ابررسانایی چیست ؟

ابررسانایی پدیده‌ای است که در دماهای بسیار پایین برای برخی از مواد رخ می‌دهد. در حالت ابررسانایی مقاومت الکتریکی ماده صفر می‌شود و ماده خاصیت دیامغناطیس کامل پیدا می‌کند، یعنی میدان مغناطیسی را از درون خود طرد می‌کند. طرد میدان مغناطیسی تنها تفاوت اصلی ابررسانا با رسانای کامل است، زیرا در رسانای کامل انتظار می‌رود میدان مغناطیسی ثابت بماند، در حالی که در ابررسانا میدان مغناطیسی همواره صفر است.

 

چیست,کامل انتظار می‌رود میدان,کامل,ماده,کامل,مغناطیس,می‌دهد,رسانایی,#ff0000;,ماده صفر می‌شود و ماده,کامل,ماده,تفاوت,مقاومت,بسیار,دما

مقاومت الکتریکی یک رسانای فلزی به تدریج با کاهش دما کم می‌شود.

در رساناهای معمولی مثل مس و نقره، وجود ناخالصی و مشکلات دیگر این روند را کند می‌کند. به طوری که حتی در صفر مطلق هم نمونه‌های معمول مس همچنان مقاومت الکتریکی کمی دارند. در مقابل ابررساناها موادی هستند که اگر دمایشان از یک دمای بحرانی کمتر شود، ناگهان مقاومت الکتریکی خود را از دست می‌دهند. جریانی از الکتریسیته در یک حلقه ابررسانا می‌تواند برای مدت نامحدودی بدون وجود مولد جریان وجود داشته باشد. ماننده پدیده فرومغناطیس و خطوط طیفی اتم‌ها، ابررسانایی نیز پدیده‌ای کوانتومی است و نمی‌توان آن را با فیزیک کلاسیک به مانند یک رسانای مطلوب توصیف کرد.

 

 

تاریخچه :

 

در سال 1911 ، H. Kamerlingh-Onnes هنگام کار کردن در آزمایشگاه دمای پایین خود کشف کرد که در دمای چند درجه بالای صفر مطلق ، جریان الکتریسیته می‌تواند بدون هیچ اتلاف اختلاف پتانسیل در فلز جیوه جریان پیدا کند. او این واقعه منحصر به فرد را "ابررسانایی" (Superconductivity) نامید. هیچ نظریه‌ای برای توضیح این رخداد در طول پنجاه و شش سال بعد از کشف ارائه نگردید. تا وقتی که در 1957 ، در دانشگاه الینویس ، سه فیزیکدان: John Bardeen ، Leon Cooper و Robert Schrieffer نظریه میکروسکوپی خود ارائه کردن که بعدا با نام تئوری BCS(حروف ابتدایی نام محققان) شناخته شد. سومین رخداد مهم در تاریخ ابررسانایی در سال 1986 اتفاق افتاد، وقتی که George Bednorz و Alex Mueller در حال کار کردن در آزمایشگاه IBM نزدیک شهر زوریخ سوئیس ،یک کشف مهم دیگر کردند:

ابررسانایی در دماهای بالاتر از دماهایی که قبلا برای ابررسانایی شناخته شده بودند در فلزاتی کاملا متفاوت از آنچه قبلا فلز ابررسانا شناخته می‌شود. این کشف باعث ایجاد زمینه جدیدی در علم فیزیک شد: مطالعه ابررسانایی دمای بالا.

ابررساناهای مرسوم

در سخنرانی نوبل در سال 1913 ، Kammerlingh-Onnes گزارش داد که "جیوه در 4.2 درجه کلوین به حالت جدیدی وارد می‌شود، حالتی که با توجه به خواص الکتریکی آن ، می‌تواند ابررسانایی نام بگیرد. او گزارش داد که این حالت می‌تواند بوسیله اعمال میدان مغناطیسی به اندازه کافی بزرگ از بین برود. در حالی که یک جریان القاء شده در یک حلقه بسته ابررسانا به مدت زمان فوق العاده زیادی باقی می‌ماند و از بین نمی‌رود. او این رخداد را بطور عملی با آغازیک جریان ابررسانایی در یک سیم پیچ در آزمایشگاه لیدن و سپس حمل سیم پیچ همراه با سرد کننده‌ای که آن را سرد نگه می‌داشت به دانشگاه کمبریج به عموم نشان داد.

این موضوع که ابررسانایی مسأله‌ای به این مشکلی ارائه کرد که 46 سال طول کشید تا حل شود، خیلی شگفت آور می‌باشد. دلیل اول این می‌تواند باشد که جامعه فیزیک تا حدود بیست سال مبانی علمی لازم برای ارائه راه حل برای این مسئله را نداشت: تئوری کوانتوم فلزات معمولی. دوم اینکه ، تا سال 1934 هیچ آزمایش اساسی در این زمینه انجام نشد. سوم اینکه ، وقتی مبانی عملی لازم بدست آمد، به زودی واضح شد انرژی مشخصه وابسته به تشکیل ابررسانایی بسیار کوچک می‌باشد، حدود یک میلیونیم انرژی الکترونیکی مشخصه حالت عادی. بنابراین ، نظریه پردازان توجه‌شان را به توسعه یک تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب کردند. این مسیر را Fritz London رهبری می‌کرد. کسی که در سال 1953 به نکته زیر اشاره کرد:

"ابررسانایی یک پدیده کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی می‌باشد ... با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریک شده بوسیله وقفه‌های زمانی." و اینکه "diamagntesim یک مشخصه بنیادی می‌باشد."

مبانی علمی کوانتومی ابررسانایی

الکترونها در فلز در پتانسیل متناوب تولید شده از نوسان یونها حول وضعیتشان حرکت می‌کنند. حرکت یونها را می‌توان بوسیله مدهای جمعی کوانتیزه شده آنها ، فونونها توجیه کرد. سپس در طی توسعه نظریه کوانتوم ، نظریه پاولی اصل انفجار وجود دارد، که معنای آن بیانگر مفهوم آن است و آن اینکه - الکترونها به صورت اسپین نیمه کامل ذاتی (half integral intrinsic spin) قرار می‌گیرند، و در نتیجه هیچ الکترونی نمی‌تواند طوری قرار بگیرد که عدد کوانتوم آنها باهم یکی باشد. ذراتی که به صورت اسپین نیمه کامل ذاتی قرار می‌گیرند با نام فرمیونها (fermions) شناخته می‌شوند، بخاطر گرامی داشت کارهای فرمی (Fermi) که ، همراه با دیراک (Dirac) ، نظریه آماری رفتار الکترون در دماهای محدود را توسعه دادند، این تئوری با نام Fermi-Diac statistics شناخته می‌شود. در توضیح فضای اندازه حرکت یک فلز ساده ، حالت پایه یک کره در فضای اندازه‌ی حرکت می‌باشد، که اندازه‌ی شعاع آن ، pf بوسیله‌ی چگالی فلز تعیین می‌گردد.

انرژی خارجی ترین الکترونها ، در مقایسه با انرژی گرمایی میانگین آنها ، Kt بسیار بزرگ می‌باشد. به عنوان نتیجه ، تنها بخش کوچکی از الکترونها ، در بالاتر از حالت پایه تحریک می‌شوند. الکترونها باهم دیگرقانون کلمب) و با فونونها تعامل می‌کنند و رابطه دارند. تحریکات ابتدائی آنها ذرات (quasi ، (quasiparticles می‌باشند، الکترونها به اضافه ابر الکترونی وابسته به آنها و فونونهایی که هنگام حرکت از میان شبکه الکترون را همراهی می‌کند. یک بحث و مذاکره ابتدائی نشان می‌دهد که طول عمریک quasiparticle تحریک شده بالای سطح فرمی (سطح کره فرمی) تقریبا برابر می‌باشد. مسأله و مشکلی که برای نظریه پردازان در رابطه با این مسأله پیش آمده ، فهم چگونگی تحمل پذیری الکترونهای تعامل کننده هنگام رفتن به حالت ابررسانایی می‌باشد. این امر چگونه انجام می‌شود؟ توضیح ریاضی مناسب برای این امر چه می‌باشد؟

یک کلید راهنمای بسیار لازم در سال 1950 میلادی بدست آمد، وقتی محققان در Nationa Bearue of Standards و دانشگاه روتگرز کشف کردند که دمای انتقال به حالت ابررسانایی سرب بستگی به جرم ایزوتوپ آن ، یعنی M ، دارد و رابطه عکس با M1/2 دارد. از آنجایی که انرژی لرزشی شبکه‌ای همان بستگی را با M1/2 دارد، کوانتای پایه ی آنها، فونونها ، باید نقشی در ظهور و ایجاد حالت ابررسانایی بازی کند. در سالهای بعدی ، Herber Frohlich ، که از پوردو از دانشگاه لیورپول بازدید می‌کرد، و John Bardeen کسی که آن زمان در آزمایشگاههای بل کار می‌کرد، تلاش کردند نظریه‌ای با استفاده از تعامل الکترونها و فونونها ارائه بدهند، ولی شکست خوردند و موفق نشدند. کار انجام شده توسط آنها را می‌توان به کمک دیاگرامهای معرفی شده توسط ریچارد فاینمن به تصویر کشید.

سپس Frohlich احتمال دوم را در نظر گرفت، حالتی که در آن یک الکترون یک فونون را آزاد می‌کند و الکترون دومی آن فونون را جذب می‌کند. این تعامل فونون القایی می‌تواند برای الکترونهای نزدیک سطح فرمی جذاب باشد. این یک معادله فلزی waterbed می‌باشد: دو شخص که یک waterbed را به اشتراک می‌گذارند، تمایل دارند تا به مرکز آن جذب شوند، همان طوری که روند القاء الکترونها را جذب می‌کند. (یک شخص تو رفتگی را در waterbed القاء می‌کند، تو رفتگیی که شخص دوم را جذب می‌کند.) تعامل مطالعه شده توسط Frohlich در نگاه جذاب و زیبا به نظر می‌رسد، که هم جدید بود و هم ذاتا تناسب درستی با جرم ایزوتوپی M داشت.

اگر چه مشکلی بزرگ در درک چگونگی نقش بازی کردن آن وجود داشت، از آنجا که تعامل پایه‌ای کلمب (Coulomb) بین الکترونها دفع کننده می‌باشد، و خیلی قوی‌تر می‌باشد. همانطور که لاندائو (Laundau) قرار داد: "شما نمی‌توانید قانون کولمب را لغو کنید." این اشکالی بود که John Bardeen و نویسنده این مقاله ، دیوید پاینس (David Pines) (هنگامی که اولین دانشجوی دکترا در دانشگاه ایلیونیس در سالهای 1952-1955 بود) ، آن را مورد انتقاد قرار دادند. چیزی که آنها پیدا کردند، بوسیله‌ی توسعه یک راهبرد که David Bohm و David Pines قبلا برای فهم تعاملهای جفت الکترونها در فلزات توسعه داده بودند، این بود که "پیام ، متوسط است " ("The Medium is the message"). وقتی آنها اثر رویه به پرده در آوردن الکترونیکی (Electronic Screening) روی هر دو تعامل الکترون-الکترون و الکترون-آهن را در نظر گرفتند، فهمیدند که حضور جزء تشکیل دهنده دومی ، یونها ، یک تعامل جذاب شبکه‌ای را بین یک جفت الکترون که تفاوت انرژی آنها از انرژی یک فونون بنیادین کمتر می‌باشد، ممکن می‌سازد.

که در آن ثابت دی الکتریک استاتیک وابسته به watervector می‌باشد، انرژی فونون می‌باشد، q انتقال اندازه‌ی حرکت می‌باشد، و تفاوت بین انرژی الکترونها می‌باشد. ترتیب‌ها آن به صورت جزئی‌تر توسط Leon Cooper مطالعه شده است. او فهمید که به خاطر این جذابیت شبکه‌ای ، سطح فرمی حالت عادی می‌تواند در دماهای پائین به تشکیل جفت الکترونهایی با اسپین و اندازه حرکت مخالف ، بی ثبات شود. با کار او ، راه حلی برای ابررسانایی نزدیک بود. در سال 1957 میلادی ، هنگامی که Bob Schrieffer ، کسی که دانشجوی فارغ التحصیلی Bardeen در دانشگاه الیونیس بود، فهمید که توضیح میکروسکوپی داوطلب حالت ابررسانایی ، می‌تواند با به کار بردن راهبردی که قبلا برای پلارنها توسعه یافته بود، توسعه یابد.

در هفته‌های بعدی ، Bardeen ، Cooper ، و Schrieffer نظریه‌ی میکروسکوپی ابررسانایی خود ، تئوری BCS را ارائه دادند. که این تئوری در توضیح و تفسیر رویدادهای ابررسانایی موجود و همچنین در پیش گویی رویداد های جدید بسیار موفق بود. در جولای 1959 ، در اولین کنفرانس عظیم در رابطه با ابررسانایی بعد از ارائه نظریه ی BCS ، (در دانشگاه کمبریج) ، David Schoenberg کنفرانس را با این جمله آغاز کرد : "حالا ببینیم تا چه حدی مشاهدات با حقایق نظری جور در می‌آیند ...".

خواص ابررساناها

بیشتر خواص ابررساناها از ماده‌ای به ماده دیگر تغییر می کند. خواصی مانند ظرفیت گرمایی و دمای بحرانی. اما گذشته از این‌ها، دسته خاصی از خواص تمام ابر رساناها مشترک است، از جمله این که در دماهای بسیار پایین، مقاومت خود را به کلی دربرابر جریان از دست می‌دهند و همچنین دیگر هیچ میدان مغناطیسی داخلی در آن‌ها وجود نخواهد داشت. با توجه به چنین خواص مشترکی می‌توان ابررسانایی را یک فاز(ماده)فاز ترمودینامیکی برای ماده دانست. ابررسانا شدن را می‌توان گذار فازی به فاز دیگر قلمداد کرد. چیزی همانند تغییر حالت آب از مایع به گاز و یا برعکس.

گذار به فاز ابررسانایی

 

در مواد ابررسانا، پدیده ابررسانایی زمانی ظهور می‌کند که دمای ماده، T از مقدار بحرانی، T_c کمتر شود. مقدار دمای بحرانی از ماده‌ای به ماده دیگر متفاوت است. دمای بحرانی ابررساناهای معمول چیزی بین ۲۰ کلوین تا زیر یک کلوین است. برای نمونه، دمای بحرانی جیوه ی جامد ۴٫۲ کلوین است ولی دمای بحرانی منیزیم دی بورید ۳۹کلوین است. گرچه این ماده خواصی چنان دارد که نمی‌بایست آن را در دسته ابررساناهای معمول جای داد. ابررساناهای ترکیبی می‌توانند دمایی بحرانی بسیار بالاتری داشته باشند. برای مثال YBa۲Cu۳O۷ ابررسانایی است که دمای بحرانی آن ۹۲ کلوین است و درواقع اولین ابررسانای دمای بالا بود که کشف شد. همچنین ابررساناهای دمای بالای دیگری بر پایه جیوه کشف شده‌اند که دمای بحرانی آنها نزدیک ۱۴۰ کلوین است. هنوز هیچ نظریه‌ای قادر به توضیح چگونگی پدید آمدن ابررساناهای دمای بالا نبوده‌است. تعویض فونون می‌تواند نوع عملکرد ابررساناهای معمول را توضیح دهد اما برای ابررساناهای با دمای بحرانی بسیار بالا نمی‌توان از این تئوری هم استفاده کرد.

شروع پدیده ابررسانایی با تغییرات زیادی در خواص فیزیکی ماده همراه است که به همین سبب آن را فاز جدیدی می‌نامند. برای مثال ظرفیت گرمایی ماده از قوانینی تبعیت می‌کند که در زمان ابررسانا نبودن ماده وجود دارند. در گذر به فاز ابررسانایی، ظرفیت گرمایی ماده ناگهان پرشی با بالا می‌کند و سپس به صورت خطی کم و کمتر می‌شود تا به کلی از بین برود. در دمای پایین این تغییرات به صورت است که α در آن ثابت است و این خود نشان می‌دهد که گاف انرژی وجود دارد. تغییر فاز به ابررسانایی مدت زیادی مورد بحث بین دانشمندان بوده‌است. در حالی که آزمایش‌ها نشان می‌دادند که این تغییر از مرتبه دوم است، بدین معنی که گرمای نهانی در این تغییر وجود ندارد، در دهه ۱۹۷۰ محاسبات این احتمال را مطرح کردند که شاید این تغییر وضعیت را بتوان با لحاظ کردن نوسانات بلند برد در میدان مغناطیسی، تغییر فازی نوع اول به حساب آورد. به تازگی با کمک نظریه آشوب است که مشخص شده خطوط مارپیچ ابررسانا در این بین نقشی عمده دارند و این گذار حالت برای ابررساناهای نوع دوم گذری از مرتبه دوم و برای ابررساناهای نوع اول، گذری از مرتبه اول است.

ابرسانایی نوع ۱ و نوع ۲

اگر میدان مغناطیسی خیلی قوی باشد، اثر مایسنر از بین می‌رود. همین پدیده ابررساناها را به دو نوع تقسیم می‌کند: در ابررساناهای نوع ۱ (Type I) اگر میدان مغناطیسی از یک حد آستانه (H_c) بیشتر شود، ابرسانایی ناگهان از بین می‌رود. بسته به شکل هندسی نمونه، ممکن است حالت‌های میانی‌ای هم ایجاد شوند که در آن ناحیه‌های عادی (که در آن‌ها میدان وجود دارد) و ناحیه‌های ابرسانا (که میدان درون‌شان صفر است) هم‌زمان وجود داشته باشند. در ابررساناهای نوع ۲ (Type II) اگر میدان مغناطیسی از حد H_c1 بیشتر شود، حالت مخلوطی ایجاد می‌شود که در آن شار مغناطیسی روبه‌افزایشی از ماده می‌گذرد، ولی مقاومت ماده، اگر جریان خیلی زیاد نباشد، همچنان صفر باقی می‌ماند. در حد دوم از میدان مغناطیسی H_c2 ابررسانایی از بین می‌رود.

بیشتر ابررساناهایی که عنصر ساده هستند (به جز نیوبیوم، تکنسیوم، وانادیوم و نانولوله‌های کربنی) نوع ۱ هستند، و تقریباً همهٔ ابررساناهای ناخالص و ترکیبی نوع ۲ هستند.

زمانی که یک ابررسانا در یک میدان مغناطیسی ضعیف خارجی قرار می‌گیرد. میدان فقط به مقدار ناچیز λ در داخل ابررسانا نفوذ کند که به آن عمق نفوذ لندن (London penetration depth) می‌نامند که با گذشت زمان این مقدار به صفر می‌رسد. به این پدیده اثر مایسنر می‌گوید. و این اثر مشخصهٔ ویژهٔ ابررسانا را مشخص می‌کند. برای بیشتر ابررساناها عمق نفوذ لندن تقریباً در حدود ۱۰nm می‌باشد.

اثر مایسنر در بعضی مواقع گیج کننده می‌باشد در مقابل انتظاری که از یک رسانای الکتریکی ایده آل می‌رود. مطابق قانون لنز وقتی که تغییرات میدان بر یک رسانا اعمال می‌شود در هادی جریانی القاء می‌شود که جهت این میدان در خلاف جهت میدان به وجود آورنداش است. در رسانای ایده‌آل جریان بزرگی در هادی القاء می‌شود که نتیجه‌اش خنثی کردن میدان اصلی می‌باشد. اثر مایسنر با بحث بالا متفاوت است.فرض کنید فلزی داریم که در وضعیت عادی است و دارای میدان مغناطیسی ثابت (داخلی) است. حال آن را سرد می‌کنیم تا به دمای بحرانی برسد در این زمان ما شاهد از بین رفتن فوری میدان خواهیم بود. که مطابق قانون لنز چنین انتظاری نمی‌رود.

اثر مایسنر به کمک دو برادر Fritz و Heinz London مطرح شد که نشان دادند که انرژی آزاد الکترومغناطیسی در ابررسانا مینیمم مقدار است.

 

 

در این فرمول H میدان مغناطیسی و λ عمق نفوذ لندن است. معادلهٔ بالا که معادلهٔ لندن نام دارد پیش گویی می‌کند که جدا از میدان موجود در سطح میدان مغناطیسی در داخل ابررسانا به صورت تابع نمایی از بین می‌رود. اثر مایسنر در میدان‌های بسیار بزرگ دیده نمی‌شود.

دسته‌بندی ابررساناها

بنا به گفتهٔ بالا ابررساناها را می‌توان به دو نوع مختلف تقسیم کرد. ابررساناهای نوع ۱ که در آنها خاصیت ابرررسانایی در زمان رسیدن میدان به مقدار بحرانی Hc ناگهان از بین می‌رود. وابسته به شکل هندسی فلز مورد آزمایش ممکن است ماده به یک وضعیت دیگری برود که در آن هم خاصیت مادهٔ نرمال و هم خاصیت ابررسانایی را به طور مخلوط داشته باشد.

در ابررساناهای نوع۲ افزایش میدان و رسیدن به مقدار بحرانی Hc۱ ما را به یک وضعیت مختلط می‌رساند که در آن نفوذ شار مغناطیسی با افزایش همراه است ولی همچنان مقاومتی در برابر جریان وجود ندارد تا زمانی که میدان بیش از حد بزرگ شود در میدان بحرانی دوم Hc۲ ابررسانا از بین می‌رود.

کاربردها

ابررساناهای دمای پایین امروزه در ساخت آهنرباهای ویژه طیف سنج‌های رزونانس مغناطیسی هسته، رزونانس مغناطیسی برای مقاصد تشخیص طبی، شتاب دهنده ذره‌ها، ترنهای سریع مغناطیسی و انواع ابزارهای رسانایی الکترونیکی بکار می‌رود. اما برای اینکه ابررساناهای دمای بالا در کاربردهای میدان مغناطیسی در دمای بالا رقابت کنند، هنوز زمان لازم دارد، این بعلت دشواری در تولید انبوه و با کیفیت بالاست. اگر چه در حال حاضر، بازار ابررساناهای دمای بالا رونق کمی دارد، گمان می‌رود که در خلال دو دهه آینده کاربر د آن فراگیر و پررونق شود.

آهنرباهای ابررسانا از قوی ترین آهنرباهای الکتریکی موجود در جهان هستند. ار آنها در قطارهای سریع السیر برقی و دستگاه‌های MRI و NMR و هدایت کردن ذرات در شتاب دهنده‌ها استفاده می‌شود. همچنین می‌توان به عنوان جدا کننده‌های مغناطیسی در جاهایی که ذرات مغناطیسی ضعیف خارج می‌شود مثلا در صنایع رنگ سازی استفاده شود.

همچنین از ابررساناها در مدارات دیجیتالی نیز استفاده می‌شود به عنوان مثال در ایستگاههای RF و موبایل در ایستگاههای امواج ماکروویو.

از ابررساناها در Josephson junction برای ساختن بلوک‌های ساختمان SQUID استفاده می‌شود. SQUID حساسترین اندازه‌گیر امواج مغناطیسی می‌باشد.

سری دیگردستگاه‌های Josephson برای ردیابی فوتون و یا به عنوان میکسر استفاده می‌شود. از مقاومتهایی که به ابررسانا تبدیل می‌شوند نیز در ساختن دماسنج و گرما سنجهای حساس micro-calorimeter ردیاب فوتونی استفاده می‌شود.

محققان امیدوارند که در آینده از ابررسانا در ساختن ترانسفورماتورها، وسایل ذخیرهٔ برق، الکتروموتورها، محدود کردن جریان اتصال کوتاه، وسایل شناور مغناطیسی استفاده کنند. اما چون ابررساناها به تغییر و حرکت میدان مغناطیسی حساسند استفاده از آن ها در برق جریان متناوب مثل ترانسفورماتورها بسیار سخت پیشرفت میکند ترجیحاً در حیطه کاری جریان مستقیم می‌باشد.

منابع : http://fa.wikipedia.org/

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara