ابر رسانایی آنیونی

كن لیونز فیزیكدان آزمایشگاه AT&TBell در یك سخنرانی خارج از برنامه در جلسه انجمن فیزیك امریكا اطلاعات شگفتی آوری درباره ابر رساناهای گرم ارائه كرد، كه ممكن است نحوه كار این ابر رساناها را برایمان روشن‌تر كند. بیش از سه سال است كه پژوهشگران روی این مواد بالقوه مفید تحقیق كرده‌اند، اما هنوز به هیچ نظریه‌ای كه چگونگی ابر رسانا شدن آن‌ها را توضیح بدهد و مورد توافق همگان هم باشد، دست نیافته‌اند. یكی از نظریه‌ها كه داده‌های لیونز تا اندازه‌ای مؤید آن است این است كه انیون‌ها در ابر رسانایی گرم دست دارند؛ انیون‌ها شبه ذرات عجیبی هستند كه فقط در دو بعد وجود دارند. با آنكه لوینز ارتباط انیون‌ها و ابر رسانایی را به صورت یك پیشنهاد مطرح كرد، بسیاری از دانشمندان حاضر در جلسه از این خبر به شدت هیجان زده شدند.
از سال 1987 كه ابر رساناهای گرم كشف شدند، نظریه‌های زیادی برای توضیح آن‌ها ارائه شده است، ولی هنوز هیچكدام از آن‌ها را نمی‌توان نام برد كه مورد قبول تعداد زیادی فیزیكدان باشد. بعضی از نظریه‌دان‌ها پیشنهاد كرده‌اند كه شاید كلید درك خواص ابر رساناها، در صفحات دو بعدی حاوی اتم‌های مس و اكسیژن است كه ظاهراً محمل جریان در این موادند. رابرت لافلین از دانشگاه استانفورد، موافق با این نظر، پیشنهاد كرده است كه احتمالاً انیون‌ها عامل ابر رسانایی در این موادند.
نظریه انیون پیش بینی‌های زیادی درباره رفتار ابر رساناهای گرم می‌كند. آزمون خیلی از این نظریه‌ها مشكل است، ولی آزمایش لیونز اولین آزمایشی است كه قرینه محكمی حاكی از احتمال وجود انیون‌ها را در ابر رساناهای گرم به دست می‌دهد. لیونز هشدار داد كه حتی اگر انیون‌ها در این مواد وجود داشته باشند، لزومی ندارد كه عامل ابر رسانایی به شمار بروند. با این حال این مشاهدات در صورتی كه تأیید شوند، كمك خواهند كرد كه بتوان میان نظریه‌های رقیب ابر رسانایی گرم، برخی را برتر شمرد.
فهم انیون‌ها با توجه و قیاس با فرمیون‌ها و بوزون‌ها، كه دو نوع ذره ممكن در جهان سه بعدی هستند میسر است. فرمیون‌ها كه پروتون‌ها، نوترون‌ها، و الكترون‌ها از زمره آنان‌اند، ذراتی گوشه‌گیر اند، دو فرمیون در هیچ سیستمی نمی‌توانند یك حالت كوانتومی واحد را اشغال كنند. از طرف دیگر بوزون‌ها، كه فوتون‌ها از زمره آن‌ها هستند، در جمع می‌لولند؛ نه تنها زیادی بوزون همانند می‌توانند وجود داشته باشند، بلكه این ذرات ترجیح می‌دهند كه همان حالت كوانتومی‌ای را اختیار كنند كه بقیه بوزون‌ها در آن‌اند. انیون‌ها در حد فاصل فرمیون‌ها و بوزون‌ها جا دارند.
تعریف دقیق انیون تا اندازه‌ای فنی است و فقط با اصطلاحات مكانیك كوانتومی می‌توان آن را بیان كرد. به زبان ریاضی، فرمیون‌ها، بوزون‌ها، و انیون‌ها همگی برحسب تابع موج‌های كوانتومی سیستمی متشكل از دو یا چند ذره تعریف می‌شوند. اگر در یك سیستم جای دو فرمیون را عوض كنند، تابع موج آرایش جدید 1- برابر تابع موج آرایش قبلی است؛ می‌توان چنین تصور كرد كه تابع موج °180 چرخیده است. اگر دو بوزون در یك دستگاه جایشان را عوض كنند تابع موج تغییری نمی‌كند، می‌توان گفت كه تابع موج °0 یا °360 چرخیده است.
از طرف دیگر در یك سیستم انیونی، اگر جای دو ذره با هم عوض شود، تابع موج می‌تواند به اندازه هر زاویه‌ای بچرخد. به همین دلیل، فرانك ویلچك، از انستیتوی مطالعات عالی، آن‌ها را انیون نامید (كه می‌شود آن را هرچیون ترجمه كرد).
ویلچك اولین بار در 1982 به توصیف انیون‌ها پرداخت اگر چه از دید ریاضی انیون‌ها موجوداتی دو بعدی‌اند، ولی در دنیای سه بعدی واقعی هم می‌توانند نقشی داشته باشند. دلیلش این است كه سیستم‌های زیادی وجود دارند كه رفتارشان دو بعدی است. آشناترین مثال، گاز الكترونی دو بعدی است. در بعضی نیمرساناهای لایه‌ای، الكترون‌ها مقید به ناحیه بی‌اندازه نازكی از موادند و بنابراین عملاً در 2 بعد حركت می‌كنند، این خاصیت ممكن است به رفتار خیلی عجیبی منجر شود، مثل اثر كوانتومی كسری هال، كه در آن حركت بار به صورتی است كه گویی كسری از بار یك الكترون منفرد است. نظریه‌دان‌ها نشان داده‌اند كه اثر كسری كوانتومی هال را با فرض وجود انیون‌ها می‌توان توضیح داد.
لیونز از آزمایشگاه‌های بل، برای تحقیق وجود انیون‌ها در بعضی مواد ابر رسانا به این طریق عمل كرد كه نور لیزر قطبی شده را به نمونه‌های این مواد تاباند و قطبش نور باز تابیده را اندازه گرفت. این آزمایش‌ها كه 2 ماه طول كشید، درست 3 روز پیش از گردهمایی ماه مارس تكمیل شد. گروه او بلورهای 7O3Cu2YBa و لایه‌های نازك 7O3Cu2YBa و بلور 7O2CaCu2Sr2Bi را امتحان كردند. با آنكه اندازه‌گیری دقیق نور بازتابیده مشكل بود، پژوهشگران توانستند نشان بدهند كه قطبش نور بازتابیده با قطبش نور فرودی به نحو خاصی تفاوت دارد.
به نظر لیونز این تغییر قطبش واقعاً حیرت‌آور بود، با این حال او معترف است كارش با اندكی تردید مواجه شده است. در اكثر مواد وقتی نور مستقیماً به عقب بازتابیده می‌شود قطبش به دلیل تقارن وارونی زمان، تغییر نمی‌كند. یعنی هر تغییری كه به هنگام ورود در قطبش نور به وجود می‌آید، دقیقاً در مسیر برگشت جبران می‌شود و هیچ تغییری در قطبش دیده نخواهد شد. اگر نور قطبیده از ماده‌ای منعكس شود كه دارای یك میدان مغناطیسی داخلی است، وارونی زمان ممكن است نقض شود. اما ابر رساناها میدان مغناطیسی را از داخل خود طرد می‌كنند، در نتیجه نظریه‌دان‌ها فرض می‌كنند كه این تقارن در ابر رساناها نقض نمی‌شود.
گروه لیونز، برای اینكه ببینند آیا تغییر قطبش به ابر رسانایی مواد مربوط است یا نه، نمونه‌های 7O3Cu2YBa را گرم كردند تا مقداری از اكسیژن آن خارج شود و ابر رسانایی آن از بین برود. با از بین رفتن ابر رسانایی، تغییر قطبش هم ناپدید شد، یعنی نور لیزر بازتابیده همان قطبش باریكه فرودی را داشت. پس نقض وارونی زمانی با ابر رسانایی مرتبط بود.
لیونز به نتایج حاصل اطمینان داشت ولی به دو نكته احتیاطی اشاره كرد. اگر چه برای نقض وارونی زمان در ابر رساناها توضیحی جز انیون‌ها سراغ ندارد، ولی به نظریه‌دان‌ها توصیه كرد كه به جستجوی سایر علل ممكن بپردازند. نكته دیگر جنبه آزمایشی داشت: ممكن است تكه‌های كوچك مواد مغناطیسی غیر ابر رسانا، نمونه‌های آزمایش او را آلوده كرده و موجب سیگنال‌هایی مشهود شده باشند.