پدیده ابررسانایی چیست؟ ابررسانایی پدیده‌ای است با مقاومت الکتریکی صفر و آزاد شدن میدان‌های شار مغناطیسی که در مواد خاصی به نام ابررساناها هنگام سرد شدن زیر دمای بحرانی مشخص رخ می‌دهد.
این پدیده توسط فیزیکدان هلندی هایک کامرلینگ-اونس در ۸ آوریل ۱۹۱۱ در لیدن کشف شد. مانند فرومغناطیس و خطوط طیفی اتمی، ابررسانایی یک پدیده مکانیکی کوانتومی است. با اثر مایسنر مشخص می شود - پرتاب کامل خطوط میدان مغناطیسی از داخل ابررسانا در طول انتقال آن به حالت ابررسانا.
این ماهیت پدیده ابررسانایی است. ظهور اثر مایسنر نشان می‌دهد که نمی‌توان ابررسانایی را صرفاً به‌عنوان ایده‌آلی‌سازی رسانایی ایده‌آل در فیزیک کلاسیک درک کرد.
پدیده ابررسانایی چیست
مقاومت الکتریکی یک رسانای فلزی به تدریج کاهش می یابدکاهش دما در هادی های رایج مانند مس یا نقره، این کاهش توسط ناخالصی ها و سایر عیوب محدود می شود. حتی نزدیک به صفر مطلق، یک نمونه واقعی از یک هادی معمولی مقداری مقاومت نشان می دهد. در یک ابررسانا، هنگامی که ماده زیر دمای بحرانی خود خنک می شود، مقاومت به شدت به صفر می رسد. جریان الکتریکی از طریق یک حلقه سیم ابررسانا را می توان بدون منبع تغذیه به طور نامحدود حفظ کرد. این پاسخ به این سوال است که پدیده ابررسانایی چیست.
تاریخ
در سال 1911، هنگام مطالعه خواص ماده در دماهای بسیار پایین، فیزیکدان هلندی هایک کامرلینگ اونس و تیمش دریافتند که مقاومت الکتریکی جیوه به زیر 4.2 کلوین (269- درجه سانتیگراد) می رسد. این اولین مشاهده از پدیده ابررسانایی بود. اکثر عناصر شیمیایی در دماهای پایین به اندازه کافی ابررسانا می شوند.
زیر یک دمای بحرانی معین، مواد به حالت ابررسانایی می روند که با دو ویژگی اصلی مشخص می شود: اول اینکه در برابر عبور جریان الکتریکی مقاومت نمی کنند. وقتی مقاومت به صفر می‌رسد، جریان می‌تواند بدون اتلاف انرژی در داخل ماده گردش کند.
دوم، به شرطی که به اندازه کافی ضعیف باشند، میدان های مغناطیسی خارجی به ابررسانا نفوذ نمی کنند، بلکه روی سطح آن باقی می مانند. این پدیده رانده میدانی پس از مشاهده اولین بار توسط یک فیزیکدان در سال 1933 به عنوان اثر مایسنر شناخته شد.
سه نام، سه حرف و یک نظریه ناقص
فیزیک معمولی کافی نیستتوضیحاتی در مورد حالت ابررسانا، و همچنین نظریه کوانتومی ابتدایی حالت جامد، که رفتار الکترون ها را جدا از رفتار یون ها در یک شبکه بلوری در نظر می گیرد.
تنها در سال 1957، سه محقق آمریکایی - جان باردین، لئون کوپر و جان شریفر نظریه میکروسکوپی ابررسانایی را ایجاد کردند. بر اساس نظریه BCS آنها، الکترون ها از طریق برهمکنش با ارتعاشات شبکه (به اصطلاح "فونون") به جفت دسته می شوند، بنابراین جفت های کوپر را تشکیل می دهند که بدون اصطکاک در داخل یک جامد حرکت می کنند. جامد را می توان به عنوان شبکه ای از یون های مثبت غوطه ور در ابری از الکترون ها مشاهده کرد. هنگامی که یک الکترون از این شبکه عبور می کند، یون ها کمی حرکت می کنند و توسط بار منفی الکترون جذب می شوند. این حرکت یک ناحیه الکتریکی مثبت تولید می کند که به نوبه خود الکترون دیگری را جذب می کند.
انرژی برهمکنش الکترونیکی کاملاً ضعیف است و بخارها می توانند به راحتی توسط انرژی حرارتی تجزیه شوند - بنابراین ابررسانایی معمولاً در دماهای بسیار پایین رخ می دهد. با این حال، نظریه BCS توضیحی برای وجود ابررساناهای با دمای بالا در حدود 80 کلوین (193- درجه سانتیگراد) و بالاتر، که مکانیسم‌های اتصال الکترون دیگری باید درگیر شوند، ارائه نمی‌کند. کاربرد پدیده ابررسانایی بر اساس فرآیند فوق است.
دما
در سال 1986، برخی از مواد سرامیکی کوپرات-پروسکایت دارای دمای بحرانی بالای 90 کلوین (-183 درجه سانتیگراد) بودند. این دمای اتصال بالا از نظر تئوری استبرای یک ابررسانای معمولی غیرممکن است، که منجر به این می شود که مواد به عنوان ابررساناهای با دمای بالا شناخته شوند. نیتروژن مایع خنک‌کننده موجود در دمای 77 کلوین می‌جوشد و بنابراین ابررسانایی در دماهای بالاتر از اینها، آزمایش‌ها و کاربردهای زیادی را تسهیل می‌کند که در دماهای پایین‌تر کمتر عملی هستند. این پاسخ به این سوال است که پدیده ابررسانایی در چه دمایی رخ می دهد.
طبقه بندی
ابررساناها را می توان بر اساس چندین معیار طبقه بندی کرد که به علاقه ما به خواص فیزیکی آنها، شناختی که از آنها داریم، هزینه خنک کردن آنها یا موادی که از آنها ساخته شده اند بستگی دارد.
با خواص مغناطیسی آن
ابررساناهای نوع I: آنهایی که فقط یک میدان بحرانی دارند، Hc، و با رسیدن به آن به طور ناگهانی از یک حالت به حالت دیگر تغییر می کنند.
ابررساناهای نوع دوم: داشتن دو میدان بحرانی Hc1 و Hc2، ابررسانای کامل در زیر میدان بحرانی پایین (Hc1) و خروج کامل از حالت ابررسانا بالای میدان بحرانی بالایی (Hc2)، قرار گرفتن در حالت مخلوط بین زمینه های بحرانی.
همانطور که ما آنها را در مورد آنها می فهمیم
ابررساناهای معمولی: آنهایی که می توانند به طور کامل با نظریه BCS یا نظریه های مرتبط توضیح داده شوند.
ابررساناهای غیر متعارف: آنهایی که با استفاده از چنین نظریه هایی قابل توضیح نیستند، برای مثال: فرمیونیک سنگینابررساناها.
این معیار مهم است زیرا نظریه BCS از سال 1957 خواص ابررساناهای معمولی را توضیح می دهد، اما از سوی دیگر، هیچ نظریه رضایت بخشی برای توضیح ابررساناهای کاملاً نامتعارف وجود نداشته است. در بیشتر موارد، ابررسانای نوع I رایج هستند، اما چند استثنا وجود دارد، مانند نیوبیم، که هم رایج است و هم نوع دوم.
با دمای بحرانی آنها
ابررساناهای دمای پایین یا LTS: آنهایی که دمای بحرانی آنها زیر 30 کلوین است.
ابررساناهای دمای بالا یا HTS: آنهایی که دمای بحرانی آنها بالاتر از 30 کلوین است. برخی اکنون از 77 K به عنوان جداسازی استفاده می کنند تا تأکید کنند که آیا می توانیم نمونه را با نیتروژن مایع (که نقطه جوش آن 77 K است) خنک کنیم. بسیار امکان پذیرتر از هلیوم مایع است (یک جایگزین برای رسیدن به دمای مورد نیاز برای تولید ابررساناهای با دمای پایین).
جزئیات دیگر
یک ابررسانا می تواند نوع I باشد، به این معنی که دارای یک میدان بحرانی واحد است که در بالای آن تمام ابررسانایی از بین می رود و در زیر آن میدان مغناطیسی به طور کامل از ابررسانا حذف می شود. نوع II، به این معنی که دارای دو میدان بحرانی است که بین آنها امکان نفوذ جزئی میدان مغناطیسی از طریق نقاط جدا شده را فراهم می کند. به این نقاط گرداب می گویند. علاوه بر این، در ابررساناهای چند جزئی، ترکیبی از دو رفتار امکان پذیر است. در این مورد، ابررسانا از نوع 1، 5 است.
خواص
بیشتر خواص فیزیکی ابررساناها از ماده ای به ماده دیگر متفاوت است، مانند ظرفیت گرمایی و دمای بحرانی، میدان بحرانی و چگالی جریان بحرانی که در آن ابررسانایی تجزیه می شود.
از سوی دیگر، دسته ای از خواص وجود دارد که مستقل از ماده پایه هستند. به عنوان مثال، تمام ابررساناها در جریان های اعمال شده کم، زمانی که میدان مغناطیسی وجود ندارد، یا زمانی که میدان اعمال شده از یک مقدار بحرانی تجاوز نمی کند، مقاومت کاملاً صفر دارند.
وجود این خواص جهانی نشان می دهد که ابررسانایی یک فاز ترمودینامیکی است و بنابراین دارای خواص متمایز خاصی است که تا حد زیادی مستقل از جزئیات میکروسکوپی است.
وضعیت در ابررسانا متفاوت است. در یک ابررسانای معمولی، مایع الکترونی را نمی توان به الکترون های جداگانه جدا کرد. درعوض، از جفت‌های متصل از الکترون‌ها به نام جفت‌های کوپر تشکیل شده است. این جفت شدن به دلیل نیروی جاذبه بین الکترون ها ناشی از تبادل فونون ها ایجاد می شود. به دلیل مکانیک کوانتومی، طیف انرژی این مایع جفت کوپر دارای شکاف انرژی است، یعنی حداقل مقدار انرژی ΔE وجود دارد که برای تحریک مایع باید تامین شود.
بنابراین، اگر ΔE بیشتر از انرژی حرارتی توری داده شده توسط kT باشد، جایی که k ثابت بولتزمن و T دما است، مایع توسط گریتینگ پراکنده نخواهد شد. بنابراینبنابراین، مایع بخار کوپر فوق سیال است، به این معنی که می تواند بدون اتلاف انرژی جریان داشته باشد.
ویژگی های ابررسانایی
در مواد ابررسانا، ویژگی‌های ابررسانایی زمانی ظاهر می‌شوند که دمای T کمتر از دمای بحرانی Tc باشد. مقدار این دمای بحرانی از ماده ای به ماده دیگر متفاوت است. ابررساناهای معمولی معمولاً دمای بحرانی دارند که از حدود 20 کلوین تا کمتر از 1 کلوین متغیر است.
برای مثال، جیوه جامد دارای دمای بحرانی 4.2 K است. در سال 2015، بالاترین دمای بحرانی یافت شده برای یک ابررسانای معمولی 203 K برای H2S است، اگرچه فشار بالایی حدود 90 گیگا پاسکال مورد نیاز بود. ابررساناهای کوپرات می توانند دماهای بحرانی بسیار بالاتری داشته باشند: YBa2Cu3O7، یکی از اولین ابررساناهای کوپراتی کشف شده، دمای بحرانی 92 کلوین دارد و کوپرات های مبتنی بر جیوه با دمای بحرانی بیش از 130 کلوین یافت شده اند. توضیح این دماهای بحرانی بالا همچنان باقی است. ناشناخته.
جفت شدن الکترون به دلیل تبادل فونون ابررسانایی را در ابررساناهای معمولی توضیح می دهد، اما ابررسانایی را در ابررساناهای جدیدتر که دمای بحرانی بسیار بالایی دارند توضیح نمی دهد.
میدان مغناطیسی
به طور مشابه، در دمای ثابت زیر دمای بحرانی، زمانی که میدان مغناطیسی خارجی بزرگتر از آن اعمال شود، مواد ابررسانا ابررسانایی را متوقف می کنند.میدان مغناطیسی بحرانی این به این دلیل است که انرژی آزاد گیبس در فاز ابررسانا با میدان مغناطیسی به صورت درجه دوم افزایش می یابد، در حالی که انرژی آزاد فاز عادی تقریباً مستقل از میدان مغناطیسی است.
اگر ماده در غیاب میدان ابررسانا باشد، انرژی آزاد فاز ابررسانا کمتر از فاز معمولی است و بنابراین، برای مقداری محدود میدان مغناطیسی (متناسب با مربع) ریشه اختلاف انرژی های آزاد در صفر)، دو انرژی آزاد برابر خواهند بود و یک انتقال فاز به فاز عادی وجود خواهد داشت. به طور کلی، دمای بالاتر و میدان مغناطیسی قوی‌تر منجر به نسبت کمتری از الکترون‌های ابررسانا و در نتیجه عمق نفوذ میدان‌ها و جریان‌های مغناطیسی خارجی به لندن می‌شود. عمق نفوذ در انتقال فاز بی نهایت می شود.
فیزیکی
شروع ابررسانایی با تغییرات ناگهانی در خواص فیزیکی مختلف همراه است که مشخصه انتقال فاز است. برای مثال، ظرفیت گرمایی الکترون با دما در رژیم معمولی (نه ابررسانا) متناسب است. در انتقال ابررسانا، پرش را تجربه می کند و پس از آن خطی نیست. در دماهای پایین، به جای e-α/T مقداری α ثابت تغییر می کند. این رفتار نمایی یکی از شواهد وجود شکاف انرژی است.
انتقال فاز
توضیح پدیده ابررسانایی کاملاً استبه طور مشخص. ترتیب انتقال فاز ابررسانا برای مدت طولانی مورد بحث قرار گرفته است. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که انتقال مرتبه دوم، یعنی گرمای نهان وجود ندارد. با این حال، در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی، گرمای نهان وجود دارد زیرا فاز ابررسانا آنتروپی کمتری دارد، کمتر از دمای بحرانی، نسبت به فاز عادی.
به طور تجربی موارد زیر را نشان داد: وقتی میدان مغناطیسی افزایش می یابد و از میدان بحرانی فراتر می رود، انتقال فاز حاصل منجر به کاهش دمای ماده ابررسانا می شود. پدیده ابررسانایی در بالا به اختصار توضیح داده شد، اکنون وقت آن است که در مورد تفاوت های ظریف این اثر مهم به شما چیزی بگوییم.
محاسبات انجام شده در دهه 1970 نشان داد که به دلیل تأثیر نوسانات دوربرد در میدان الکترومغناطیسی، در واقع می تواند ضعیف تر از مرتبه اول باشد. در دهه 1980، از نظر تئوری با استفاده از نظریه میدان بی نظمی، که در آن خطوط گرداب ابررسانا نقش اصلی را ایفا می کنند، نشان داده شد که انتقال در حالت نوع II مرتبه دوم و در حالت نوع I مرتبه اول (یعنی گرمای نهان) است، و که دو منطقه با یک نقطه سه بحرانی از هم جدا شده اند.
نتایج توسط شبیه سازی های کامپیوتری در مونت کارلو به شدت تایید شد. این نقش مهمی در مطالعه پدیده ابررسانایی داشت. کار در حال حاضر ادامه دارد. ماهیت پدیده ابررسانایی به طور کامل از دیدگاه علم مدرن توضیح داده نشده است.
