار کم بروکهاون با استفاده از یک میکروسکوپ تونلی روبشی تصویربرداری طیف‌سنجی پیشرفته (SI-STM) مطالعه کردند.
“فوجیتا گفت: این میکروسکوپ تعداد الکترون ها را در یک مکان خاص در “تونل” ماده بین سطح نمونه و نوک SI-STM اندازه گیری می کند زیرا ولتاژ بین نوک و سطح متغیر است. این اندازه‌گیری‌ها به ما اجازه می‌دهد تا نقشه‌ای از شبکه بلوری نمونه و تعداد الکترون‌های با انرژی‌های مختلف در هر مکان اتمی ایجاد کنیم.”
این یک نتیجه هیجان انگیز است که راه های بالقوه جدیدی را برای تحقیق و کشف برای ابررسانایی باز می کند.
آنها با افزایش دمای نمونه، اندازه گیری هایی را روی نمونه خود انجام دادند و از دو نقطه بحرانی عبور کردند: دمای مغناطیس، که در زیر آن ماده فرومغناطیس را نشان می دهد، و دمای ابررسانا، که در زیر آن ماده قادر به حمل جریان با مقاومت صفر است.
در زیر دمای بحرانی ابررسانای نمونه، اندازه‌گیری‌ها شکافی را در طیف انرژی‌های الکترون نشان داد. این شکاف نشانگر مهمی است زیرا اندازه آن معادل انرژی است که برای جدا کردن جفت الکترون‌هایی که جریان ابررسانا را حمل می‌کنند، لازم است. مدولاسیون ها در شکاف تغییراتی را در انرژی های اتصال الکترون ها نشان می دهد که بین حداقل و حداکثر در نوسان هستند. این مدولاسیون های شکاف انرژی امضای مستقیم یک PDW هستند.
این کشف محققان را به سمت‌های جدیدی سوق می‌دهد، مانند تلاش برای بازتولید این پدیده در مواد دیگر. همچنین جنبه‌های دیگری از یک PDW وجود دارد که می‌توان آنها را بررسی کرد، مانند تلاش برای تشخیص غیرمستقیم حرکت جفت‌های الکترون از طریق امضاهایی که در خواص دیگر ماده نشان داده می‌شوند.
پسوپاتی گفت: “بسیاری از همکاران ما علاقه زیادی به کار ما نشان داده‌اند و در حال برنامه‌ریزی انواع مختلفی از آزمایش‌ها روی این ماده هستند، مانند استفاده از اشعه ایکس و میون”.
