یکی از دارایی‌های بسیار با‌ارزش دانیل دوسو، دانشمند آمریکایی متخصص در فیزیک جامدات، بلوری کوچک از جنس پتاسیوم بریلیوم فلوروبورات یا «KBBF» است که از آن برای تبدیل شعاع‌های لیزر به نور فرابنفش با طول موج زیر 200 نانومتر، جهت مطالعه سطح ابر رساناها استفاده می‌کند. اما اشعه لیزر در طول زمان ، کارایی بلور را کاهش می‌دهد و دوسو ناچار است از آن فقط برای پروژه‌های خاص استفاده کند.
نه دوسو و نه هیچ‌کدام از همکارانش در سراسر دنیا شانس داشتن تعداد بیشتری از این بلور را ندارند. تقاضا بالاست و سالانه تعداد بسیار اندکی بلور توسط تنها آزمایشگاه چینی دارنده فرمول آن در جهان، آن هم با هزینه‌ای گزاف برای هر کدام ساخته می‌شود و علاوه بر این‌ها، این بلور کوچک نه تنها برگ برنده دکتر چن، سازنده فرمول آن است، بلکه دولت چین هم روی آن سرمایه‌گذاری کلانی کرده و بر تولید و توزیع آن نظارت دارد.
اکتبر گذشته مبلغ 26 میلیون دلار/ 25.7 هزار میلیارد تومان توسط وزارت دارایی چین برای اجرای یک پروژه ملی سه ساله جهت ایجاد راه‌های بهتر برای تولید این بلور و استفاده از آن اختصاص یافت و بهترین متخصصان چینی در قالب گروه‌های کاری مختلف برای کار روی آن گلچین شدند، که یک دسته از آنها روی جدید‌ترین نوع ابر‌رساناها مطالعه خواهند کرد.
انحصار چین در تولید این بلور اصلا اتفاقی نیست. بیش از سه دهه است که دانشمندان و فیزیکدانان چینی به پشتوانه حمایت‌های مالی دولتشان دارند روی انواع بلورها کار می‌کنند و می‌شود با قاطعیت گفت که در این زمینه در جهان پیشرو هستند. آنها زمانی که همکارانشان در سراسر جهان با مشکلات مالی دست و پنجه نرم می‌کردند، به آزمون و خطای اغلب بی‌نتیجه، گاهی خطرناک و همیشه کسل‌کننده در گروه‌های کاری بزرگ مشغول بودند تا به ترکیب صحیح مواد جدید، حرارت کافی و زمان لازم برای تهیه بلورها دست پیدا کنند.
کشف بزرگی که به قول یکی از همکارانشان به نبوغ چندانی نیاز ندارد، حاصل بیش از 40 سال تلاش است؛ از اواسط دهه 60 میلادی/ دهه 40 شمسی تاکنون، درست زمانی که لیزر به عنوان نمونه‌ای از اپتیک غیرخطی، جزیی از آزمایشگاه‌های فیزیک شد و ایده یافتن ماده‌ای که با کوتاه کردن طول موج نور، بتواند بسامدش را بالا ببرد و قدرت بیشتری به این پرتو بدهد، به ذهن فیزیکدانان راه یافت.
در شرایط عادی، گذر نور از میان آب، شیشه یا هر ماده دیگری، می‌تواند اتمها را اندکی آشفته کند و باعث شود نور بسته به ماده‌ای که با آن برخورد کرده، منعکس شود، بشکند، متفرق شود یا توسط همان ماده، بی‌هیچ تغییری در بسامد آن جذب شود. اما نتایج غیرخطی تنها زمانی آشکار می‌شوند که ارتعاشات نور آنقدر شدید باشد که بتواند با نیروی بین اتمها مقابله کند. همانند تابش لیزر پرتوان به اتمها که باعث آشفتگی شدید آنها می‌شود، اتمها انرژی تابشی را جذب می‌کنند و سپس آن‌را به صورت نور با فرکانسی دو، سه یا چندین برابر بسامد پرتو اولیه انعکاس می‌دهند.
مواد مختلفی کشف شده‌اند که می‌توانند بسامد نور لیزر را به بالاتر از آن‌چه که لیزر به تنهایی می‌تواند داشته باشد، برسانند. این مواد هر کدام فرکانس خاص خودشان را به نور لیزر القا می‌کنند.
هم‌زمان با ورود لیزر غیر خطی به آزمایشگاه‌ها، چین درگیر انقلاب فرهنگی و تغییر در دانشگاه‌ها بود؛ اما دکتر چن که مطالعه روی بلورها را آغاز کرده بود، آنقدر خوش‌شانس بود که بتواند دولت را برای عملی کردن فرضیاتش متقاعد کند. او در سال‌های بعد و با حمایت مالی دولت توانست، فرمول شرایط احتمالی و موادی را که می‌توانند نتایج غیرخطی ایجاد کنند؛ کامل‌تر کند. سال 1984/ 1362، چن ساخت بلورهایی با ترکیب بورات باریم، اولین ماده شناخته شده با خواص غیر خطی را رهبری کرد، که می‌توانست نور فرابنفش با طول موج نزدیک به 200 نانومتر تولید کند.
در حال حاضر این بلور در لیزرهای فمتوثانیه، که به واسطه دقت و ظرافت بالای عملکردشان برای انجام بعضی اعمال جراحی ایدهآل هستند، به‌کار می‌رود. (هر فمتو ثانیه، یک میلیارد میلیاردیم ثانیه است).
نقطه عطف بعدی سال 1987/ 1365 بود، زمانی که گروه تحقیقاتی چن، اثرات اپتیک غیرخطی را در تری بورات لیتیوم اثبات کرد. مهندسان امروزه از این بلورها برای تولید لیزرهای سبز پرقدرت و انواع نزدیک فرابنفش استفاده می‌کنند. از آنجایی که این بلورها در مقابل صدمات بسیار مقاومند، برای فعالیت‌هایی مانند جوشکاری و تولید نیمهرساناها هم انتخاب‌های بسیار خوبی هستند. حدود 80 تا 90% لیزرهای حالت جامد و سیستم‌های دیگر فعلی برای تغییر بسامد از این بلورها استفاده می‌کنند.
با اینکه سالانه چندین میلیون دلار از این نوع بلور توسط کشور چین به فروش می‌رسد، اما چن و محقق همکارش لی زمینه کاری دیگری را دنبال می‌کنند. این تلاش طولانی از سال 1988 / 1366 آغاز شده و تاکنون ادامه یافته است. در ابتدا لی که به خاطر داشت «کی.بی.بی.اف» همیشه خوب جواب می‌دهد، هزاران ترکیب شیمیایی مختلف را بر پایه فرمول دکتر چن امتحان کرد و پس از هشت سال کار مداوم، توانست ثابت کند که این بلور می‌تواند به شکل بی‌سابقه‌ای، طول موج لیزر را کوتاه کند. 184.7 نانومتر، فوق‌العاده بود.
اما بلور «کی.بی.بی.اف» هنوز برای استفاده عملی آماده نبود و امکان برش آن برای بازتاب نور لیزر وجود نداشت. باز هم 7 سال تلاش مداوم و در ادامه آن همکاری با گروهی در دانشگاه توکیو به رهبری دکتر شین آغاز شد که موفق شده بودند، بلور را در سیستم تولید لیزر استفاده کنند. اینجا شروع یک جهش بزرگ بود، دانشمندان به این واقعیت پی بردند که نور فرابنفش حاصل از تشعشع لیزر با استفاده از بلور «کی.بی.بی.اف»، گستره بسامدی بسیار محدود دارد که اجازه می‌دهد از آن برای تعیین سطح انرژی الکترونهای موجود در جامداتی استفاده شود که قابلیت تفکیک‌پذیری زیر360 میکروالکترون ولت دارند.
آنها با استفاده از این خواص توانستند نشان دهند که سطح انرژی هر لایه الکترونی از یک ابررسانای خاص دقیقا به جهت مسیر حرکت الکترونها درون شبکه آن وابسته است. تا آن زمان به دلیل عدم وجود لیزری با این قدرت و نبود انرژی کافی برای تشدید الکترونها، شناخت و اثبات آن غیر‌ممکن بود. ، دانشمند دیگری جفت الکترونی را کشف کرد، که با ایجاد پیوندی شکننده اجازه عبور الکترونها را درون شبکه بدون هیچ مقاومتی می‌دادند. دکتر چن و شین مسیر را برای شناخت بهتر ابر رساناها هموار کردند. تاکنون بیش از 20 مقاله مشترک توسط این دو فیزیک‌دان برجسته ارائه شده است.
افزایش تقاضا و محدودیت عرضه
دانسته‌های تازه در مورد ابر رساناها باعث شد تقاضا برای بلورهای «کی.بی.بی.اف» در سال 2008، به شکل چشمگیری افزایش یابد. در واکنش به سیل تقاضاها، آکادمی علوم چین برای آزمایشگاه دکتر چن محدودیت‌هایی قائل شد. عرضه بلورها بدون اجازه این آکادمی از این به بعد غیر ممکن بود. چن تصمیم گرفت سهمش را از 180 میلیون دلار بودجه تحقیقاتی صرف نصب بوته‌های بزرگ‌تر برای تولید تعداد بیشتری بلور بکند. با این تغییر، 15 عدد بلور «کی.بی.بی.اف» در سال 2008/ 1387 ، به 50 عدد در سال 2009/ 1388 و 100 عدد در سال 2010/1389 خواهد رسید و می‌توان به تعدادی از درخواست‌ها پاسخ داد.
گروه او علاوه بر این، در تلاش برای یافتن راه‌های ساخت بلورهای بهتر و ضخیم‌تر است تا امکان تولید لیزرهای قوی‌تر نیز فراهم شود. چن می‌خواهد تا سه سال دیگر از بلورها استفاده تجاری کند و مشغول مذاکره با دو شرکت چینی برای انتقال فناوری تولید بلور به آنهاست. هفت پروژه دیگر نیز هم‌زمان دارند اجرا می‌شوند. یکی از آنها ساخت بلورهایی با قابلیت تنظیم از جنس «کی.بی.بی.اف» است، تا بشود طیف وسیعی از مواد مورد بررسی قرار بگیرند، دیگری هم به بررسی چرخش الکترونها در مواد ابررسانا خواهد پرداخت، تا در کنار مطالعات حرکت آنها و انرژی مورد استفاده قرار گیرند.
دکتر چن 71 ساله علاقه‌ای به گفتگو در مورد محدودیت‌های ایجاد شده توسط دولتش برای آزمایشگاه ندارد. از همکاری دولت چین در اجرای پروژه‌ها می‌گوید و اینکه اول باید نیاز صنعت چین به بلورها برآورد شود تا بعد از آن بلورها در اختیار سایر کشورها هم قرار بگیرند. از نظر او تولید این بلور در کشورهای دیگر غیرمحتمل است، او و تیمش حداقل تمام 15 سال اخیر را صرف کار روی بهبود کیفی و کاهش نواقص این بلورها کرده‌اند.
دکتر چن می‌گوید: «کشورهای دیگر برای پر کردن این فاصله به زمان، نیروی متخصص، زیرساخت‌های پر هزینه و روش تولید بلورهای خوب نیاز دارند».
آزمایشگاه او 70 نفر پرسنل، شامل تکنسین‌ها و 30 نفر دانشجو دارد. فرآیند تولید بلور دقیقا مطابق یک کار در یک کارخانه است، طبق دستورالعمل‌ها مواد با هم ترکیب می‌شوند؛ حرارت می‌بینند، بریده می‌شوند، صیقل می‌یابند و در آخر بسته‌بندی می‌شوند؛ آزمایش‌های کنترل کیفی هم شامل بررسی یک‌سری پارامترهای کیفی و تعیین میزان آسیبپذیری بلورها در برابر تابش لیزر پرتوان می‌شود.
هزینه‌ها بسیار بالاست، چن فقط 7 میلیون دلار صرف خرید پلاتین برای آسیاب کردن بلور حین فرایند تولید آن درون بوته‌های حرارتی کرده است. هنوز هم تولید هر بلور به 3 ماه وقت و بیست هزار دلار هزینه نیاز دارد. مطابق برآورد عده‌ای از فیزیکدانان در دانشگاه استنفورد، حداقل هزینه اولیه برای راه‌اندازی چنین آزمایشگاهی 10 میلیون دلار است و باز هم برای جوابگو بودن امکانات و فرمولاسیون آن هیچ تضمینی وجود ندارد.
البته هنوز هم بزرگ‌ترین مانع بر سر راه تولید این بلور در سایر کشورها وجود ترکیب بریلیوم در ساخت آن است. استنشاق گاز حاصل از این فلز باعث سرطان و آماس ریوی مشابه التهابات حاصل از ذات‌الریه در افراد می‌شود و به همین دلیل اغلب کشورها اجازه استفاده از آن‌را در آزمایشگاه‌های وابسته به دولت نمی‌دهند.
بهار گذشته صحبت‌های ضمنی‌ای در ایالات متحده برای حمایت از تولید این بلور صورت گرفت و دوسو تلاش کرد تا دکتر هونگ دینگ را که در ابر رسانایی در دماهای بالا تخصص دارد، به همکاری دعوت کند و البته ناموفق ماند. واقعیت این است که نه دانشگاه بوستون در ماساچوست و نه هیچ مرکز تحقیقاتی دیگری در آمریکا نمی‌تواند امکاناتی را که در انستیتو فیزیک پکن در اختیار دینگ است، برایش فراهم کند. دوسو می‌گوید ده سال پیش امکان نداشت یک متخصص چینی، چنین موقعیتی را در دانشگاه‌های آمریکا رد کند. شاید حق با دینگ باشد که معتقد است، « فصل تازه‌ای از فرار مغزها با بازگشت نخبگان به چین آغاز شده است».
نشریه نیچر، شماره 7232-ترجمه: محبوبه عمیدی
نظر شما