دانشمندان ژاپنی به سرپرستی Takashi Uchihashi با شناسایی پله‌های اتمی که ارتفاعشان تنها به اندازه یک اتم است، موفق شدند مسیری شبیه به ریل قطار برای هدایت گردابهای کوانتومی در ابررساناهای فوقنازک بسازند. این پدیده که «بزرگراه کوانتومی» نامیده میشود، اجازه می‌دهد گردابها در شرایطی خاص، بیش از هزار برابر راحتتر در یک جهت مشخص حرکت کنند. کنترل این جریان از طریق تغییر دما یا میدان مغناطیسی امکان‌پذیر است و همین موضوع، راه را برای ساخت قطعات الکترونیکی با بازدهی انرژی بسیار بالا و سرعت پردازش بیشتر باز می‌کند.
مرکز تحقیقات نانو-معماری مواد (MANA) و مدیریت مقاومت الکتریکی
ابررساناها در دمای بحرانی، جریان برق را بدون هیچ‌گونه مقاومتی منتقل میکنند و همین ویژگی آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای تجهیزات فوق‌کم‌مصرف تبدیل کرده است. در این مواد، ساختارهای کوانتومی کوچکی به نام گردابها یا vortices شکل می‌گیرند؛ پدیده‌هایی که زمانی ظاهر میشوند که میدان‌های مغناطیسی به ماده نفوذ کرده و جریان‌های الکتریکی چرخانی ایجاد کنند.
مشکل اینجاست که حرکت این گردابها باعث ایجاد مقاومت الکتریکی شده و عملکرد ابررسانا را مختل می‌کند. تا پیش از این، هدایت مسیر حرکت آن‌ها در ابررساناهای دوبعدی و بسیار نازک، چالشی دشوار بود.
پژوهشگران مرکز تحقیقات نانو-معماری مواد (MANA) وابسته به مؤسسه ملی علوم مواد ژاپن (NIMS) برای حل این مشکل، روی ابررساناهای فوق‌نازکی تمرکز کردند که سطوحی با پله‌های اتمی منظم دارند.
این دستاورد علمی در کنار دیگر یافته‌های حوزه زیست و فناوری، مانند کشف علمی برای مهار خطرناک‌ترین قارچ‌های کشاورزی، نشان می‌دهد که کنترل دقیق ساختارها در مقیاس نانو می‌تواند نتایج تحول‌آفرینی به همراه داشته باشد.
تاکاشی اوچی‌هاشی و مکانیسم هدایت گردابهای کوانتومی
تیمی به سرپرستی تاکاشی اوچی‌هاشی با بهره‌گیری از تکنیک میکروسکوپ تونلینگ روبشی، مشاهده کردند که گردابهای کوانتومی دقیقاً در مسیر پله‌های موازی حرکت میکنند.
آزمایش‌های انجام شده با روش اندازه‌گیری مقاومت چهار ترمیناله نشان داد که در میدان‌های مغناطیسی متوسط، سهولت انتقال گردابها در امتداد پله‌های اتمی بیش از هزار برابر بیشتر از حرکت در عرض آن‌ها است.
مطالعه ما نشان می‌دهد که پله‌های مقیاس اتمی میتوانند به‌عنوان ریل‌های موثری برای هدایت گردابهای ابررسانا عمل کنند. این اثر هدایتکننده را می‌توان بهسادگی با تغییر دما یا میدان مغناطیسی تنظیم کرد.
در محدوده میدان مغناطیسی ۰.۱۰ تا ۰.۲۰ تسلا (T)، رفتار خاصی شناسایی شده است؛ در این بازه، گردابها بدون اینکه در نقص‌های ساختاری ماده گیر کنند، آزادانه در امتداد پله‌ها جریان می‌یابند.
این پدیده که «جریان گرداب بدون پینینگ تک‌بعدی» نام دارد، در واقع به معنای حذف موانع معمول در مسیر حرکت است.
وقتی دما به شدت پایین می‌رود، اثر تونل‌زنی کوانتومی مشاهده میشود. در این حالت، اجسام کوانتومی از سدهای انرژی عبور میکنند، حتی اگر طبق قوانین فیزیک کلاسیک، مسیرشان بسته باشد.
به‌کارگیری پله‌های اتمی به عنوان ریل‌های هدایتکننده طبیعی، روشی جدید برای مدیریت رفتار ابررساناهاست تا در آینده بتوان دستگاه‌هایی با مصرف انرژی کمتر ساخت.
اهمیت بنیادین این کشف در این است که یکی از بزرگ‌ترین موانع بهره‌برداری از ابررساناها، یعنی مقاومت ایجاد شده توسط حرکت گردابهای کوانتومی را هدف قرار می‌دهد. توانایی هدایت این گردابها در یک مسیر مشخص (بزرگراه کوانتومی)، امکان طراحی مدارهای الکترونیکی را فراهم می‌کند که اتلاف انرژی را به حداقل رسانده و سرعت انتقال داده‌ها را به‌شدت افزایش می‌دهند.
سؤالات متداول
بزرگراه کوانتومی در این پژوهش چیست؟
مسیرهایی به ارتفاع تنها یک اتم در سطح ابررساناهای فوقنازک هستند که درست مثل ریل قطار، حرکت گردابهای کوانتومی را در یک جهت خاص هدایت میکنند.
تأثیر این کشف بر عملکرد ابررساناها چیست؟
این فناوری باعث میشود گردابهای کوانتومی بیش از هزار برابر راحتتر حرکت کنند و از ایجاد مقاومت الکتریکی ناخواسته جلوگیری شود.
چه عواملی باعث کنترل حرکت گردابها در این مسیر میشوند؟
دانشمندان میتوانند اثر هدایتکننده این مسیرها را بهسادگی با تغییر دما یا تغییر شدت میدان مغناطیسی تنظیم کنند.
