ابررسانا

ز کشف ابررسانایی در سال 1911 میلادی تا سال 1986 ، باور عموم بر آن بود که ابررسانایی فقط می‌تواند در فلزاتی در دماهای بسیار پایین وجود داشته باشد، که فقط در دماهای حداکثر 25 درجه بالای صفر مطلق اتفاق می‌افتاد. با کشف ابررسانایی در دماهای بالاتر در سال 1986 ، 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 160 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. 

رسانش در حالت عادی پدیده ابررسانایی

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 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. 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 3 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 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 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 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." 

پدیده مایسنر در حالت عادی پدیده مایسنر در حالت ابررسانا

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 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 ...".

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 400 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.

منبع:ابررسانا