شنبه , ۲۰ آذر ۱۳۹۵
دانلود رایگان نرم افزار آنالیز تصویر + فیلم آموزشی
ابر رسانا

ابر رسانا

ابر رسانا

ارسالی از : حامدکریم زاده

دید کلی

از کشف ابررسانایی در سال ۱۹۱۱ میلادی تا سال ۱۹۸۶ ، باور عموم بر آن بود که ابررسانایی فقط می‌تواند در فلزاتی در دماهای بسیار پایین وجود داشته باشد، که فقط در دماهای حداکثر ۲۵ درجه بالای صفر مطلق اتفاق می‌افتاد. با کشف ابررسانایی در دماهای بالاتر در سال ۱۹۸۶ ، در موادی که تقریبا ضد فرو مغناطیسی بودند، و در هواپیماهای شامل a nearly square array of اتمهای مس و اکسیژن ، فصل جدیدی در علم فیزیک باز کرد. حقیقتا درک ظاهر شدن ابررسانایی در دماهای بالا (حداکثر دمای ۱۶۰ کلوین) یک مسأله بزرگ برای بحث کردن می‌باشد. تا آنجا که امروزه بیش از ده هزار محقق روی این موضوع تحقیق و بررسی انجام می‌دهند.

Untitled

 

پس از مقدمه‌ای بر مفاهیم پایه فلزات معمولی و مرسوم ، دمای پایین و ابررسانایی ، مروری بر نتایج مشاهدات انجام شده در دهه گذشته خواهیم داشت، که نشان می‌دهند ابررساناهای دمای بالا فلزات عجیبی با خواص غیر عادی بسیار بالای ابررسانایی می‌باشند. سپس ، پیشرفتهای نظری اخیری را شرح خواهم داد که طبیعت چنین فلزات عجیب را آشکار می‌سازد، و به شدت این پیشنهاد را که “تعامل مغناطیسی بین تحریکات ذره‌ی‌ quasi مسطح است که رفتار حالت عادی آنها را به هم می‌زند و باعث روی دادن حالت ابررسانایی در دماهای بالا می‌شود” پشتیبانی و تأیید می‌کنند.

مقدمه

در سال ۱۹۱۱ ، 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 ۱۹۵۷ ، 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 ۱۹۸۶ 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. در این مقاله ، که برای غیر متخصص‌ها تنظیم گشته است، این را که ما چقدر در فهم دمای بالا پیشرفت کرده‌ایم را توضیح خواهم داد و درباره چشم اندازهای آینده توسعه یک نظریه میکروسکوپی بحث خواهم کرد. با مروری بر برخی مفاهیم پایه‌ای ، نظریه فلزات را شروع می‌کنیم؛ برخی اقدامات که منجر به ارائه نظریه BCS گشت، را توضیح می‌دهیم؛ و کمی درباره تئوری BCS بحث خواهیم کرد و آن را توضیح خواهیم داد. سپس مختصرا درباره پیشرفتهایی که به فهم ما از ابررسانایی و ابرسیالی ، در جهان ارائه شده است، بحث خواهیم کرد، پیشرفتهایی که بوسیله الهام از تئوری BCS بدست آمده‌اند، که شامل کشف رده‌های زیادی از مواد ابرسیال می‌باشد، از هلیوم ۳ مایع که چند میلی درجه بالاتر از صفر مطلق به حالت ابرسیالی در می‌آید تا ماده نوترون موجود در پوسته سیاره نوترون ، که در چند میلیون درجه به حالت ابرسیالی در می‌آید.
سپس درباره تأثیرات کشف مواد ابررسانای دمای بالا بحث خواهیم کرد، و برخی نتایج تجربی ، کلیدی را جمع بندی خواهیم کرد. سپس یک مدل برای ابررسانایی دمای بالا ارائه خواهم داد، نزدیک به نظریه‌ی ضد فرومغناطیسی مایع فرمی ، که به نظر دارای توانایی ارائه‌ی مقدار زیادی از خواص غیرعادی حالت معمولی مواد ابررسانای سطح بالا می‌باشد. مواد قابل تطبیق پیچیده که در آن بازخورد غیر خطی طبیعی ، چه مثبت و چه منفی ، نقشی حیاتی در تعیین رفتار سیستم بازی می‌کنند.

ابررساناهای مرسوم

در سخنرانی نوبل در سال ۱۹۱۳ ، Kammerlingh-Onnes گزارش داد که “جیوه در ۴٫۲ 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 آغاز یک 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 ۴۶ 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 ۱۹۳۴ 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 ۱۹۵۳ 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.”

ابر رسانا

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 دیاک (Diac) ، 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 دیگر (قانون 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 عمر یک 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 ۱۹۵۰ 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 ۱۹۵۲-۱۹۵۵ 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 ۱۹۵۷ 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 ۱۹۵۹ ، 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 …”.

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 از دیگر کاربردهای آنها می‌توان به دستگاههای عکسبرداری تشدید مغناطیسی هسته وقطارهای جدیدی که توسط نیروهای مغناطیسی در هوا معلق هستند و با سرعت ۴۰۰ کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کنند، اشاره کرد. اما برای اینکه ابررساناهای دمای بالا در کاربردهای میدان مغناطیسی در دمای بالا رقابت کنند، هنوز زمان لازم دارد، این به علت 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 کاربرد آن فراگیر و پر رونق شود.

ابررسانای دمای بالا

زمینه‌ای جدید در علم فیزیک آغاز شد، هنگامی که در ۲۷ ژانویه ۱۹۸۶ میلادی ، Bednorz و textMueller یک افت مقاومت تیز را در La2 – mBamCuO4 در دمای حدود ۳۰ درجه کلوین مشاهده کردند. آنها مقاله‌ای در این باره به یکی از روزنامه‌های معتبر اروپائی ، ZeitSchrift fur Physik فرستادند و مطالعه خود را بر روی این ماده جدید ادامه دادند تا اطمینان حاصل کنند که تغییر مقاومت ناگهانی ، تبدیل به یک حالت ابررسانایی بوده.
تا ماه اکتبر ، آنها اثر مایزنر (The Meissner Effect) را مشاهده کرده بودند ، بنابراین یک ماده ابر رسانای جدید را به ثبت رساندند. نتایج آنها در دنیا پخش شد، یک ماه بعد ، Tanaka و همکاران وی در توکیو نتایج Bednorz – Muller را تأیید نمودند (یک تأییدیه در یکی از روزنامه‌های ژاپنی چاپ شد) در حالی که کار آنها در پکن توسط Zou و همکارانش پشتیبانی و حمایت شد. (کار آنها در دسامبر در یکی از روزنامه‌ها توضیح داده شد.) در ماه بعد ، در نتیجه یک تلاش همکارانه بین Paul Chu از دانشگاه هوستون و Mang – Kang Wu از دانشگاه آلاباما ، عضو جدیدی از خانواده مواد ابررساناهای دما بالا کشف شد ، YBa2Cu3O7 که دارای بالای ۷۰ درجه کلوین بود.
بنابراین فقط در طی یک سال از کشف اصلی ، دمای انتقال به حالت ابررسانایی افزایش سه برابر داشت و واضح بود که انقلاب ابر رساناها شروع شده است. یک جشن برای بوجود آمدن این فصل در علم فیزیک طی یک جلسه در نیویورک توسط انجمن فیزیکدانان آمریکایی در بعد از ظهر یکی از روزهای مارس ۱۹۸۷ برگزار شد. این جشن ۳۰۰۰ شرکت کننده داشت و ۳۰۰۰ نفر نیز این جشن را از طریق تلویزیون مشاهده می‌کردند، … .


کشف ابر رسانایی دمای بالا

در طول شش سال بعد، چند خانواده دیگری از ابر رساناها کشف شدند، که شامل سیستمهای مبنی بر -Tl و -Hg می‌باشند، که به ترتیب دارای حداکثر ۱۲۰ کلوین و ۱۶۰ کلوین می‌باشند. همگی آنها یک ویژگی که موجب روی دادن ابر رسانایی دمای بالا بود داشتند، وجود پلینهای (planes) شامل اتمهای O و Cu که جدا شده بوسیله مواد پل کننده‌ای که به عنوان حامل بار عمل می‌کنند هستند. در طی این مدت ، حدود چند هزار مقاله در رابطه با ابر رساناها منتشر گشت (و در زمان حاضر هم منتشر می‌شود)، بدیهی گشت که ابر رسانایی دمای بالا وابسته به مسائل بزرگ فیزیک بسیاری در طول دهه گذشته این قرن بود.
حداقل چهار دلیل برای علاقه شدید به دمای بالا وجود دارد: یک علاقه علمی ذاتی و باطنی ، طبیعت انتقال نظم و ترتیبی (این به حدود جدا کننده دانشمندان و شیمیدانهای مواد از طریق فیزیکدانهای نظری و تجربی می‌رسد) ؛ کاربردهای بالقوه برای موادی که در دماهای بالاتر از ۷۷ کلوین (دمایی که نیتروژن مایع می‌شود) به عنوان ابررسانا عمل می‌کنند. کاربردهایی که می‌توان در سیستمهای تلفن سلولی اعمال کرد، خطوط انتقال ابررسانایی ، ماشینهای MRI استفاده کننده از مغناطیسهای بالا ، میکرو ویوهای استفاده کننده از مواد ابررسانای جدید ، سیستمهای ابررسانا ، نیم رسانای هیبریدی و در آخر پیدا کردن ابر رسانای دمای اتاق.

ابر رسانا

خواص ابر رسانا

برخی مشخصه‌ها و خواص ابر رساناهای جدید عبارتند از اینکه آنها سرامیک و اکسیدهای ورقه ورقه می‌باشند که در دمای اتاق فلزات ضعیف و بی‌ارزشی هستند و مواد متفاوتی برای کار کردن هستند. شامل کمی حامل بار در مقایسه با فلزات معمولی هستند، و خواص انیسوتوروپیک (Anisotropic) الکتریکی و مغناطیسی هستند که بطور قابل ملاحظه‌ای حساس به محتوای اکسیژن می‌باشند. در حالی که ، نمونه‌های ابر رسانای مواد ۱-۲-۳ ، YBa2Cu3O7 ، را یک دانش آموز دبیرستانی نیز می‌تواند در یک اجاق میکرو ویو تولید کند، کریستالهای یکتای دارای درجه خلوص بالا برای تشخیص خواص فیزیکی ذاتی موادی که ساختن آنها بطور خیلی زیادی سخت است، لازم است.
در ادامه یک دهه کار ، یک وفاق عمومی بر سر این موضوع وجود دارد که رفتار تحریکات ابتدائی در پلینهای (planes) ، (Cu – O) یک کلید برای درک خواص حالت عادی این ابر رساناها ارائه می‌دهد و اینکه آن خاصیت غیر حالت عادی شبیه به حالت عادی ابر رساناهای معمولی و دمای پایین می‌باشند. علاوه بر این ، اساسا هیچ یک از خواص حالت ابر رسانایی ، با خواص یک ابر رسانای عادی یکی نیست، که در آن جفت کردن تئوری BCS در حالت خط واحد اتفاق می‌افتد و شکاف انرژی ذرات quasi در دماهای پائین و ایزوتپریک ، هنگامی که یکی حول سطح فرمی حرکت می‌کند، محدود می‌باشد. علی رغم این حقیقت که چیزی نسبتا جدید و متفاوت نیاز است تا رفتار حالت عادی را درک کنیم، یک توافق و اجماع وجود دارد که تئوری BCS ، اگر بطور مناسبی تغییر یابد، یک توضیح راضی کننده برای انتقال به حالت ابررسانایی و خواص مواد در آن حالت می‌دهد.

Untitled

یک توافق تقریبی همچنین در رابطه با اجزای سازنده پایه لازم برای درک ابر رساناهای دمای بالا وجود دارد. آنها را می‌توان بصورت زیر خلاصه کرد:

عمل ابتدا در پلینهای Cu – O رخ می‌دهد، پس در تخمین اول ، برای متمرکز کردن هم توجه نظری و هم عملی روی رفتار تحریکات پلانار و همچنین برای متمرکز کردن بر روی دو سیستم مطالعه شده ، سیستم ۱-۲-۳ (YBa2Cu3O7 – m) و سیستم ۲-۱-۴ (La2 – mSrmCuO4) ، کفایت می‌کند. در دماهای پایین هر دو سیستم عایقهای آنتی فرو مغناطیس می‌باشند با یک آرایه محلی Cu+2 که علامت آن در داخل شبکه متناوبا عوض می‌شود. شخصی سوراخهایی را بر روی پلینهای Cu – O سیستم ۱-۲-۳ با تزریق اکسیژن ایجاد می‌کند، برای سیستم ۲-۱-۴ این کار با تزریق استرونتیوم انجام می‌گیرد.

سوراخهای حاصل روی مقر پلانار اکسیژن ، با اسپینهای نزدیک Cu+2 پیوند پیدا می‌کنند و حرکت را برای دیگر اسپینهای Cu+2 آسان می‌سازد و در روند نابود کردن همبستگیهای AF طولانی برد در عایق. اگر کسی حفره‌های کافی را ایجاد کند، سیستم حالات پایه خود را از یک عایق به یک ابررسانا تغییر می‌دهد. در حالت عادی مواد ابر رسانا ، اسپینهای Cu+2 سیار ، اما محلی یک مایع فرمی غیر مرسوم را تشکیل می‌دهند ، با اسپینهای quasiparticleهای نشان دهنده ارتباطات AF قوی ، حتی برای سیستمهای در سطح تخدیر که از حدی که ماکزیمم می‌باشد، تجاوز می‌کند، موادی که با نام فرا – تخدیر شناخته می‌شوند.

 

اگر چه هیچ توافقی بین تئوریسینها بر سر اینکه چگونه یک توضیح نظریه‌ای دارای جزئیات برای curpateها ارائه کنند. راه کردهایی که برای اینکار امتحان شد را می‌توان به از پایین به بالا – یا از بالا به پایین رده بندی کرد. در راه کرد از بالا به پائین ، یکی مدلی را که از قبل وجود داشته را انتخاب می‌کند و راه حلهایی برای انتخابهای دیگر پارامترهای مدل را توسعه می‌دهد ، سپس تست می‌کند که آیا این راه حل به نتایج منطبق بر شواهد و تجربیات رسیده‌اند یا نه.

در یک راه کرد از پائین به بالا ، یک از نتایج تجربی آغاز می‌کند و تلاش می‌کند تا یک توضیح پدیده‌ای از یک زیر مجموعه از نتایج تجربی را بدست آورد. سپس چند آزمایش دیگر را متناسب با توضیح بدست آمده انجام می‌دهد، با ترتیب میکروسکوپی برای هر آزمایش ، تا اینکه به نتایج مورد انتظار از محاسبات و مشاهدات دست بیابد. و فقط آن وقت بدنبال یک مدل هامیلتونی که راه حلش ممکن است تئوری میکروسکوپی کامل را ارائه دهد، بگردد و جستجو کند. Jonh Bardeen از این راه کرد دوم برای کار کردن بر روی ابر رساناهای عادی و مرسوم استفاده کرد و در دانشگاه اوربانا از روش و راه کرد او برای کار بر روی ابر رسانای دمای بالا استفاده کردند.

مشکل گسترش تکنولوژی ابررسانایی

مشکل موجود در گسترش تکنولوژی ابررسانایی همیشه دماهای پایین مورد نیاز برای نگهداری خاصیت ابررسانایی است به عنوان ممثال انرژی آهنربا در یک شتابدهنده بزرگ آزمایشگاه فرمی به وسیله جریان موجود در ابررساناییکه باید در دمای حدود چهار درجه کلوین (دمای هلیوم مایع) نگهداری شوند، تامین می‌شود.
اما در سال ۱۹۸۶، مواد سرامیکی جدیدی کشف شدند که در دماهای بالاتر ابررسانا می‌شوند. به دلیل اهمیت خاصیت ابررسانایی مطالعات زیادی در این زمینه انجام گرفته و به این ترتیب ایجاد خاصیت ابررسانایی در دماهای بالاتر نیز امکان‌پذیر شده است. دمای جوش مایع ۷۷ درجه کلوین است، بنابراین از این سرد کننده ارزان‌ قیمت (که از آب معدنی هم ارزانتر است) می‌توان به جای هلیوم مایع استفاده کرد.

تفوت خاصیت رسانایی و ابررسانایی

نباید تصور کرد که پدیده ابررسانایی صرفا خاصیتی در جهت بهبود فرایند رسانایی می‌باشد. این دو فرایند کاملا متفاوت هستند. در واقع در حالیکه بهترین رسانای عادی نظیر نقره یا مس ، ابر رسانا نمی‌شوند. ابررساناهای کشف شده جدید ، موادی سرامیکی هستند که در شرایط عادی عایق هستند.

نظریه B.C.S

سازوکار ابررسانایی که تا ۶۰سال بعد از کشف این پدیده بدون تعیین مانده بود، تا آنکه جان باردین(J. Bardeen) لئون کوپر(L.Cooper) و رابرت شریفر(R. Schrieffer) بطور نظری این پدیده را توضیح دادند و به همین دلیل در سال ۱۹۷۲جایزه نوبل را به اشتراک دریافت کردند. اساس این نظریه که به خاطر ارائه‌ دهندگان آن BCS (بارین ، کوپر ، شریفر) نامیده می‌شود، مبتنی بر این فرض است که حاملهای بار نه به صورت تک الکترون ، بلکه به صورت زوج الکترون هستند. این زوجها را زوجهای کوپر می‌گویند که مانند تک ذرات بوده ولی خواص تک الکترونها را دارند.

چگونگی ایجاد زوجهای کوپر

الکترونها در حالت عادی یکدیگر را می‌رانند. درنتیجه برای تشکیل یک زوج الکترون سازو کار ویژه‌ای موردنیاز است. تصویر نیمه‌کلاسیکی که به درک پدیده BCS کمک می‌کند، چنین است که: یک الکترون شبکه را می‌شکافد، آن را اندکی وامی‌پیچدو سپس کمی از بار مثبت افزایشی با عمر بسیار کوتاه به جا می‌گذارد.
اگر در همین لحظه الکترون دیگری در نزدیکی آن وجود داشته باشد توسط بار مثبت این ناحیه جذب می‌شود وبا الکترون اول یک زوج تشکیل می‌دهد. معلوم شده است که ابررساناهای کشف‌شده جدید به وسیله زوجهای کوپر عمل می‌کنند، ولی تا سال ۱۹۸۸ هیچ توافقی در مورد سازوکار تشکیل این زوجها در سطح جهان به عمل نیامده ‌بود.

اثر مایسنر

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) می گویندکه با گذشت زمان این مقدار به صفر می‌رسد. به این پدیده اثر مایسنر می‌گویند و این اثر مشخصهٔ ویژهٔ ابررسانا را مشخص می‌کند. برای بیشتر ابررساناها عمق نفوذ لندن تقریباً در حدود ۱۰nm می‌باشد.

اثر مایسنر در بعضی در مقابل انتظاری که از یک رسانای الکتریکی ایده‌آل می‌رود مواقع گیج کننده می‌باشد. 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.

Untitled

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.

درخواست انجام پروژه آنالیز تصویر

همچنین ببینید

تشکیل فریت فوق ظریف (UFF) درفولاد فریتی – پرلیتی با کارسرد و آنیل

با توجه به استفاده گسترده فولادهای فریتی – پرلیتی درکاربردهای صنعتی بهینه سازی خواص آنها …

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.