تیمی بین‌المللی از فیزیکدانان با همکاری «احسان خاتمی» دانش‌آموخته دانشگاه‌های صنعتی اصفهان و صنعتی شریف و دانشجوی دانشگاه سینسیناتی، توانسته‌اند با شبیه‌سازی مواد ابررسانا با اتم‌های فوق سرد به عنوان جایگزینی برای الکترون‌ها، راه را برای حل یک مساله که سه دهه فیزیکدانان را به خود مشغول داشته بود، هموار کنند.

به گزارش سرویس علمی ایسنا، این پژوهش که توسط تیمی بین‌المللی از فیزیکدانان تجربی و نظری انجام شده، می‌تواند عرصه جدیدی از علم ناشناخته را برای دانشمندان باز کند.

حدود 30 سال از کشف جریان یافتن الکترون‌ها در مواد خاص موسوم به ابررساناها در دماهای نسبتا بالا گذشته است. دلیل این دماهای بالا یا ابررسانایی نامتعارف هنوز تا حد زیادی ناشناخته باقی مانده است. یکی از نویدبخش‌ترین نظریه‌ها برای توضیح ابررسانایی غیر متعارف موسوم به مدل هوبارد برای بیان ریاضیاتی ساده است، اما حل آن با رایانه‌های دیجیتالی غیرممکن است.

مدل هوبارد مجموعه‌ای از معادلات ریاضیاتی است که می‌تواند کلید توضیح ابررسانایی دمای بالا باشد، اما حل آن‌ها حتی با سریعترین ابررایانه‌های جهان نیز بسیار پیچیده است.

محققان به سردسازی اتم‌ها تا دماهای بسیار پایین پرداختند به شکلی که رفتار آن‌ها تحت فرمان قوانین مکانیک کوانتومی قرار می‌گیرد.

آن‌ها با استفاده از این اتم‌های فوق سرد بجای الکترون‌ها و پرتوهای نور لیزر برای تقلید از شبکه بلوری در یک ماده واقعی توانستند مدل هوبارد را شبیه‌سازی کنند. با این کار، محققان توانستند ضد فرومغناطیس را دقیقا مشابه پیش‌بینی مدل هوبارد تولید کنند.

به گفته فیزیکدانان، این اولین سیستم اتمی فوق سرد است که توانسته مدل هوبارد را به این شکل بررسی کند.

فیزیکدانان نظری این تحقیق، با استفاده از یک روش ریاضیاتی موسوم به شیوه کوانتومی مونت کارلو توانستند تطابق نتایج دانشمندان را با مدل هوبارد تائید کنند.

پس از کشف ابررسانایی دمای بالا در دهه 1980، برخی فیزیکدانان نظری این مساله را مطرح کردند که فیزیک بنیادی را می‌توان با مدل هوبارد توضیح داد.

مدل هوبارد شامل الکترون‌هایی است که می‌توانند بین مناطق یک شبکه منظم جهش کنند. هر منطقه در شبکه نشانگر یک یون در شبکه بلوری یک ماده است و رفتار الکترون‌ها تنها با چند متغیر انگشت‌شمار قابل مدیریت است. اول اینکه به دلیل قانونی موسوم به اصل طرد پائولی از به اشتراک‌گذاری سطح انرژی توسط الکترون‌ها جلوگیری می‌شود. دوم اینکه الکترون‌ها یکدیگر را طرد کرده و باید زمانی که یک منطقه مشترک را اشغال می‌کنند، جریمه انرژی بپردازند.

اگرچه این توضیحات ساده بنظر می‌رسد، اما حل آن‌ها بسیار پیچیده بوده و تا به امروز دانشمندان تنها توانسته‌اند شبیه سازی‌های رایانه دو و سه بعدی از مدل هوبارد شامل سیستم‌های دارای چند صد ناحیه محدود را انجام دهند.

تحقیقات پیش از این تائید کرده بودند که راه‌حل‌های مدل نشانگر ضدمغناطیس هستند اما هنوز معلوم نیست که آیا آن‌ها همچنین ابررسانایی را نشان می‌دهند یا خیر.

محققان در این تحقیق از روش تجربی جدیدی برای سردسازی اتم‌ها در آزمایشگاه پرداختند تا نظم ضدمغناطیس را در یک شبکه نوری با حدود 100 هزار منطقه مشاهده کنند. این روش جدید منجر به دماهایی در شبکه شد که حدود نیمی از میزان بدست آمده در آزمایشات پیشین است.

نتایج این تحقیق در مجله نیچر منتشر شده است.