تبدیل منیزیم به یک ابررسانا در مقیاس نانومتری

منیزیم، یکی از عناصر شیمیایی رایج و فلزی از گروه فلزات قلیایی خاکی است که به دلیل واکنش‌پذیری بالا و وزن بسیار کم خود (حتی سبک‌تر از آلومینیوم) شناخته می‌شود.

به گزارش فیزیکس اوآرجی، این عنصر به‌وفور در گیاهان و مواد معدنی یافت شده و نقش مهمی در متابولیسم و فیزیولوژی بدن انسان ایفا می‌کند. همچنین، در کیهان، این عنصر توسط ستارگان بزرگ و در حال پیر شدن تولید می‌شود.

از نظر خواص فیزیکی، منیزیم رسانای خوبی برای جریان الکتریسیته است، اما تاکنون به عنوان یک ابررسانا شناخته نشده بود. ابررسانا‌ها مواد بسیار ویژه‌ای هستند که می‌توانند جریان الکتریسیته را بدون مقاومت از خود عبور دهند، اما این خاصیت تنها در دمایی بحرانی و مشخص ظاهر می‌شود. این ویژگی ابررسانایی می‌تواند انقلابی در انتقال انرژی، تصویربرداری پزشکی و رایانش کوانتومی ایجاد کند.

با این حال، اخیراً پژوهشگران به سرپرستی «جیووانی اومارینو» از دانشگاه پلی‌تکنیک تورین، فرضیه‌ای جدید را در مورد ابررسانا‌ها مطرح کرده‌اند که می‌تواند دیدگاه سنتی در این حوزه را تغییر دهد. در این پژوهش، که نتایج آن در نشریه Condensed Matter منتشر شده، محققان نشان داده‌اند که پدیده‌ای موسوم به «محدودیت کوانتومی» می‌تواند عناصر غیر ابررسانا را به ابررسانا تبدیل کند.

محدودیت کوانتومی پدیده‌ای است که در آن، انرژی یک ذره کوانتومی مانند الکترون، زمانی که در فضایی بسیار محدود قرار می‌گیرد، به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد. این اثر مستقیماً از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ ناشی می‌شود؛ به این معنا که هرچه موقعیت مکانی یک ذره بیشتر محدود شود، نوسانات انرژی آن نیز بیشتر خواهد شد.

در مطالعات پیشین، این گروه پژوهشی نشان داده بود که فلزات نجیب مانند طلا، مس و نقره نیز در صورت تبدیل شدن به لایه‌های بسیار نازک (با ضخامت حدود نیم نانومتر) می‌توانند به ابررسانا تبدیل شوند. اکنون، محاسبات جدید این پژوهشگران نشان می‌دهد که حتی منیزیم نیز می‌تواند تحت شرایطی به یک ابررسانا تبدیل شود؛ البته تنها زمانی که در قالب فیلم‌های فوق‌العاده نازک با ضخامت کمتر از ۱ نانومتر (یک میلیاردم متر) فرآوری شود.

در این پژوهش، محاسبات بدون استفاده از هیچ پارامتر تنظیم‌پذیری انجام شده و از مدل‌سازی ab-initio برای تحلیل ساختار الکترونیکی و شبکه‌ای ماده استفاده شده است. مهم‌ترین خروجی این پژوهش، پیش‌بینی دمای بحرانی ابررسانایی در این نانوساختار‌های منیزیمی است که وابسته به ضخامت فیلم محاسبه شده است.

نتایج این محاسبات نشان می‌دهد که در ضخامت حدود نیم نانومتر، دمای بحرانی ابررسانایی منیزیم می‌تواند به ۱۰ کلوین برسد. این مقدار از اهمیت زیادی برخوردار است، چرا که امکان خنک‌سازی این ماده با استفاده از هلیوم مایع را فراهم می‌کند، بدون نیاز به فناوری‌های خنک‌سازی بسیار گران‌قیمت‌تر.

هلیوم مایع قابلیت خنک‌سازی تا دمای ۴.۵ کلوین را دارد و بنابراین می‌توان از آن برای کاهش دمای فیلم‌های فوق‌نازک منیزیمی استفاده کرد تا خاصیت ابررسانایی آنها را مشاهده کرد. اگر این پیش‌بینی‌ها در آزمایش‌های تجربی تأیید شوند، این کشف می‌تواند تأثیر چشمگیری بر فناوری‌های رایانش کوانتومی و الکترونیک کوانتومی داشته باشد و اثرات زیست‌محیطی این فناوری‌ها را کاهش دهد.

یکی از نکات کلیدی این پژوهش مقایسه منیزیم با آلومینیوم است. آلومینیوم در حال حاضر یکی از رایج‌ترین مواد مورد استفاده در ساخت کیوبیت‌ها (واحد‌های بنیادی اطلاعات در رایانش کوانتومی) است. این ماده دمای بحرانی ۱.۶ کلوین دارد که کمتر از دمای هلیوم مایع است.

با این حال، اگر پیش‌بینی‌های این پژوهش در مورد ابررسانایی منیزیم تأیید شود، می‌توان از این عنصر به عنوان جایگزین آلومینیوم در فناوری‌های رایانش کوانتومی استفاده کرد. این امر نه‌تنها به بهبود عملکرد این فناوری‌ها کمک می‌کند، بلکه موجب می‌شود که آنها سازگارتر با محیط زیست نیز باشند.

انتهای پیام/