ابر رسانایی در سیصد درجه كلوین

تلاش برای یافتن موادی كه پدیده شایان توجه ابر رسانایی را (كه اكنون حدوداً صد ساله است) از حول و جوش دمای 4 كلوین (كه در آن جیوه ابر رسانا می‌شود) به دمای بیشتر ببرند، كاری طولانی و دشوار بوده است. بعد از كشف ابر رسانایی در NbTi و ساختن سیم ابر رسانا، ایجاد آهنرباهای بسیار قوی برای استفاده در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی امكان‌پذیر شد. اخیراً نیز، در حوزه پزشكی، شاهد بودیم كه آهنرباهای قوی برای روبش NMR بدن به بیمارستان‌های سطح بالا، راه یافتند. با وجود این مانع اصلی در كاربرد وسیع این پدیده شایان توجه، مسائل گوناگون سرمازایی هلیوم مایع و هزینه زیاد آن بوده است. بحث‌های مربوط به انتقال نیرو و استفاده از تعلیق در حمل و نقل با قطارهای سریع‌السیر، هنوز بحث‌های آكادمیك است.
رقابت شدید میان آزمایشگاه‌های بل و آی‌بی‌ام سبب شد كه در میانه دهه 1970 دمای گذر ابر رسانش به حوزه دمای هیدروژن مایع برسد. ماده ابر رسانا از خانواده ابر رساناهای 15A بود كه Si3V و Sn3Nb را هم شامل می‌شد. سعی شده بود كه تركیب این ماده خیلی شبیه Ge3Nb باشد. دمای ابر رسانش 2ر23 كلوین بود. اما به رغم امیدهایی كه (خواه واقعی خواه واهی) به Si3Nb و MoN یا فازهای شورال 8Se6PbMo بسته می‌شد، ركورد دمای ابر رسانش در 2ر23 كلوین متوقف ماند. در دهه 1970، توجه اصلی به فلزات آلی جدید معطوف شد. در اوایل دهه 1980 بود كه ابر رسانایی در این مواد عجیب مشاهده شد. دمای گذر 8 كلوین برای 3I2(BEDT-TTF) به دست آمد كه دستاوردی قابل توجه بود ولی از نظر صنعتی اهمیت نداشت.
این روزها وضع كاملاً عوض شده است. بدنورتس و مولر از آی‌بی‌ام زوریخ در سال گذشته مقاله‌ای منتشر كردند كه روال تازه‌ای را در پژوهش مواد بنا نهاد و انتظار می‌رود كه در سال‌های آینده اهمیت خیلی زیادی پیدا كند. در آوریل سال گذشته چو و همكارانش در هوستون به دمای ابر رسانش 30 كلوین دست یافتند. كاوا و همكارانش در آزمایشگاه‌های بل به دماهای 35، 40، و50 كلوین رسیدند. محققان ژاپنی و چینی كه دست اندركار بودند هنوز نتایجشان چاپ نشده است، گفته می‌شود كه آنان به دمای 70 كلوین رسیده‌اند.
این طلای جدید زوریخ، چه معجونی است؟ این معجون آمیزه‌ای است از La، Ba، Cu،وO كه خاصیت فلزی آن را قبلاً پژوهشگران دانشگاه كان آشكار كرده‌اند (ولی آنان این ماده را به دماهای كمتر از 77 كلوین نبردند). ماده‌ای بود چند فازی كه جزء فعال آن 4CuO2La است.
4CuO2La یك پرووسكیت لایه‌ای با ساختمان چهار گوشه‌ای است. این به اصطلاح تركیب دو ظرفیتی مس خواصی دارد كه سخت تابع بی نقصی زیر شبكه اكسیژن است. این بی نقصی به نوبه خود بستگی به شرایط اكساینده‌ای دارد كه در آن ماده تكلیس و كلوخه‌ای می‌شود و در دمای زیاد تحت فشار قرار می‌گیرد. وقتی فلزی دو ظرفیتی نظیر باریوم، استرانسیوم یا كلسیوم جانشین لانتاننوم سه ظرفیتی می‌شود، شبكه نقص پیدا می‌كند. اثر دیگر این جانشینی تغییر ظرفیت اسمی Cu از +2Cu به +3Cu است. صعود سریع دمای گذر ابر رسانش، معلول بهره برداری از این متغیرهای متعددی است كه شیمی حالت جامد این مواد در اختیار محققان قرار داده است. اگر بشود دمای ابر رسانش را به 77 كلوین (نقطه جوش نیتروژن مایع) رسانید، نتایج صنعتی حاصل بی اندازه زیاد خواهد بود. نیتروژن مایع را می‌توان ساعت‌ها در ظرف‌های پلی استیرین ذخیره كرد دشواری‌های سرمازایی هلیوم مایع و هیدروژن مایع از میان می‌رود. گرچه هنوز به این هدف نرسیده‌ایم ولی امید رسیدن به آن واقعی است. پدیده‌های مشاهده شده همان‌هایی است كه از یك ماده ابر رسانای خوب انتظار می‌رود. از این جمله است اثر معروف ماینسر، كه در آن شار مغناطیسی از فلز ابر رسانا دفع می‌شود. این اكسید چه نوع فلزی است؟ آیا منشأ ابر رسانش در آن، همان است كه جیوه و NbTi و Ge3Nb را ابر رسانا می‌كند، یا نوع جدید و عجیب‌تری است كه در فلزات آلی و هیدروژن فلزی انتظار می‌رود؟
ابر رسانش در فسفر و سیلیس فلزی در فشارهای زیاد حیرت آور بود و در اكسیدهای 4O2LiTi و 3O(Pb/Bi)Ba با ظرفیت مخلوط، گرچه بدواً امیدبخش می‌نمود ولی نهایتاً به دماهای كمتر از K20 محدود شد. آیا آنچه در 4CuO2(La/Sr) روی می‌دهد به طور كیفی و كمی با ابر رسانایی‌های قبلی تفاوت دارد؟
اكسیدهایی نظیر 2RuO یا 3ReO فلزهای خوبی به شمار می‌آیند ولی معمولاً ابر رسانا نیستند. بسیاری از اكسیدهایی كه فلزند (نظیر 3LaRuO و 2CrO) مغناطیسی‌اند و این مغناطیسی بودن امكان ابر رسانش را منتفی می‌كند. 4O+2Cu2La و 3O+3LaCu هیچ كدام، علی‌رغم آنكه فلزی و غیر مغناطیسی‌اند، ابر رسانا نیستند. به علاوه، 4CuO1Sr1La (و نیز +3Cu) نه تنها فلز نیست بلكه یك عایق موت مغناطیسی 8d است. نزدیك بودن به حالت جاگزیدگی از عواملی است كه حساسیت الكتریكی سیستم مورد نظر را به بی‌نظمی زیاد می‌كند، خواه این بی نظمی در زیر شبكه كاتیونی باشد خواه در زیر شبكه آنیونی. در اینجا باید به برتری Sr بر Ba در جانشینی اشاره كرد.
ابر رسانایی 4O2LiTi، 17O6Mo9ر0Li یا 3O(Pb/Bi)Ba حاكی از این است كه باید اهمیتی برای ظرفیت مخلوط قائل شد. در این صورت جای حوش‌وقتی است كه یون‌های +2Cuو +3Cu در تركیب‌های مربوط، در عین حال كه چگالی زیاد حالت‌های الكترونی یك عنصر d3 را موجب می‌شوند. حامل گشتاوری مغناطیسی نیستند كه باعث اختلال ابر رسانش شود.
CuS نیز تركیبی است با ظرفیت مخلوط كه ابر رساناست ولی نه خیلی زیاد. البته مزیت اكسیدها امر واضحی است: یون اكسید سبك است؛ از این رو فركانس متوسط ارتعاش شبكه‌ای آن بیشتر خواهد بود. به علاوه این سبك بودن سبب تقویت گرایش‌های در مدهای نرم می‌شود كه در فازهای خالص به اثر یان – تلر، امواج چگالی بار و فروالكتریسیته می‌انجامند. چنین به نظر می‌رسد كه ویژگی‌های كوتاه برد سیستم مورد مطالعه از این نظر كه عملاً مانع ایجاد این قبیل ناپایداری‌ها در مقیاس ماكروسكوپیك می‌شود، بسیار مهم است. در این صورت رشد موفقیت آمیزیك تك بلور ممكن است آثار مشاهده شده را مختل كند. قرائنی موجود است كه چنین نیست، و عامل اصلی، بی‌نظمی ظرفیت داخلی است نه سرشت سرامیكی یا چندفازی نمونه‌های موجود. به نظر من نكته مهم این است كه ببینیم آیا هیچ قرینه‌ای دال بر تفكیك ظرفیت یا سواسازی (به میزان بسیار كم) در داخل آرایه مس وجود دارد یا نه. كوئوردیناسیون اتم‌های La یا Sr، نه گانه است و فاصله این اتم‌ها از اتم‌های Cu بسیار زیاد است. قبلاً برای توضیح اثر موقتی شبه مایسنری در CuCl آبدیده (تحت فشار)، مكانیسمی بر اساس اكسایش خودبهخود ارائه شده بود كه ریشه در كارهای تجربی بسیار جالب توجه روساكوف، چو، و گبال و همكارانش داشت. آثار مشابهی نیز بعداً در CdS مشاهده شد كه با واكنش موضعی 2Cd+CdS → CdS ارتباط داشت.
آنچه در این ماده جدید روی می‌دهد این امتیاز بزرگ را نسبت به CuCl و CdS دارد كه ماده میزبان، 4CuO2La فلزی است؛ گرچه یك فلز معمولی نیست. (ضریب سی‌بك ترموالكتریك آن 1-VK μ300 است).
بدین طریق این ماده جدید زنجیره خواص و شرایط بسیار جالب توجهی را در اختیار ما قرار می‌دهد. جای تعجب نیست كه هفتادوهفت سال پس از كشف ابر رسانایی توانسته‌ایم چنین ماده‌ای را كشف كنیم. به امید آنكه این ماده انتظاراتی را كه برانگیخته است، برآورد و از حد یك كنجكاوی آكادمیك فراتر رود.