در فوریۀ ۱۹۸۶، یوهانس بدنورتس[1] و کارل مولر[2] کشفی شگفتانگیز انجام دادند: ابررسانایی در دمای ۳۵ کلوین در یک اکسید مس آلائیدۀ کوپرات. بیتردید این کشف مسیر فیزیک مادۀ چگالراتغییر داد. آنان در آوریل ۱۹۸۶ نتایج خود را منتشر کردند و تنها نوزده ماه بعد موفق به دریافت جایزۀ نوبل فیزیک شدند؛ کوتاهترین فاصلۀ زمانی میان یک کشف علمی و دریافت جایزۀ نوبل در تاریخ. روند تحول این حوزه در چهل سال گذشته، چه از جنبههای موفق و چه ناکام، نمونهای گویا از شیوۀ پیشرفت علم است: کشفهای تصادفی، هیجان دربارۀ کاربردهای فناورانه، دستاوردهای جانبی غیرمنتظره، پرسشهای بنیادین، شکلگیری مفاهیم نو، وحدت میان شاخههای مختلف و پیشرفتهای تدریجی. بهطور معمول، حتی بهترین رسانای الکتریکی نیز در برابر بخشی از جریان الکتریکی مقاومت میکند و همین امر باعث اتلاف انرژی میشود. اما ابررساناهایی که در سال ۱۹۱۱ کشف شدند، مقاومت الکتریکی صفر دارند و نویدبخش بازدهی بینظیری هستند. با این حال، پیش از کشف بدنورتس و مولر، پژوهش در زمینۀ ابررسانایی به مرحلهای تقریباً ایستا رسیده بود. نظریۀ [3]BCS که در سال ۱۹۵۷ ارائه شد، بهنظر میرسید توصیفی جامع برای ابررسانایی فراهم میدهد. از نظر تجربی نیز رکورد دمای ابررسانایی که از سال ۱۹۷۳ برابر با ۲۳٫۳ کلوین (حدود ۲۴۹٫۹- درجه سانتیگراد) بود، تا سالها بدون تغییر باقی مانده بود. در سال ۱۹۸۳، یوهانس بدنورتس و کارل مولر جستوجوی خود را برای یافتن ابررسانایی خارج از ترکیبات بینفلزی سنتی مانند نیوبیوم– قلع آغاز کردند. پژوهشهای دهۀ۱۹۷۰پیشتر پتانسیل اکسیدهای فلزی مانند تیتانات استرانسیوم را نشان داده بودند. اما نخستین تلاشهای آنان با اکسیدهای فلزی موفقیتآمیز نبود. اکسید نیکل لانتانوم نتیجۀ چشمگیری نداشت و جایگزینی یون لانتانوم با یون ایتریم نیز کمکی نکرد. اتفاق مهم زمانی فرا رسید که آنها تجهیزات بهتری تهیه کردند و بهجای نیکل از مس استفاده کردند. در اواخر سال ۱۹۸۵، بدنورتس و مولر کار روی اکسید مس لانتانوم– باریم (LBCO) را آغاز کردند و سرانجام آنها در فوریۀ ۱۹۸۶، دمای بحرانی ۳۵ کلوین را در LBCO مشاهده کردند. برای اطمینان از نتایج، آنها ساختار بلوری نمونهها را با پراش پرتو ایکس بررسی کردند و کاهش شدید مقاومت الکتریکی را تأیید نمودند. اما نتوانستند آزمون کلیدی مشاهدۀ اثرمایسنر–اوخسنفلد را انجام دهند؛ پدیدهای که در آن ابررسانا میدان مغناطیسی را از خود بیرون میراند. با وجود این، مقالۀ خودرادرآوریل ارسال کردند و بهدلیل تردیدهای موجود، مجبور شدند سردبیر مجلۀ Zeitschrift für Physik B را برای پذیرش مقاله متقاعد کنند. اندکی بعد، در همان سال، تجهیزات آزمایشگاهی پیشرفتهتری در اختیار آنان قرار گرفت و توانستند اندازهگیریهای مغناطیسی انجام دهند که شواهد قانعکنندهتری از ابررسانایی واقعی ترکیب LBCO فراهم کرد. افزون بر این، جایگزینی لانتانوم با استرانسیوم دمای بحرانیاین ماده را به حدود ۴۰ کلوین افزایش داد. چند گروه پژوهشی بهسرعت تلاش کردند نتایج بدنورتس و مولر را تکرار کنند؛ از جمله گروه شوجی تاناکا در ژاپن، گروه پل چو و گروهی در آزمایشگاههای بل. گروه تاناکا نخستین گروهی بود که نتایج را تأیید کرد. سپس، چو و همکارانش تأیید کردند که LBCO در ۴۰ کلوین ابررساناست و با اعمال فشار حتی میتواند به دماهای بالاتری برسد. آنها نوساناتی تا حدود ۱۰۰ کلوین مشاهده کردند، اما هیچ حالت پایداری پیدا نشد تا زمانی که لانتانوم را با ایتریم جایگزین کردند. کشف دیگری، زمینهساز رویدادی مهم شد. در سال ۱۹۸۷، همکاران چو در دانشگاه آلاباما در هانتسویل[4] موفق به ساخت اکسید مس ایتریم– باریم (YBCO) شدند. این ماده در دمای ۹۲ کلوین ابررسانا بود؛ دمایی آنقدر بالا که تنها با نیتروژن مایع میشد آن را سرد کرد. در سال ۱۹۸۷، رسانهها از ابررسانایی دمای بالا بهعنوان انقلابی در فناوری یاد میکردند. بسیاری تصور میکردند که این مواد بهزودی در انتقال برق، الکترونیک و تجهیزات پزشکی کاربرد گسترده خواهند یافت. اما بخش بزرگی از این امیدها تحقق نیافت. امروزه تنها چند کاربرد محدود برای کوپراتها وجود دارد. یکی از دلایل اصلی این موضوع آن است که کوپراتها سرامیکی هستند و ساخت سیم از آنها دشوار است. این مسئله نمونهای روشن از فاصلۀ میان پژوهشهای آزمایشگاهی و فناوریهای تجاری است. کشف ابررسانایی مبتنی بر آهن، تجدید علاقه به کالکوژنیدهای لایهای در ارتباط با ابررسانایی دوبعدی، و بهویژه جستوجوی فرمیونهای مایورانا در گردابههای ابررساناهای موج-پی افقهای تازهای را پیش روی پژوهشگران گشود و بهطور طبیعی روندهای تازهای را در زمینۀ ابررسانایی نامتعارف و قابلیتهای الکترونیکی ناشی از برهمکنشهای پیچیده در مواد کوانتومی به وجود آورد. در نهایت، در جولای ۲۰۱۸، ابررسانایی توپولوژیکی بهعنوان یکی از موضوعات اصلی در فیزیک ماده چگال مطرح شد. تقاطع ابررسانایی دمای بالا و ابررسانایی توپولوژیکی، امروزه یکی از فعالترین و هیجانانگیزترین حوزههای پژوهشی در فیزیک ماده چگال به شمار میرود. پیوند این دو پدیده میتواند انقلابی در رایانش کوانتومی مقیاسپذیر ایجاد کند؛ زیرا امکان ساخت کیوبیتهای مقاوم در برابر خطا و محافظتشده از طریق توپولوژی را فراهم میآورد. ابررسانایی توپولوژیکی یک فاز غیرعادی از ماده است که در آن ویژگیهای توپولوژیکی غیر بدیهی درون شکاف انرژی ابررسانایی ظاهر میشوند. مهمترین مشخصۀ این فازها، حالتهای مرزی ویژهای به نام مدهای صفر مایورانا[5] است. از آنجا که این حالتهای مایورانا ماهیتی غیرموضعی دارند، اطلاعات کوانتومی ذخیرهشده در آنها در برابر نوفههای محیطی محلی مقاوم است؛ ویژگیای که آنها را برای محاسبات کوانتومی بسیار ارزشمند میسازد. ابررساناهای توپولوژیکی متعارف معمولاً به دماهای بسیار پایین، نزدیک به صفر مطلق، و همچنین ساختارهای آزمایشگاهی پیچیده و حساس نیاز دارند. اگر بتوان حالتهای توپولوژیکی را در دماهای بالاتر و مقیاسهای انرژی بزرگتر ایجاد کرد، رایانههای کوانتومی بسیار پایدارتر خواهند شد و نیاز به سامانههای سرمایشی گرانقیمت و پیچیده نیز بهطور چشمگیری کاهش خواهد یافت. پژوهشگران مسیرهای مختلفی را برای ترکیب ابررسانایی قوی مواد دمای بالا با ساختارهای نواری توپولوژیکی دنبال میکنند. مطالعات نظری نشان دادهاند که با چرخاندن دو لایه از ابررساناهای اکسید مس دمای بالا، مانند Bi2Sr2CaCu2o8+δ در زوایای مشخص، میتوان فازهای توپولوژیکی کاملاً شکافدار ایجاد کرد که دارای مدهای لبهای مایورانای دستسان هستند. پیشبینی میشود این حالتها در نزدیکی دمای بحرانی ماده، یعنی حدود ۹۰ کلوین فعال باشند؛ دمایی که بهمراتب بسیار بالاتر از بسیاری از سامانههای توپولوژیکی شناختهشده است. برخی از مواد مبتنی بر آهن، مانند FeSe، بهطور طبیعی هم دارای دمای بحرانی نسبتاً بالایی (بیش از ۴۰ کلوین) دارند و هم حالتهای سطحی توپولوژیکی را نشان میدهند. مطالعات نظری و تجربی بیان میکنند که تقارنهای خاص جفتشدگی چندنوارهای در این مواد میتواند بهصورت طبیعی فازهای ابررسانایی توپولوژیکی را ایجاد کند. یکی از رایجترین روشهای آزمایشگاهی، قرار دادن یک ابررسانای دمای بالا در تماس مستقیم با یک عایق توپولوژیکی است. از شناختهشدهترین این عایقها میتوان به واشاره کرد. در این روش، ابررسانایی از طریق اثر مجاورت به حالتهای سطحی توپولوژیکی منتقل میشود. در برخی سامانهها این پدیده در دماهایی تا حدود ۸۰ کلوین نیز مشاهده شده است و امکان مطالعه فیزیک مایورانا را در شرایط بسیار قابلدسترستر فراهم میکند.علم مواد محاسباتی و روشهای غربالگری پرسرعت[6]امروزه نقش مهمی در پیشبینی مواد جدید ایفا میکنند. یکی از نمونههای امیدوارکننده، بوروفنهای آلایشیافته با فلزات[7] هستند که ممکن است بتوانند بهعنوان ابررساناهای توپولوژیکی ذاتی با دمای بحرانی بالا و چندشکافی عمل کنند. تمام این تحولات نشان میدهد که پژوهش در فیزیک ماده چگال طی چهل سال گذشته تا چه اندازه پیشرفت کرده است؛ پیشرفتی که با کشف تاریخی و سرنوشتساز ابررسانایی دمای بالا در کوپراتها شتاب گرفت. امروزه بسیاری از جنبههای اصلی کوپراتها شناخته شدهاند. نظریۀ گینزبرگ–لانداو رفتار ماکروسکوپی حالت ابررسانای با تقارن موج (d) را بهخوبی توصیف میکند، و این نظریه همراه با پارامتر نظم، چارچوبی کارآمد برای توصیف گذار و خواص فاز ابررسانایی فراهم میآورد . بسیاری از فیزیکدانان معتقدند که فیزیک اصلی این مواد را میتوان با الگوی هابارد تکباندی توصیف کرد. عناصر کلیدی این فیزیک شامل همبستگی شدید الکترونی، عایق مات پادفرومغناطیسی آلائیده و جفتشدن موج-دی ناشی از نوسانات اسپینی است. با این حال، هنوز حالتهایی مانند شبهگاف و فلز عجیب بهطور کامل درک نشدهاند. کشف کوپراتها جامعههای پراکندۀ پژوهشی را به یک حوزۀ بزرگوپویا تبدیل کرد. پژوهشگران دریافتند که میان اکسیدهای فلزات واسطه، فرمیونهای سنگین، ابررساناهای آلی و دیگر سامانههای کوانتومی شباهتهای عمیقی وجود دارد. پس از آن، مواد جدیدی مانند روتنات استرانسیوم، گرافن دولایۀ پیچخورده و پنیکتیدهای آهن کشف شدند که همگی نشان دادند ابررسانایی میتواند در نزدیکی حالت عایق مات ظاهر شود. مطالعۀ کوپراتها باعث پیشرفت چشمگیر در مفاهیمی مانند مایعات اسپینی، فلزات غیر فرمی، بحرانیّت کوانتومی و مفهوم برآمدگی شد. همچنین روشهای عددی مانند DMRG، DMFT و مونتکارلوی کوانتومی توسعه یافتند. از نظر تجربی نیز ابزارهایی مانند ARPES، STMو پراکندگی غیرکشسان نوترون پیشرفت فراوانی کردند. علاوه بر این، کیفیت رشد تکبلورها بهطور قابل توجهی افزایش یافت. با این حال، امروزه پژوهش مستقیم روی کوپراتها نسبت به گذشته کمتر شده است. یکی از دلایل اصلی این موضوع، تغییر اولویتهای پژوهشی و تمرکز جامعه علمی بر مواد جدیدتر با ویژگیهای فیزیکی متفاوت و جذابتر است. هدف نهایی ابررسانایی دمای بالا دستیابی به مادهای است که بتواند در دما و فشار محیط، بدون هیچ مقاومت الکتریکی جریان را هدایت کرده و میدانهای مغناطیسی را از خود دفع کند. اما این هدف هنوز محقق نشده است؛ زیرا ناپایداری شدید مواد، محدودیتهای بنیادی فیزیکی و چالشهای پیچیده ساخت و تولید همچنان موانع اصلی هستند. اگرچه موادی کشف شدهاند که در دمای اتاق (حدود ۱۵ درجه سانتیگراد) رفتار ابررسانایی از خود نشان میدهند، اما این ویژگی تنها تحت فشارهایی در حدود ۲۶۷ گیگاپاسکال ظاهر میشود؛ فشاری که بیش از ۲٫۶میلیون برابر فشار جو زمین است. این مواد باید در سلولهای الماسی سندانی[8] تولید و نگهداری شوند که بسیار ناپایدار و محدود هستند. بنابراین، استفاده عملی و گسترده از چنین مواد ابررسانایی در حال حاضر غیرممکن است. در ابررساناهای متعارف، جفتشدن الکترونها توسط ارتعاشات شبکه بلوری (فونونها) ایجاد میشود. با این حال، اگر این برهمکنش بیش از حد قوی شود، الکترونها شبکه بلوری را نیز با خود همراه میکنند و در نتیجه به ذراتی سنگین و کند تبدیل میشوند که کارایی لازم برای انتقال جریان الکتریکی را ندارند. از سوی دیگر، هنوز یک نظریۀ جامع و جهانشمول برای ابررساناهای دمای بالا وجود ندارد. موادی مانند کوپراتها از قوانین سادۀ ابررساناهای متعارف پیروی نمیکنند و همین موضوع طراحی و مهندسی ساختارهای بهینه را از دیدگاه نظری و محاسباتی بسیار دشوار کرده است. کاربردیترین ابررساناهای دمای بالای موجود، مانند YBCO (اکسید ایتریم-باریم-مس)، از جنس سرامیک هستند. این مواد بسیار ترد و شکنندهاند و تبدیل آنها به سیمها یا کلافهای انعطافپذیر، که برای کاربردهایی نظیر شبکههای انتقال برق و توربینهای بادی ضروری هستند، دشوار است. این سرامیکها معمولاً نواحی ابررسانای بزرگ و پیوسته تشکیل نمیدهند، بلکه از مجموعهای از ریزدامنهها[9] تشکیل شدهاند که مسیر جریان الکتریکی را مختل میکنند و عملکرد ابررسانایی را کاهش میدهند. حتی زمانی که مادهای دارای دمای بحرانی بالایی باشد، ممکن است چگالی جفتهای ابررسانا (تعداد الکترونهای شرکتکننده در حالت ابررسانایی) کافی نباشد. در دماهای بالاتر، انرژی گرمایی شدید باعث نوسان فاز تابع موج ابررسانایی میشود. این نوسانات میتوانند بهمحض اعمال یک میدان مغناطیسی یا جریان الکتریکی قابل توجه، حالت بدون مقاومت را از بین ببرند. جمعبندی: چهل سال پس از کشف ابررسانایی در کوپراتها، این مواد همچنان یکی از مهمترین و اسرارآمیزترین سامانههای فیزیک مادۀ چگالبهشمارمیروند. اگرچه بسیاری از امیدهای صنعتی اولیه تحقق نیافت، اما تأثیر عمیق آنها بر نظریه، آزمایش و روشهای محاسباتی انکارناپذیر است. کوپراتها نقطۀ عطفی در تاریخ فیزیک جدید بودند و همچنان الهامبخش پژوهشهای جدید هستند.
