در جستجوی ابر رساناهای گرم

حتی اکسیدلانتان من هم ابر رسانا است.

این روز‌ها بازار تحقیق در زمینه ابررسانای «گرم» خیلی گرم است. نقطه شروع این هیجان کشفی بود که در سال ‌ها پیش صورت گرفت: وقتی اکسیدلانتان مس، به طور مناسب با باریوم یا استرانسیوم آلاییده شود، تا دمای حدود 40 کلوین ابررسانا باقی می‌ماند. هم اکنون محققان فرانسوی و پژوهشگران آزمایشگاه‌های آی بی ام و بل گزارش می‌دهند که حتی اکسید لانتان مس ناآلاییده هم ابر رسانا است و دمای بحرانی‌اش به حدود 40 کلوین می‌رسد. از طرفی محققان شرکت تحقیقات و مهندسی اکسان به قرآئن مطمئنی دست یافته‌اند که از وجود یک فاز پاد فرومغناطیسی در این ترکیب خبر می‌دهد.
محققان عقیده دارند که وجود فاز ابررسانا یا پادفرومغناطیس اکسید لانتان مس در دماهای کم شدیداً به چگالی لانتان و اکسیژن بستگی دارد.
در یک جسم جامد که از نظر شیمیایی کامل است، هر یاخته واحد از تعداد صحیحی واحد فرمول شیمیایی تشکیل شده است. ولی حالت پایدار اکثر جامدات به ندرت از ساختمان کامل و نظم شیمیایی کامل برخوردار است. در بیشتر موارد نقص‌های شبکه‌ای وجود دارد واین نقص‌ها عوامل مهمی در تعیین خواص گوناگون فیزیکی و شیمیایی جامدات‌اند. جایگاه شبکه‌ای خالی یاتهی جا نمونه‌ای از این نقص‌هاست. در بلو‌رهای پرووسکیتی نظیر تیانات باریوم تیتانات استرانسیوم (که اجداد شیمیایی و ساختمانی ابر رساناهای اکسیدی جدیدند) کمبود اکسیژن امری کاملاً عادی است.
تمام ابررساناهای اکسیدی جدید از جمله (Ba,Sr)xCuO4-y La2-x (که در دمای بحرانی‌اش TC به 40 کلوین می‌رسد) و RBa2Cu3O7-y (که در آن R یک عنصر قلیایی خاکی است، و دمای بحرانی آن بین 90 تا 100 کلوین است) و ترکیب اصلی La2CuO4-y میزان قابل ملاحظه‌ای تهی جای اکسیژن دارند. اندیس y در فرمولهای شیمیایی بالا شاخص مقدار متوسط درصد جاهای خالی اکسیژن در بلور است. محققان دریافته‌اند که کمبود اکسیژن در ترکیب La2CuO4-y موجب بروز خاصیت پاد فرومغناطیسی می‌شود و بعضی هم معتقدند که فزونی اکسیژن (y منفی) و یا کمبود لانتان به ابر رسانش می‌انجامد.
لازمه‌ی خنثی شدن بار کل در یک جامد غیر استوکیومتریک این است که دست کم ظرفیت متوسط یکی از عناصر شیمیایی تشکیل دهنده آن با مقدار معمولی‌اش فرق کند0 مثلاً نشستن لانتان سه ظرفیتی به جای باریوم یا استرانسیوم دو ظرفیتی در ترکیب La2-x(BSr)CuO2 الزاماً کمبود باری را در صفحات شامل مس- اکسیژن ایجاد می کند. اثر این عدم توازن شیمیایی بر ظرفیت مس وارتباط احتمالی آن با ابر رسانش یا خاصیت پاد فرو مغناطیسی یکی از مهمترین مسائل نظری کنونی است. ولی یک شمارش ساده ظرفیت نشان می دهد که اثر فزونی اکسیژن (یا کمبود لانتان) بر ظرفیت عنصر مس در ترکیب la2CuO4-y` همان اثری است که از آلایش این جسم با باریوم یا استرانسیوم حاصل می شود؛ بنابراین فاز ابر رسانای la2CuO4-y باید خیلی شبیه فاز ابر رسانای la2-x(Ba,Sr)xCUO4-y باشد.
مطالعه la2CuO4-y توسط ریچارد گرین (از آی ‌بی ام) نشان داد که پذیرفتاری مغناطیسی la2CuO4-y دارای بیشینه‌ای است که شکل و محلش به اندازه میدان مغناطیسی بستگی دارد. با آنکه این جسم سالهای متمادی مورد توجه شیمی دانهای حالت جامد بود، اما قبلاً کسی متوجه این بستگی نشده بود. این پذیرفتاری مغناطیسی حاکی از وجود فازهای پاد فرو مغناطیسی و ابر رسانا در این نمونه بود. کشف ابر رسانایی در la2CuO4-y قدم مهمی در درک مواد جدید است، زیرا اهمیت افزایش ظرفیت مس را برای حصول ابررسانایی در این مواد مشخص می‌کند. اما قراینی که ویکتورامری (از آزمایشگاه بروکهیون) از طیف نمایی نمونه‌های ابر رسانا به دست آورده، حاکی ازظرفیت 2 برابر مس است. ظاهراً مکانیسم ابررسانایی در بسیار مشکلتر از ان است که در اوایل تصور می‌شد.

ترکیبهای قدیم ابررساناهای جدید

اکسیدهای متشکل از عناصر قلیایی خاکی و فلزات چند ظرفیتی با فرمول کلی R2Mo4 (R یک عنصر قلیایی خاکی، معمولاً لانتان، ساماریوم یا پرازئودیمیوم، و M یک فلز چند ظرفیتی نظر کوبالت، نیکل یا مس است) از اوایل دهه‌ی 70 به شدت مورد مطالعه شیمی دانان حالت جامد قرار گرفتند. اکسید لانتال مس عضوی از یک خانواده‌ی وسیع اکسید‌ها است. این جسم در دمای 560 کلوین دستخوش تغییر فازی از ساختمان بلوری چهار گوش (تتراگونال) به یک ساختار بلوری راستگوش (اورتورومبیک) می‌شود. به علاوه معلوم شده است که مقاومت الکتریکی این جسم در این تغییر فاز، تغییر محسوسی پیدا نمی‌کند و از دمای 200 کلوین تا حدود 1000 کلوین تقریباً ثابت باقی می‌ماند، فقط در دماهای کمتر از 100 کلوین است که افزایشی از خود نشان می‌دهد که حاکی از رفتار نیمرسانای آن است. این رفتار، با رفتار اکسید لانتان نیکل، که نزدیکترین مشابه شیمیایی اکسید لانتال مس است، کاملاً فرق می‌کند.
اکسید لانتان نیکل در دماهای کمتر از 600 کلوین نیم رسانا می‌شود. اندازه‌گیری پذیرفتاری مغناطیسی اکسید لانتان مس دال بر وجود گشتاور‌های مغناطیسی موضعی‌ای بود قابل مقایسه با گشتاور‌های +2CU در بعضی اندازه‌گیری‌ها بیشینه‌ای (ماکزیمومی) در حدود 200 کلوین وجود داشت که احتمالاً به تغییر فاز به یک حالت پاد فرومغناطیسی مربوط می‌شد، و این نکته‌ای است که همین اواخر توسط گروه اکسان تأیید شده است.
همچنین مطالعه‌ی دقیق ابررسانش در La2-x(Ba,Sr)CuO4-y از چندین سال گذشته تاکنون نشان داده است که دمای بحرانی Tc و عرض آن به نحو حساسی تابع طرز ساختن نمونه و اندیس y است. پل گرانت با مطالعه ضریب سی بک در La2CuO4-y و صفر شدن آن دردمای کمتر از40 کلوین، وجود یک فاز ابر رسانا را در این جسم پیش‌بینی کرد. نتایج چندان قانع کننده نبود زیرا اندازه‌گیری پذیرفتاری مغناطیسی در میدان 250 گاوس نشان داد که فقط 6000/1 نمونه از ابررسانا است. علاوه بر این، مقاومت بعضی از نمونه‌ها با کاهش ضریب سی بک ، صفر می‌شد ولی در نمونه‌های دیگر مقاومت افزایش می‌یافت. گرانت از تلفیق این نتایج نتیجه گرفت که ابر رسانش فقط در طول رشته‌های باریکی از ماده به وقوع می‌پیوندند. این رشته‌ها طول نمونه را به طور پیوسته نمی‌پیمایند بلکه منقطع‌ اند یعنی در عین حالی که با هم همپوشانی دارند همدیگر را قطع نمی‌کنند .با این همه، نقش اکسیژن در ابر رسانش کاملاً روشن بود. مثلاً نمونه‌هایی که در اکسیژن کم تابکاری شده بودند فاز ابررسانا نداشتند و همچنین نمونه‌هایی که در ابتدا ابررسانا بودند پس از ده دوازده روز، به علت از دست دادن اکسیژن در ابررسانایی‌شان را از دست دادند. علت این امر وجود ماده عمل نکرده La2O3 و تبدیل آن به La(OH)3 بود که باعث از بین رفتن ساچمه La2CuO4-y می‌شد . اما مطابق گزارش پژوهشگران موسسه بلکور، نمونه های La2CuO4-y که در یک پلاسمای اکسیژن تهیه شده‌اند در دمای بحرانی Tc دستخوش تغییر فاز تیزی می‌شوند.

خاصیت پاد فرومغناطیسی

منحنی تغییرات پذیرفتای مغناطیسی یک نمونه چند بلوری بر حسب دما، در گذار از یک فاز پارامغناطیسی به یک فاز پادفرومغناطیسی، دارای قله تیزی است.
دمایی که این گذرا در آن صورت می‌گیرد به دمای نل مشهور است. معمولاً هر وقت که پذیرفتاری بیشینه‌ای از خود نشان می‌دهد، انتظار پادفرومغناطیس می‌رود. در چند سال گذشته چندین گروه تحقیقاتی وجود بیشینه‌ای را در پذیرفتاری La2CuO4-y در دمای 290 کلوین گزارش کردند که با نتایج قبلی شیمیدان‌های حالت جامد توافق داشت.
اما چون ابهاماتی از نظر نتایج تجربی وجود داشت گروه اکسان تصمیم گرفت که نظم مغناطیسی نمونه La2CuO4-y را با استفاده از پراش نوترون به طور میکروسکوپیک بررسی کند.
این گروه نمونه‌ای از پودر (Y=0/02)La2CuO4-y را زا طریق پراش پرتو‌های ایکس و نوترون‌ مطالعه کرد و دریافت که این بلور در دماهای زیاد دارای ساختار چهارگوش است. قله‌های اضافی دیگری در طرح‌های پراش پرتو ایکس و نوترون مشاهده شد که شدتشان با کاهش دما به حدود 505 کلوین، به طور مرتب زیاد می‌شد. همین بیشینه‌ها گذرا به ساختار بلوری راستگوش را تأیید کردند. همین موضوع را محققان آزمایشگاه ملی آرگون بااستفاده از پراش نوترون، چند سال قبل از این مشاهده کرده بودند. گروه اکسان، در دمای کمتر از 220 کلوین، خطوط اضافی دیگری در طرح پراش نوترون مشاهده کرد که گروه آرگون ندیده بود. این خطوط از نظر ساختار بلوری راستگوش غیر مجاز بودند. گروه اکسان وجود این خطوط را به عنوان شاهدی دال بر نظم مغناطیسی و وجود یک فاز پاد فرومغناطیسی تعبیر کرد. نتیجه دیگر این آزمایش‌های مفصل این بود که هم اندازه گشتاور اتم مس و هم دمای نل مستقیماً با کمبود اکسیژن متناسب است و به ازای Y=0/03 به حداکثر مقدار خود می‌رسد. حداکثر مقادیر گزارش شده تا به حال برابر TN=290±30 کلوین 0/43±0/13 مگنتون بور برای گشتاور اتم مس بوده است. گشتاور حاصل کمی کمتر از گشتاور قطبی‌ای است که برای مس دو ظرفیتی انتظار می‌رود.
ویکتور امری می‌گوید که پراش نوترون فقط گشتاور‌های نظم یافته (در این مثال نظم پاد فرومغناطیسی) را اندازه می‌گیرد و عقیده دارد که افت و خیز‌های کوانتومی، حتی در صفر مطلق هم اجازه نمی‌دهند که نظم مغناطیسی با گشتاور کامل تحقق پیدا کند.
خاصیت پاد فرومغناطیسی چه ارتباطی با ابر رسانش در مواد ابررسانای 40 کلوینی و 90 کلوینی دارد؟ به عقیده گرین، افزایش سریع پذیرفتاری مغناطیسی در حالت عادی ترکیب La2-xSrxCuO4-y حاکی از همبستگی‌های مغناطیسی در نمونه‌های ابرساناست، ولی دلیل قاطع وجود نظم پارفرومغناطیسی در آن‌ها به شمار نمی‌رود.
وجود چنین نظمی باید با اندازه‌گیری‌های میکروسکوپیک افت و خیز‌های مغناطیسی در فاز‌های ابر رسانا تأیید شود با اینکه هنوز کسی در فاز ابرسانای این موادافت‌خیز‌های پاد فرومغناطیسی را مشاهده نکرده است (مطالعات پراش نوترون). ولی اگر بررسی‌های دقیقتر وجود چنین افت و خیز‌هایی را ثابت کند، آن وقت دلیل محکمی بر ارتباط میان ابر رسانش و پاد فرومغناطیس خواهیم داشت؛ ولی تا آن موقع، نمی‌توان مکانیسم‌های دیگر نظیر مکانیسم اکسیتونی را رد کرد.
در چند سال گذشته خیلی‌ها فکر می‌کردند که تغییر فاز ساختاری از تقارن چهار گوش (تتراگونال) به تقارن راستگوش (ارتورومبیک) در ابررسانش La2CuO2-y (که به میزان مناسب با باریوم یا استرانسیوم آمیخته شده) اهمیت زیادی دارد. ولی مطالعات عمیق‌تر نشان داد که گروه فضایی مربوط به تقارن شبکه راستگوش از نوعی نیست که بعضی نظریه‌دان‌ها تصور می‌کردند. در نتیجه توجه به این تغییر فاز نیز افول کرد. با این هم آندرسن وهمکارانش در دانشگاه پرینستون معتقدند که این تغییر فاز که آن را «تغییر فاز انقباضی» می‌نامند، چیزی نیست که بشود به سادگی از آن گذشت و مطمئناً به پدیده‌های جالبی که در La2CuO4-y روی می‌دهد، از جمله ابررسانش مربوط است. مثلاً همین تغییر فاز از جمله ابررسانش، مربوط است. مثلاً همین تغییر فاز ممکن است با گذر به حالت «پیوند ظرفیت تشدیدی» (RVB) که آندرسن برای La2CuO4-y پیشنهاد کرده است مربوط باشد. در حالت RVB جفت‌هایی که از نزدیکترین اسپینهای مس تشکیل می‌شوند به شدت همبسته‌اند و یک آرایش یک تایی اسپینی را به وجود می‌آورند. این جفت‌های اسپینی پیوند‌های را تشکیل می‌دهند که باعث کاهش تقارن از حالت چهارگوش به حالت راستگوش می‌شوند. رمز ابر رسانش اکسید‌ها ممکن است در همین تغییر فاز‌های ساختاری و مغناطیسی مختلف باشد که La2CuO4-y مشاهده شده است.

اثر ایزوتوپی

مطالعات مستقلی که در آزمایشگاه‌های بل و دانشگاه کالیفرنیا انجام شد است دال بر آن است که Tc ابررسانا‌های 90 کلوینی نسبت به جایگزینی 16O با 18O حساس نیست. این یعنی که بر هم کنشی که جفت الکترونی را تولید می‌کند ( این جفت عامل اصلی ابر رسانش است) به میانجیگری فونونها صورت نمی‌گیرد.
دمای بحرانی یک ابررسانا با توان α ام جرم ایزوتوپی تغییر می‌کند و این معیار سیستماتیکی برای سنجش این اثر است. در نمونه‌های (x=0/15) La2-xSrxCUO4-y اثر‌های ایزوتوپی مشاهده شده است. مقدار α برای ساده ترین ابر رساناها برابر 2/1 است. ولی مقادیر خیلی کمتر از این هم مشاهده شده است. اثر‌های دافعه کولنی واثر جاذبه متقابل جفت کننده‌ای که به میانجیگری فونون‌های تحقق می‌یابند این تغییرات α را توجیه می‌کنند. البته برای توضیح کامل α باید این امکان را نیز در نظر گرفت که برانگیختگی‌های دیگر، علاوه بر فونونها، هم می‌توانند در تولید «جفت» در ابررساناهای 40 کلوینی سهمی داشته باشند.
در گزارش دیگری از گروه برکلی آمده است که در نمونه Yba2Cu3O7 (که یک ابررسانای 90 کلوینی است) جرم ایزوتوپی مس یا باریم بر Tc اثری ندارد. همین طور تعویض ایتریوم با عناصر قلیایی دیگر، اثر محسوسی بر Tc نگذاشته است. استفاده از نظریه متداول جفت سازی با میانجی فونونی برای توجیه این حذف کامل اثر ایزوتوپی درنمونه‌های 90 کلوینی، به جواب‌هایی غیر فیزیکی منجر شده است.

در جستجوی ابررساناهای گرم

‌جستجو برای ابررساناهای گرم جدید ادامه دارد. در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی به فاز جدیدی از اکسید ایتریوم – باریوم مس دست یافته‌اند که در دماهای کمتر از 290 کلوین ابررساناست؛ ولی این جسم، صورت ناخالصی دارد، ناپایدار است و از دانه‌های بلورینی تشکیل شده است که غیر هماسنگردند و خواصشان، از جمله رسانایی الکتریکی، بستگی به جهت اندازه‌گیری دارد.در یک نمونه‌ی بزرگ، این دانه‌ها امتداد‌های مختلفی دارند و با هم در تماس کامل نیستند و برای داشتن جریان‌های زیاد باید آن‌ها را ردیف کرد. این عمل ردیف کردن با اعمال میدان مغناطیسی در حین ساختن مواد صورت می گیرد. فاز قبلی این ترکیب فقط تا 95 کلوین ابرسانا بود.در آزمایشگاه تحقیقاتی لاکهید ترکیبی کشف شده است که در 52 درجه سلسیوس ابررساناست ولی فرمول آن را افشا نکرده‌اند.