دانشنامه رشد, ویکی پدیا ,

ابررسانایی پدیده*ای است که در دماهای بسیار پایین برای برخی از مواد رخ می*دهد. در حالت ابررسانایی مقاومت الکتریکی ماده صفر می*شود و ماده خاصیت دیامغناطیس کامل پیدا می*کند، یعنی میدان مغناطیسی را از درون خود طرد می*کند. طرد میدان مغناطیسی تنها تفاوت اصلی ابررسانا با رسانای کامل است، زیرا در رسانای کامل انتظار می*رود میدان مغناطیسی ثابت بماند، در حالی که در ابررسانا میدان مغناطیسی همواره صفر است.
مقاومت الکتریکی یک رسانای فلزی به تدریج با کاهش دما کم می*شود.akairan
در رساناهای معمولی مثل مس و نقره، وجود ناخالصی و مشکلات دیگر این روند را کند می*کند. به طوری که حتی در صفر مطلق هم نمونه*های 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 می*دهند. جریانی از الکتریسیته در یک حلقه ابررسانا می*تواند برای مدت نامحدودی بدون وجود مولد جریان وجود داشته باشد. ماننده پدیده فرومغناطیس و خطوط طیفی اتم*ها، ابررسانایی نیز پدیده*ای کوانتومی است و نمی*توان 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 می*تواند بدون هیچ اتلاف اختلاف پتانسیل در فلز جیوه جریان پیدا کند. او این واقعه منحصر به فرد را "ابررسانایی" (Superconductivity) نامید. هیچ نظریه*ای 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 می*شود. 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 می*شود، حالتی که با توجه به خواص الکتریکی آن ، می*تواند ابررسانایی نام بگیرد. او گزارش داد که این حالت می*تواند 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 می*ماند و از بین نمی*رود. 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 کننده*ای که آن را سرد نگه می*داشت به دانشگاه کمبریج به عموم نشان داد.

این موضوع که ابررسانایی مسأله*ای به این مشکلی ارائه کرد که 46 سال طول کشید تا حل شود، خیلی شگفت آور می*باشد. دلیل اول این می*تواند 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 می*باشد، حدود یک میلیونیم انرژی الکترونیکی مشخصه حالت عادی. بنابراین ، نظریه پردازان توجه*شان را به توسعه یک تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب کردند. این مسیر را Fritz London رهبری می*کرد. کسی که در سال 1953 به نکته زیر اشاره کرد:

"ابررسانایی یک پدیده کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی می*باشد ... با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریک شده بوسیله وقفه*های زمانی." و اینکه "diamagntesim یک مشخصه بنیادی می*باشد."

مبانی علمی کوانتومی ابررسانایی

الکترونها در فلز در پتانسیل متناوب تولید شده از نوسان یونها حول وضعیتشان حرکت می*کنند. حرکت یونها را می*توان 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 می*گیرند، و در نتیجه هیچ الکترونی نمی*تواند طوری قرار بگیرد که عدد کوانتوم آنها باهم یکی باشد. ذراتی که به صورت اسپین نیمه کامل ذاتی قرار می*گیرند با نام فرمیونها (fermions) شناخته می*شوند، 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 می*شود. در توضیح فضای اندازه حرکت یک فلز ساده ، حالت پایه یک کره در فضای اندازه*ی حرکت می*باشد، که اندازه*ی شعاع آن ، pf بوسیله*ی چگالی فلز تعیین می*گردد.

انرژی خارجی ترین الکترونها ، در مقایسه با انرژی گرمایی میانگین آنها ، Kt بسیار بزرگ می*باشد. به عنوان نتیجه ، تنها بخش کوچکی از الکترونها ، در بالاتر از حالت پایه تحریک می*شوند. الکترونها باهم دیگرقانون کلمب) و با فونونها تعامل می*کنند و رابطه دارند. تحریکات ابتدائی آنها ذرات (quasi ، (quasiparticles می*باشند، الکترونها به اضافه ابر الکترونی وابسته به آنها و فونونهایی که هنگام حرکت از میان شبکه الکترون را همراهی می*کند. یک بحث و مذاکره ابتدائی نشان می*دهد که طول عمریک quasiparticle تحریک شده بالای سطح فرمی (سطح کره فرمی) تقریبا برابر می*باشد. 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 می*باشد. این امر چگونه انجام می*شود؟ توضیح ریاضی مناسب برای این امر چه می*باشد؟

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 شبکه*ای 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 می*کرد، و John Bardeen کسی که آن زمان در آزمایشگاههای بل کار می*کرد، تلاش کردند نظریه*ای با استفاده از تعامل الکترونها و فونونها ارائه بدهند، ولی شکست خوردند و موفق نشدند. کار انجام شده توسط آنها را می*توان 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 می*کند و الکترون دومی آن فونون را جذب می*کند. این تعامل فونون القایی می*تواند برای الکترونهای نزدیک سطح فرمی جذاب باشد. این یک معادله فلزی waterbed می*باشد: دو شخص که یک waterbed را به اشتراک می*گذارند، تمایل دارند تا به مرکز آن جذب شوند، همان طوری که روند القاء الکترونها را جذب می*کند. (یک شخص تو رفتگی را در waterbed القاء می*کند، تو رفتگیی که شخص دوم را جذب می*کند.) تعامل مطالعه شده توسط Frohlich در نگاه جذاب و زیبا به نظر می*رسد، 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 پایه*ای کلمب (Coulomb) بین الکترونها دفع کننده می*باشد، و خیلی قوی*تر می*باشد. همانطور که لاندائو (Laundau) قرار داد: "شما نمی*توانید 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، بوسیله*ی 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 شبکه*ای را بین یک جفت الکترون که تفاوت انرژی آنها از انرژی یک فونون بنیادین کمتر می*باشد، ممکن می*سازد.

که در آن ثابت دی الکتریک استاتیک وابسته به watervector می*باشد، انرژی فونون می*باشد، q انتقال اندازه*ی حرکت می*باشد، و تفاوت بین انرژی الکترونها می*باشد. ترتیب*ها آن به صورت جزئی*تر توسط Leon Cooper مطالعه شده است. او فهمید که به خاطر این جذابیت شبکه*ای ، سطح فرمی حالت عادی می*تواند 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 ، می*تواند با به کار بردن راهبردی که قبلا برای پلارنها توسعه یافته بود، توسعه یابد.

در هفته*های بعدی ، Bardeen ، Cooper ، و Schrieffer نظریه*ی 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 می*آیند ...".
خواص ابررساناها

بیشتر خواص ابررساناها از ماده*ای به ماده دیگر تغییر می کند. خواصی مانند ظرفیت گرمایی و دمای بحرانی. اما گذشته از این*ها، 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 می*دهند و همچنین دیگر هیچ میدان مغناطیسی داخلی در آن*ها وجود نخواهد داشت. با توجه به چنین خواص مشترکی می*توان ابررسانایی را یک فاز(ماده)فاز ترمودینامیکی برای ماده دانست. ابررسانا شدن را می*توان 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 می*کند که دمای ماده، T از مقدار بحرانی، Tc کمتر شود. مقدار دمای بحرانی از ماده*ای 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 نمی*بایست آن را در دسته ابررساناهای معمول جای داد. ابررساناهای ترکیبی می*توانند 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 شده*اند که دمای بحرانی آنها نزدیک ۱۴۰ کلوین است. هنوز هیچ نظریه*ای قادر به توضیح چگونگی پدید آمدن ابررساناهای دمای بالا نبوده*است. تعویض فونون می*تواند نوع عملکرد ابررساناهای معمول را توضیح دهد اما برای ابررساناهای با دمای بحرانی بسیار بالا نمی*توان 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 می*نامند. برای مثال ظرفیت گرمایی ماده از قوانینی تبعیت می*کند که در زمان ابررسانا نبودن ماده وجود دارند. در گذر به فاز ابررسانایی، ظرفیت گرمایی ماده ناگهان پرشی با بالا می*کند و سپس به صورت خطی کم و کمتر می*شود تا به کلی از بین برود. در دمای پایین این تغییرات به صورت است کهα در آن ثابت است و این خود نشان می*دهد که گاف انرژی وجود دارد. تغییر فاز به ابررسانایی مدت زیادی مورد بحث بین دانشمندان بوده*است. در حالی که آزمایش*ها نشان می*دادند 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 می*رود. همین پدیده ابررساناها را به دو نوع تقسیم می*کند: در ابررساناهای نوع ۱ (Type I) اگر میدان مغناطیسی از یک حد آستانه (Hc) بیشتر شود، ابرسانایی ناگهان از بین می*رود. بسته به شکل هندسی نمونه، ممکن است حالت*های میانی*ای هم ایجاد شوند که در آن ناحیه*های عادی (که در آن*ها میدان وجود دارد) و ناحیه*های ابرسانا (که میدان درون*شان صفر است) هم*زمان وجود داشته باشند. در ابررساناهای نوع ۲ (Type II) اگر میدان مغناطیسی از حد Hc1 بیشتر شود، حالت مخلوطی ایجاد می*شود که در آن شار مغناطیسی روبه*افزایشی از ماده می*گذرد، ولی مقاومت ماده، اگر جریان خیلی زیاد نباشد، همچنان صفر باقی می*ماند. در حد دوم از میدان مغناطیسی Hc2 ابررسانایی از بین می*رود.

بیشتر ابررساناهایی که عنصر ساده هستند (به جز نیوبیوم، تکنسیوم، وانادیوم و نانولوله*های 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 می*گیرد. میدان فقط به مقدار ناچیزλ در داخل ابررسانا نفوذ کند که به آن عمق نفوذ لندن (London penetration depth) می*نامند که با گذشت زمان این مقدار به صفر می*رسد. به این پدیده اثر مایسنر می*گوید. و این اثر مشخصهٔ ویژهٔ ابررسانا را مشخص می*کند. برای بیشتر ابررساناها عمق نفوذ لندن تقریباً در حدود ۱۰nm می*باشد.

اثر مایسنر در بعضی مواقع گیج کننده می*باشد در مقابل انتظاری که از یک رسانای الکتریکی ایده آل می*رود. مطابق قانون لنز وقتی که تغییرات میدان بر یک رسانا اعمال می*شود در هادی جریانی القاء می*شود که جهت این میدان در خلاف جهت میدان به وجود آورنداش است. در رسانای ایده*آل جریان بزرگی در هادی القاء می*شود که نتیجه*اش خنثی کردن میدان اصلی می*باشد. 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 می*کنیم تا به دمای بحرانی برسد در این زمان ما شاهد از بین رفتن فوری میدان خواهیم بود. که مطابق قانون لنز چنین انتظاری نمی*رود.

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



akairan

در این فرمول H میدان مغناطیسی و λ عمق نفوذ لندن است. معادلهٔ بالا که معادلهٔ لندن نام دارد پیش گویی می*کند که جدا از میدان موجود در سطح میدان مغناطیسی در داخل ابررسانا به صورت تابع نمایی از بین می*رود. اثر مایسنر در میدان*های بسیار بزرگ دیده نمی*شود.
دسته*بندی ابررساناها

بنا به گفتهٔ بالا ابررساناها را می*توان 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 می*رود. 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 می*رساند 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 می*رود.
کاربردها

ابررساناهای دمای پایین امروزه در ساخت آهنرباهای ویژه طیف سنج*های رزونانس مغناطیسی هسته، رزونانس مغناطیسی برای مقاصد تشخیص طبی، شتاب دهنده ذره*ها، ترنهای سریع مغناطیسی و انواع ابزارهای رسانایی الکترونیکی بکار می*رود. 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 می*رود 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 دستگاه*های MRI و NMR و هدایت کردن ذرات در شتاب دهنده*ها استفاده می*شود. همچنین می*توان به عنوان جدا کننده*های مغناطیسی در جاهایی که ذرات مغناطیسی ضعیف خارج می*شود مثلا در صنایع رنگ سازی استفاده شود.

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

از ابررساناها در Josephson junction برای ساختن بلوک*های ساختمان SQUID استفاده می*شود. SQUID حساسترین اندازه*گیر امواج مغناطیسی می*باشد.

سری دیگردستگاه*های Josephson برای ردیابی فوتون و یا به عنوان میکسر استفاده می*شود. از مقاومتهایی که به ابررسانا تبدیل می*شوند نیز در ساختن دماسنج و گرما سنجهای حساس micro-calorimeter ردیاب فوتونی استفاده می*شود.

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 می*باشد.
سونات