با درود . . .
دیدم جالبه گفتم بزارمش اینجا
پژوهش برای بررسی تغییر مقاومت الکتریکی اجسام در دماهای پائین برای نخستین بار توسط دانشمند اسکاتلندی جیمز دئِور در اواسط قرن نوزدهم آغاز شد. در سال 1864، دو دانشمند لهستانی به نامهای زیگموند روبلوفسکی و کارل اولزفسکی که روشی برای برای مایع ساختن اکسیژن و نیتروژن، یافته بودند، به بررسی خواص فیزیکی عناصر و ازجمله مقاومت الکتریکی در دماهای خیلی کم ادامه دادند و پیشآبینی نمودند مقاومت الکتریکی در دماهای کم به شدت کاهش میآیابد. روبلوفسکی و اولزفسکی نتایج فعالیت خود را در سال 1880 منتشر ساختند. بعد از آن دِئور و فلمینگ نیز پیشآبینی آخود را مبنی بر الکترومغناطیس شدن کامل فلزات خالص در دمای صفر مطلق بیان داشتند. البته دئور بعدها تئوری خود را اصلاح و اعلام داشت مقاومت اینگونه فلزات در دمای مورد اشاره به صفر نمیآرسد اما مقدار بسیار کمی خواهد بود. والتر نرست نیز با بیان قانون سوم ترمودینامیک بیان داشت که صفر مطلق دستآنیافتنی است. کارل لیند و ویلیام همپسون آلمانی در همین زمانها روش خنکآسازی و مایع ساختن گازها با افزایش فشار را به ثبت رساندند.
در سال 1900، نیکلا تسلا که با سیستم خنکآسازی لیند کار میآکرد، پدیده تقویت سیگنالهای الکتریکی را با سرد شدن اجسام که درنتیجه کاهش مقاومت آنها بود، مشاهده و به ثبت رساند. سرانجام خاصیت ابررسانایی توسط پروفسور هلندی، کمرلینک اونز، در سال 1911 و زمانیآکه وی سرگرم آزمایش تئوری دئور بود، در دانشگاه لیدن مشاهده شد. اونز دریافت که اگر جیوه در هلیم مایع یعنی حدود 2/4 درجه کلوین قرار گیرد، مقاومت الکتریکی آن از بین میآرود. سپس یک حلقه سربی را در دمای 7 درجه کلوین ابررسانا نمود و قوانین فارادی را بر روی آن آزمایش کرد و مشاهده نمود وقتی با تغییر شار در حلقه جریان القایی تولید شود، حلقه سربی بر عکس رساناهای دیگر رفتار میآنماید. یعنی بعد از قطع میدان تا زمانیآکه در حالت ابر رسانایی قرار دارد، جریان الکتریکی را تا مدت زیادی حفظ میآکند. به عبارت دیگر بعد از به وجود آمدن جریان الکتریکی ناشی از میدان مغناطیسی در یک سیم ابررسانا، سیم حتی بدون میدان خارجی یا مولد الکتریکی نیز میآتواند حامل جریان باشد. اونز این رخداد را در آزمایشگاه دانشگاه لیدن با ایجاد جریان ابررسانایی در یک سیمآپیچ و سپس حمل سیمآپیچ همراه با سرد کنندهآای که آن را سرد نگه میآداشت به دانشگاه کمبریج به عموم نشان داد. یافته اونز منجر به اعطای جایزه نوبل فیزیک در سال 1913 به وی شد.
اونز همچنین متوجه شد برای هر یک از مواد ابررسانا، دمایی به نام دمای بحرانی وجود دارد که وقتی ماده از این دما سردتر شود، جسم ابررسانا میآگردد و در دماهای بالاتر از این دما، جسم دارای مقاومت الکتریکی است. دمای بحرانی عناصر مختلف متفاوت است. مثلا" دمای بحرانی جیوه حدود 5 درجه کلوین، سرب 9 درجه کلوین و نیوبیوم 2/9 درجه کلوین میآباشد و برای بعضی آلیاژها و ترکیبات مانند Nb3Sn و Nb3Ge دمای بحرانی به 18 و 23 درجه کلوین نیز میآرسد. البته فلزات رسانایی مانند طلا، نقره و حتی مس نیز هستند که تلاش برای رساندن مقاومت ویژهآشان به صفر بی نتیجه مانده است و مشخص نیست اگر به صفر مطلق برسند مقاومت آنها چقدر خواهد بود. رسانیدن دمای ابررساناهای متعارف به این دما نیازمند وجود هلیم مایع میآباشد که بسیار پرهزینه، خطرناک و مشکل است. لذا از همان ابتدا تلاش برای تولید ابررساناهایی با دمای بحرانی بالاتر شروع شد و محققان در تلاشند مواد ابررسانایی با دمای بحرانی بالاتر پیدا کنند.
از کشف ابررسانایی در سال 1911 تاکنون، هیچ نظریه فیزیکی جامعی نتوانسته است به بیان دقیق علت خاصیت ابررسانایی بپردازد. در سال 1957 سه فیزیکدان آمریکایی به نامآهای باردین، کوپر و شریفر در دانشگاه ایلیآنویز نظریهآای برای توجیه پدیده ابررسانایی در ابررساناهای متعارف ارائه دادند که با نام آنها به نظریه BCS معروف گردید. براساس این نظریه در ابررساناهای معمولی، الکترونهایی که در رسانایی جریان نقش دارند، جفتآهایی تشکیل میآدهند و متقابلاً با عواملی که باعث مقاومت الکتریکی میآشوند، مقابله میآکنند. ابداع تئوری BCS نیز برای سه دانشمند آمریکایی جایزه توبل 1972 را به ارمغان آورد. اینآکه 4۶ سال طول کشید تا توجیهی برای پدیده ابررسانایی یافت شود، دلایلی داشت. دلیل اول اینآکه جامعه فیزیک تا حدود بیست سال مبانی علمی لازم برای ارائه راه حل مسئله را که تئوری کوانتوم فلزات معمولی بود نداشت. دوم اینآکه تا سال ۱۹۳۴ هیچ آزمایش اساسی در این زمینه انجام نشد. سوم اینکه وقتی مبانی علمی لازم بدست آمد، به زودی مشخص شد انرژی مشخصه وابسته به تشکیل ابررسانایی بسیار کوچک یعنی حدود یک ملیونیم انرژی الکتریکی مشخصه حالت عادی است. بنابراین نظریه پردازان توجهآشان را به توسعه یک تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب کردند. این مسیر توسط فریتز لاندن رهبری میآشد. وی در سال ۱۹۵۳ به نکته زیر اشاره کرد:آ "ابررسانایی پدیدهآای کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی است و با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریک شده بوسیله وقفه های زمانی رخ میآدهد." به علاوه وی بیان داشت که دیامغناطیس شدن ابررساناها یک مشخصه بنیادی است. تئوری BCS در توضیح و تفسیر رویدادهای ابررسانایی موجود و هم چنین در پیشگویی رویدادهای جدید نسبتاً موفق بود. در ژوئیه 1959، در اولین کنفرانس بزرگی که بعد از ارائه ی نظریه ی BCS با موضوع با ابررسانایی در دانشگاه کمبریج برگزار شد، دیوید شوئنبرگ کنفرانس را با این جمله آغاز کرد: «حالا باید ببینیم تا چه حد مشاهدات با حقایق نظری جور در میآآیند ...؟»
کمی بعد از انتشار نتایج اولیه تئوری BCS، در تابستان سال 1957 سه دانشمند دانمارکی به نامهای گ بور، بن موتلسون و دیوید پاینز، در کپنهاگ نشان دادند که نوترونها و پروتونهای موجود در هسته اتم به خاطر جذب دوسویه شان جفت میآشوند و بدینوسیله توانستند معمای قدیمی پدیده هستهآای را توجیه نمایند. در همین زمان یوشیرو نامبونیز در شیکاگو دریافت که ترتیب جفت شدن BCS برای پدیدهآهای انرژی بالا در فیزیک ذرات ابتدائی نیز صحت دارد. باید گفت در اثر ارائه تئوری BCS بود که پژوهشگران فلزات ابررسانی جدیدی را معرفی کردند و مشتاقانه به دنبال موادی گشتند که در دماهای نسبتاً بالاتر از 20 کلوین ابررسانا میآشوند. بعد از ارائه تئوری BCS، دو آلیاژ جدید نیز معرفی شدند. یکی مواد الکترون سنگین مانند CeCu2Si2، UPt3 و UBe13 که به عنوان ابررساناهایی در دماهای حدود یک کلوین توسط فرانک استگلیش در آلمان و زاچاری فیسک، جیم اسمیت و هانس اوت در آمریکا شناخته شدند و دیگری فلزات آلی تقریبا دو بعدی با دمای بحرانی حدود ده درجه کلوین که در پاریس توسط دانیل ژرومه کشف شد. باوجود تلاشآهای زیاد بند ماتیوس که حدود صد ماده ابررسانا را کشف کرد، هنوز حد بالایی برای دمای مواد ابررسانا وجود داشت. دمایی که از مکانیسم به کار رفته برای ابررسانایی یعنی تعامل فونون القائی ناشی میآشد. چنانکه نور کوانتومی را فوتون میآنامند، اصوات کوانتومی را نیز فونون نامیدهآاند.
در سال 1962 جوزفسون انگلیسی در 22 سالگی آزمایشاتی روی جفت الکترونهای کوپر انجام داد که منجر به مشاهده و اعلام پدیدهآای شد که خاصیت تونلآزنی یا اثر جوزفسون نام گرفت. بر اساس اثر جوزفسون، درصورتیکه دو قطعه ابررسانا توسط یک عایق بسیار نازک (حدود یک نانومتر) به یکدیگر متصل شوند، جفت الکترونهای کوپر میآتوانند از عایق عبور نمایند. مقدار جریان الکتریکی ایجاد شده به ولتاژ اتصال و میدان مغناطیسی وابسته است. ارائه تئوری مزبور برای جوزفسون و دو دانشمند دیگر یعنی لئو ایزاکی و ایوار گیاور که فعالیتهای مشابهی در بررسی پدیده تونل زنی داشتند جایزه نوبل 1973 را به ارمغان آورد.
حدود 70 سال پیشرفتهای انجام شده برای افزایش دمای بحرانی به کندی انجام گرفت. از سال 1911 تا سال 1973 یعنی حدود 62 سال دانشمندان تنها توانستند دمای بحرانی را از 4 درجه به 3/23 درجه کلوین که کمی بیشتر 3/20 کلوین یعنی دمای ئیدروژن مایع است برسانند اما کار با ئیدروژن مایع نیز پرهزینه، مشکلآآفرین و خطرساز بود و کاربردهای ابررسانا را محدود میآساخت. در سالهای بعد علاوه بر فلزات و آلیاژهای فلزی، فعالیتهایی در زمینه ترکیبات نیمهآفلزی توسط برخی دانشمندان آغاز شد اما هنوز مادهآای دیگری به جز فلزات و آلیاژها یافته نشده بود که بتواند در دماهای مورد انتظار ابررسانا باشد. سرانجام در 27 ژانویه سال 1986 جرج بدنورز و آلکس مولر در موسسه تحقیقاتی IBM شهر زوریخ سوئیس موفق به کشف پدیده ابررسانایی در سرامیکی از نوع اکسید مس و شامل لانتانوم و باریوم شدند. دمای بحرانی نمونه ساخته شده، حدود 35 درجه کلوین بود و آنها نیز به خاطر کشف ابررساناهای دمابالا (HTS) موفق به دریافت جایزه نوبل در سال 1987 شدند. طی مدت زمان کوتاهی پس از کشف ابررسانایی دما بالا، دسترسی به دماهای بحرانی بالاتر به سرعت توسعه یافت. یک ماه بعد از کشف بدنورز و مولر، تاناکا و همکاران وی در توکیو نتایج آنها را تأیید نمودند و نتایج فعالیت آنها در یکی از نشریات ژاپنی به چاپ رسید. اندکی بعد از کشف اکسید مس حاوی باریوم و لانتانوم، در نتیجه همکاری پاول چو از دانشگاه هوستون و مانگ کنگ وو از دانشگاه آلاباما، عضو جدیدی از خانواده مواد ابررساناهای دما بالا با جایگزینی ایتریوم Y به جای لانتانوم کشف شد. این ماده سرامیکی که دمای بحرانی آن به 92 درجه کلوین میآرسید، به YBCO معروف شد. با توجه به نقطه جوش نیتروژن که 77 درجه کلوین در فشار یک اتمسفر است، برای سرد شدن این ابررسانا تا دمای بحرانی استفاده از نیتروژن مایع هم امکانپذیر بود که بسیار ارزانآتر و بیآخطرتر از ئیدروژن و هلیم مایع بود. بنابراین فقط در طی یک سال از کشف اصلی، دمای انتقال به حالت ابررسانایی افزایش سه برابر داشت و واضح بود که انقلاب ابررساناها شروع شده است. برای پاسداشت تحول مهمی که در علم فیزیک واقع شده بود، توسط انجمن فیزیکدانان آمریکایی در بعدازظهر یکی از روزهای مارس 1987 جشنی هم در نیویورک برگزار شد. این جشن 3000 شرکت کننده داشت و حدود 3000 نفر نیز این جشن را از طریق تلویزیون مدار بسته در خارج از محل اصلی تماشا کردند. در طول شش سال بعد، چند خانواده دیگر از ابررساناها کشف شدند که شامل ترکیبات شامل تولیوم (Tl) و جیوه (Hg) بوده و دارای حداکثر دمای بحرانی بیشتر از 120 درجه کلوین بودند. بالاترین مقدار تأیید شده دمای بحرانی در فشار معمولی یک اتمسفر، 135 درجه کلوین و متعلق به HgBa2Ca2Cu3O8 میآباشد. به صورت تجربی معلوم شده است اگر ماده ابررسانا به صورت مکانیکی تحت فشار قرار گیرد، دمای بحرانی ابررسانا کمی تغییر میآکند. در سال 1993، دمای بحرانی 165 درجه کلوین (108- درجه سانتیگراد) نیز در ترکیبی از اکسید مس و جیوه و البته تحت فشارهای خیلی بالا گزارش شد. همگی ابررساناهای مورد اشاره یک ویژگی مشترک داشتند. وجود سطوح تراز شامل اتمهای اکسیژن و مس که با مواد حامل بار برای سطوح تراز از یکدیگر جدا میآشوند. با توجه به کاربردهای مختلف ابررساناها، بسیاری از تلاشها بر افزایش دمای عملکرد ابررساناها تا دستیابی به دمای اتاق متمرکز شده است.
هر چند دمای بحرانی ترکیبات جدید سرامیکی در حد قابل توجهی از دمای بحرانی مواد ابررسانای متعارف (فلزات و آلیاژها) بزرگتر است، به دلیل خصوصیات فیزیکی این مواد مانند شکنندگی و پایین بودن چگالی و جریان بحرانی کاربردهای این مواد هنوز در مرحلهآی تحقیق است. اخیراً سعید سلطانیان به همراه یک گروه علمی به سرپرستی پروفسور شی زو دو در دانشگاه ولونگونگ استرالیا ابررسانایی ساختهآاند که بالاترین رکورد را از نظر خواص مکانیکی در میان ابررسانا دارد. این ابررسانا به شکل سیم یا نواری از جنس دی برید منیزیم (MgB2) با پوششی از آهن است و امکان انعطاف برای ساخت تجهیزات مختلف الکتریکی را داراست.
ابررساناهای جدید عموماً سرامیکی و اکسیدهای فلزی ورقه ورقه هستند که در دمای اتاق مواد نسبتاً بیآارزشی محسوب میآشوند و البته کاربردهای متفاوتی نیز دارند. اکسیدهای فلزی ابررسانا در مقایسه با فلزات شامل کمی حامل بار معمولی هستند و داری خواص انیسوتوروپیک الکتریکی و مغناطیسی میآباشند. این خواص به نحو قابل ملاحظهآای حساس به محتوای اکسیژن میآباشند. نمونهآهای ابررسانای موادی مانند YBa2Cu3O7 را یک دانشآآموز دبیرستانی نیز میآتواند در یک اجاق میکروویو تولید کند اما برای تشخیص خواص فیزیکی ذاتی، کریستالهای یکتایی با درجه خلوص بالا مورد نیاز است که فرآیند ساخت پیچیدهآای دارند.
بعد از کشف ابررساناها، تا چند سال تصور میآشد رفتار مغناطیسی ابررسانا مانند رساناهای کامل است. اما در سال 1933 مایسنر و اوشنفلد دریافتند اگر ماده مورد آزمایش قبل از ابررسانا شدن در میدان مغناطیسی باشد، شار از آن عبور میآکند ولی وقتی در حضور میدان به دمای بحرانی برسد و ابررسانا گردد دیگر هیچآگونه شار مغناطیسی از آن عبور نخواهد کرد و تبدیل به یک دیامغناطیس کامل میآشود که شدت میدان (B) درون آن صفر خواهد بود. آنها توزیع شار در خارج نمونهآهای قلع و سرب را که در میدان مغناطیسی تا زیر دمای گذار سرد شده بودند را اندازهگیری و مشاهده کردند که ابررسانا دیامغناطیس کامل گردید و تمام شار به بیرون رانده شد. این آزمایش نشان داد که ماده ابررسانا چیزی بیشتر از ماده رسانای کامل است. براساس ویژگی مهم ابررساناها، فلزات در حالت ابررسانایی هرگز اجازه نمیآدهند که چگالی شار مغناطیسی در درون آنها وجود داشته باشد. به عبارت دیگر در داخل ابررسانا همیشه B=0 است. این پدیده به اثر مایسنر معروف شد.
در اثر پدیده مایسنر اگر یک آهنربا روی ماده ابررسانا قرار گیرد، روی آن شناور میآماند. در شکل یک آهنربای استوانهآای روی یک قطعه ابررسانا که توسط نیتروژن خنک شده شناور است. علت شناور ماندن، اثر مایسنر است که براساس آن خطوط میدان مغناطیسی امکان عبور از ابررسانا را نیافته و چنانکه مشاهده میآشود، ابررسانا قرص مغناطیسی را شناور نگه میآدارد.
پس از کشف دیامغناطیس بودن ابررساناها، در سال 1950 آلیاژهای ابررسانایی مانند سرب+بیسموت و سرب+تیتانیوم کشف شدند که میدانهای بحرانی خیلی بالایی از خود نشان میآدادند. پژوهشهای بعدی نشان داد که این مواد نوع متفاوتی از ابررساناها هستند که بعداً نوع II نامیده شدند. لاندن با استفاده از موازنه انرژی در محدوده کوچکی بین مرز فازهای ابررسانا و نرمال، شرط تعادل فاز را به دست آورده و به حضور یک سطح انرژی دیگر با منشأ غیرمغناطیسی اشاره کرد که علاوه بر انرژی مرز بین دو فاز ابررسانا و نرمال وجود داشت. وی متذکر شد که اگر سطح انرژی کل مثبت باشد ابررسانایی ازنوع اول و اگر منفی باشد از نوع دوم است که در این صورت میدان مغناطیسی به درون ابررسانا نفوذ میآکند. در سال 2003 نیز آلکسی آبریکوزوف و ویتالی گینزبورگ به خاطر بسط تئوری ابررسانایی همراه با آنتونی لگت برنده جایزه نوبل فیزیک شدند.
به تازگی هم پژوهشگران فرانسوی خاصیت جدیدی را در ابررساناها پیدا کردهآاند که قبلاً در هیچ نظریهآای پیشآبینی نشده بود. چنانکه اشاره شد خواص ابررسانایی در مواد، به دمای محیط، میدان مغناطیسی و شدت جریان عبوری بستگی دارد. محققان فرانسوی بلوری ساختهآ بودند که در دمای 04/0 درجه کلوین ابررسانا میآشد و وقتی شدت میدان مغناطیسی به بیشتر از 2 تسلا میآرسید، این خاصیت از بین میآرفت. یکی از پژوهشگران این گروه، از روی کنجکاوی، شدت میدان مغناطیسی را باز هم بیشتر کرد. وقتی شدت میدان به 12 تسلا رسید، بلور دوباره ابررسانا شد. وقتی میدان باز هم بالاتر رفت، این خاصیت دوباره از بین رفت. این گزارش که اخیراً در نشریه علمی ساینس به چاپ رسیده، توجه بسیاری از فیزیکدانان حالت جامد را برانگیخته است چرا که هیچ توضیح خاصی برای این پدیده وجود ندارد. با توجه به موارد گفته شده، به نظر میآرسد که میدان مغناطیسی متغیر باعث ایجاد رفتارهای جالب پیشآبینی نشده در ابررساناها میآشود. البته باید توجه داشت که ابررسانایی یک خاصیت کاملاً کوانتمی است و به سادگی نمیآتوان وضعیت پیش آمده در این آزمایش را توصیف کرد.
منبع:
http://niroo*****.ir
دیدم جالبه گفتم بزارمش اینجا
پژوهش برای بررسی تغییر مقاومت الکتریکی اجسام در دماهای پائین برای نخستین بار توسط دانشمند اسکاتلندی جیمز دئِور در اواسط قرن نوزدهم آغاز شد. در سال 1864، دو دانشمند لهستانی به نامهای زیگموند روبلوفسکی و کارل اولزفسکی که روشی برای برای مایع ساختن اکسیژن و نیتروژن، یافته بودند، به بررسی خواص فیزیکی عناصر و ازجمله مقاومت الکتریکی در دماهای خیلی کم ادامه دادند و پیشآبینی نمودند مقاومت الکتریکی در دماهای کم به شدت کاهش میآیابد. روبلوفسکی و اولزفسکی نتایج فعالیت خود را در سال 1880 منتشر ساختند. بعد از آن دِئور و فلمینگ نیز پیشآبینی آخود را مبنی بر الکترومغناطیس شدن کامل فلزات خالص در دمای صفر مطلق بیان داشتند. البته دئور بعدها تئوری خود را اصلاح و اعلام داشت مقاومت اینگونه فلزات در دمای مورد اشاره به صفر نمیآرسد اما مقدار بسیار کمی خواهد بود. والتر نرست نیز با بیان قانون سوم ترمودینامیک بیان داشت که صفر مطلق دستآنیافتنی است. کارل لیند و ویلیام همپسون آلمانی در همین زمانها روش خنکآسازی و مایع ساختن گازها با افزایش فشار را به ثبت رساندند.
در سال 1900، نیکلا تسلا که با سیستم خنکآسازی لیند کار میآکرد، پدیده تقویت سیگنالهای الکتریکی را با سرد شدن اجسام که درنتیجه کاهش مقاومت آنها بود، مشاهده و به ثبت رساند. سرانجام خاصیت ابررسانایی توسط پروفسور هلندی، کمرلینک اونز، در سال 1911 و زمانیآکه وی سرگرم آزمایش تئوری دئور بود، در دانشگاه لیدن مشاهده شد. اونز دریافت که اگر جیوه در هلیم مایع یعنی حدود 2/4 درجه کلوین قرار گیرد، مقاومت الکتریکی آن از بین میآرود. سپس یک حلقه سربی را در دمای 7 درجه کلوین ابررسانا نمود و قوانین فارادی را بر روی آن آزمایش کرد و مشاهده نمود وقتی با تغییر شار در حلقه جریان القایی تولید شود، حلقه سربی بر عکس رساناهای دیگر رفتار میآنماید. یعنی بعد از قطع میدان تا زمانیآکه در حالت ابر رسانایی قرار دارد، جریان الکتریکی را تا مدت زیادی حفظ میآکند. به عبارت دیگر بعد از به وجود آمدن جریان الکتریکی ناشی از میدان مغناطیسی در یک سیم ابررسانا، سیم حتی بدون میدان خارجی یا مولد الکتریکی نیز میآتواند حامل جریان باشد. اونز این رخداد را در آزمایشگاه دانشگاه لیدن با ایجاد جریان ابررسانایی در یک سیمآپیچ و سپس حمل سیمآپیچ همراه با سرد کنندهآای که آن را سرد نگه میآداشت به دانشگاه کمبریج به عموم نشان داد. یافته اونز منجر به اعطای جایزه نوبل فیزیک در سال 1913 به وی شد.
اونز همچنین متوجه شد برای هر یک از مواد ابررسانا، دمایی به نام دمای بحرانی وجود دارد که وقتی ماده از این دما سردتر شود، جسم ابررسانا میآگردد و در دماهای بالاتر از این دما، جسم دارای مقاومت الکتریکی است. دمای بحرانی عناصر مختلف متفاوت است. مثلا" دمای بحرانی جیوه حدود 5 درجه کلوین، سرب 9 درجه کلوین و نیوبیوم 2/9 درجه کلوین میآباشد و برای بعضی آلیاژها و ترکیبات مانند Nb3Sn و Nb3Ge دمای بحرانی به 18 و 23 درجه کلوین نیز میآرسد. البته فلزات رسانایی مانند طلا، نقره و حتی مس نیز هستند که تلاش برای رساندن مقاومت ویژهآشان به صفر بی نتیجه مانده است و مشخص نیست اگر به صفر مطلق برسند مقاومت آنها چقدر خواهد بود. رسانیدن دمای ابررساناهای متعارف به این دما نیازمند وجود هلیم مایع میآباشد که بسیار پرهزینه، خطرناک و مشکل است. لذا از همان ابتدا تلاش برای تولید ابررساناهایی با دمای بحرانی بالاتر شروع شد و محققان در تلاشند مواد ابررسانایی با دمای بحرانی بالاتر پیدا کنند.
از کشف ابررسانایی در سال 1911 تاکنون، هیچ نظریه فیزیکی جامعی نتوانسته است به بیان دقیق علت خاصیت ابررسانایی بپردازد. در سال 1957 سه فیزیکدان آمریکایی به نامآهای باردین، کوپر و شریفر در دانشگاه ایلیآنویز نظریهآای برای توجیه پدیده ابررسانایی در ابررساناهای متعارف ارائه دادند که با نام آنها به نظریه BCS معروف گردید. براساس این نظریه در ابررساناهای معمولی، الکترونهایی که در رسانایی جریان نقش دارند، جفتآهایی تشکیل میآدهند و متقابلاً با عواملی که باعث مقاومت الکتریکی میآشوند، مقابله میآکنند. ابداع تئوری BCS نیز برای سه دانشمند آمریکایی جایزه توبل 1972 را به ارمغان آورد. اینآکه 4۶ سال طول کشید تا توجیهی برای پدیده ابررسانایی یافت شود، دلایلی داشت. دلیل اول اینآکه جامعه فیزیک تا حدود بیست سال مبانی علمی لازم برای ارائه راه حل مسئله را که تئوری کوانتوم فلزات معمولی بود نداشت. دوم اینآکه تا سال ۱۹۳۴ هیچ آزمایش اساسی در این زمینه انجام نشد. سوم اینکه وقتی مبانی علمی لازم بدست آمد، به زودی مشخص شد انرژی مشخصه وابسته به تشکیل ابررسانایی بسیار کوچک یعنی حدود یک ملیونیم انرژی الکتریکی مشخصه حالت عادی است. بنابراین نظریه پردازان توجهآشان را به توسعه یک تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب کردند. این مسیر توسط فریتز لاندن رهبری میآشد. وی در سال ۱۹۵۳ به نکته زیر اشاره کرد:آ "ابررسانایی پدیدهآای کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی است و با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریک شده بوسیله وقفه های زمانی رخ میآدهد." به علاوه وی بیان داشت که دیامغناطیس شدن ابررساناها یک مشخصه بنیادی است. تئوری BCS در توضیح و تفسیر رویدادهای ابررسانایی موجود و هم چنین در پیشگویی رویدادهای جدید نسبتاً موفق بود. در ژوئیه 1959، در اولین کنفرانس بزرگی که بعد از ارائه ی نظریه ی BCS با موضوع با ابررسانایی در دانشگاه کمبریج برگزار شد، دیوید شوئنبرگ کنفرانس را با این جمله آغاز کرد: «حالا باید ببینیم تا چه حد مشاهدات با حقایق نظری جور در میآآیند ...؟»
کمی بعد از انتشار نتایج اولیه تئوری BCS، در تابستان سال 1957 سه دانشمند دانمارکی به نامهای گ بور، بن موتلسون و دیوید پاینز، در کپنهاگ نشان دادند که نوترونها و پروتونهای موجود در هسته اتم به خاطر جذب دوسویه شان جفت میآشوند و بدینوسیله توانستند معمای قدیمی پدیده هستهآای را توجیه نمایند. در همین زمان یوشیرو نامبونیز در شیکاگو دریافت که ترتیب جفت شدن BCS برای پدیدهآهای انرژی بالا در فیزیک ذرات ابتدائی نیز صحت دارد. باید گفت در اثر ارائه تئوری BCS بود که پژوهشگران فلزات ابررسانی جدیدی را معرفی کردند و مشتاقانه به دنبال موادی گشتند که در دماهای نسبتاً بالاتر از 20 کلوین ابررسانا میآشوند. بعد از ارائه تئوری BCS، دو آلیاژ جدید نیز معرفی شدند. یکی مواد الکترون سنگین مانند CeCu2Si2، UPt3 و UBe13 که به عنوان ابررساناهایی در دماهای حدود یک کلوین توسط فرانک استگلیش در آلمان و زاچاری فیسک، جیم اسمیت و هانس اوت در آمریکا شناخته شدند و دیگری فلزات آلی تقریبا دو بعدی با دمای بحرانی حدود ده درجه کلوین که در پاریس توسط دانیل ژرومه کشف شد. باوجود تلاشآهای زیاد بند ماتیوس که حدود صد ماده ابررسانا را کشف کرد، هنوز حد بالایی برای دمای مواد ابررسانا وجود داشت. دمایی که از مکانیسم به کار رفته برای ابررسانایی یعنی تعامل فونون القائی ناشی میآشد. چنانکه نور کوانتومی را فوتون میآنامند، اصوات کوانتومی را نیز فونون نامیدهآاند.
در سال 1962 جوزفسون انگلیسی در 22 سالگی آزمایشاتی روی جفت الکترونهای کوپر انجام داد که منجر به مشاهده و اعلام پدیدهآای شد که خاصیت تونلآزنی یا اثر جوزفسون نام گرفت. بر اساس اثر جوزفسون، درصورتیکه دو قطعه ابررسانا توسط یک عایق بسیار نازک (حدود یک نانومتر) به یکدیگر متصل شوند، جفت الکترونهای کوپر میآتوانند از عایق عبور نمایند. مقدار جریان الکتریکی ایجاد شده به ولتاژ اتصال و میدان مغناطیسی وابسته است. ارائه تئوری مزبور برای جوزفسون و دو دانشمند دیگر یعنی لئو ایزاکی و ایوار گیاور که فعالیتهای مشابهی در بررسی پدیده تونل زنی داشتند جایزه نوبل 1973 را به ارمغان آورد.
حدود 70 سال پیشرفتهای انجام شده برای افزایش دمای بحرانی به کندی انجام گرفت. از سال 1911 تا سال 1973 یعنی حدود 62 سال دانشمندان تنها توانستند دمای بحرانی را از 4 درجه به 3/23 درجه کلوین که کمی بیشتر 3/20 کلوین یعنی دمای ئیدروژن مایع است برسانند اما کار با ئیدروژن مایع نیز پرهزینه، مشکلآآفرین و خطرساز بود و کاربردهای ابررسانا را محدود میآساخت. در سالهای بعد علاوه بر فلزات و آلیاژهای فلزی، فعالیتهایی در زمینه ترکیبات نیمهآفلزی توسط برخی دانشمندان آغاز شد اما هنوز مادهآای دیگری به جز فلزات و آلیاژها یافته نشده بود که بتواند در دماهای مورد انتظار ابررسانا باشد. سرانجام در 27 ژانویه سال 1986 جرج بدنورز و آلکس مولر در موسسه تحقیقاتی IBM شهر زوریخ سوئیس موفق به کشف پدیده ابررسانایی در سرامیکی از نوع اکسید مس و شامل لانتانوم و باریوم شدند. دمای بحرانی نمونه ساخته شده، حدود 35 درجه کلوین بود و آنها نیز به خاطر کشف ابررساناهای دمابالا (HTS) موفق به دریافت جایزه نوبل در سال 1987 شدند. طی مدت زمان کوتاهی پس از کشف ابررسانایی دما بالا، دسترسی به دماهای بحرانی بالاتر به سرعت توسعه یافت. یک ماه بعد از کشف بدنورز و مولر، تاناکا و همکاران وی در توکیو نتایج آنها را تأیید نمودند و نتایج فعالیت آنها در یکی از نشریات ژاپنی به چاپ رسید. اندکی بعد از کشف اکسید مس حاوی باریوم و لانتانوم، در نتیجه همکاری پاول چو از دانشگاه هوستون و مانگ کنگ وو از دانشگاه آلاباما، عضو جدیدی از خانواده مواد ابررساناهای دما بالا با جایگزینی ایتریوم Y به جای لانتانوم کشف شد. این ماده سرامیکی که دمای بحرانی آن به 92 درجه کلوین میآرسید، به YBCO معروف شد. با توجه به نقطه جوش نیتروژن که 77 درجه کلوین در فشار یک اتمسفر است، برای سرد شدن این ابررسانا تا دمای بحرانی استفاده از نیتروژن مایع هم امکانپذیر بود که بسیار ارزانآتر و بیآخطرتر از ئیدروژن و هلیم مایع بود. بنابراین فقط در طی یک سال از کشف اصلی، دمای انتقال به حالت ابررسانایی افزایش سه برابر داشت و واضح بود که انقلاب ابررساناها شروع شده است. برای پاسداشت تحول مهمی که در علم فیزیک واقع شده بود، توسط انجمن فیزیکدانان آمریکایی در بعدازظهر یکی از روزهای مارس 1987 جشنی هم در نیویورک برگزار شد. این جشن 3000 شرکت کننده داشت و حدود 3000 نفر نیز این جشن را از طریق تلویزیون مدار بسته در خارج از محل اصلی تماشا کردند. در طول شش سال بعد، چند خانواده دیگر از ابررساناها کشف شدند که شامل ترکیبات شامل تولیوم (Tl) و جیوه (Hg) بوده و دارای حداکثر دمای بحرانی بیشتر از 120 درجه کلوین بودند. بالاترین مقدار تأیید شده دمای بحرانی در فشار معمولی یک اتمسفر، 135 درجه کلوین و متعلق به HgBa2Ca2Cu3O8 میآباشد. به صورت تجربی معلوم شده است اگر ماده ابررسانا به صورت مکانیکی تحت فشار قرار گیرد، دمای بحرانی ابررسانا کمی تغییر میآکند. در سال 1993، دمای بحرانی 165 درجه کلوین (108- درجه سانتیگراد) نیز در ترکیبی از اکسید مس و جیوه و البته تحت فشارهای خیلی بالا گزارش شد. همگی ابررساناهای مورد اشاره یک ویژگی مشترک داشتند. وجود سطوح تراز شامل اتمهای اکسیژن و مس که با مواد حامل بار برای سطوح تراز از یکدیگر جدا میآشوند. با توجه به کاربردهای مختلف ابررساناها، بسیاری از تلاشها بر افزایش دمای عملکرد ابررساناها تا دستیابی به دمای اتاق متمرکز شده است.
هر چند دمای بحرانی ترکیبات جدید سرامیکی در حد قابل توجهی از دمای بحرانی مواد ابررسانای متعارف (فلزات و آلیاژها) بزرگتر است، به دلیل خصوصیات فیزیکی این مواد مانند شکنندگی و پایین بودن چگالی و جریان بحرانی کاربردهای این مواد هنوز در مرحلهآی تحقیق است. اخیراً سعید سلطانیان به همراه یک گروه علمی به سرپرستی پروفسور شی زو دو در دانشگاه ولونگونگ استرالیا ابررسانایی ساختهآاند که بالاترین رکورد را از نظر خواص مکانیکی در میان ابررسانا دارد. این ابررسانا به شکل سیم یا نواری از جنس دی برید منیزیم (MgB2) با پوششی از آهن است و امکان انعطاف برای ساخت تجهیزات مختلف الکتریکی را داراست.
ابررساناهای جدید عموماً سرامیکی و اکسیدهای فلزی ورقه ورقه هستند که در دمای اتاق مواد نسبتاً بیآارزشی محسوب میآشوند و البته کاربردهای متفاوتی نیز دارند. اکسیدهای فلزی ابررسانا در مقایسه با فلزات شامل کمی حامل بار معمولی هستند و داری خواص انیسوتوروپیک الکتریکی و مغناطیسی میآباشند. این خواص به نحو قابل ملاحظهآای حساس به محتوای اکسیژن میآباشند. نمونهآهای ابررسانای موادی مانند YBa2Cu3O7 را یک دانشآآموز دبیرستانی نیز میآتواند در یک اجاق میکروویو تولید کند اما برای تشخیص خواص فیزیکی ذاتی، کریستالهای یکتایی با درجه خلوص بالا مورد نیاز است که فرآیند ساخت پیچیدهآای دارند.
بعد از کشف ابررساناها، تا چند سال تصور میآشد رفتار مغناطیسی ابررسانا مانند رساناهای کامل است. اما در سال 1933 مایسنر و اوشنفلد دریافتند اگر ماده مورد آزمایش قبل از ابررسانا شدن در میدان مغناطیسی باشد، شار از آن عبور میآکند ولی وقتی در حضور میدان به دمای بحرانی برسد و ابررسانا گردد دیگر هیچآگونه شار مغناطیسی از آن عبور نخواهد کرد و تبدیل به یک دیامغناطیس کامل میآشود که شدت میدان (B) درون آن صفر خواهد بود. آنها توزیع شار در خارج نمونهآهای قلع و سرب را که در میدان مغناطیسی تا زیر دمای گذار سرد شده بودند را اندازهگیری و مشاهده کردند که ابررسانا دیامغناطیس کامل گردید و تمام شار به بیرون رانده شد. این آزمایش نشان داد که ماده ابررسانا چیزی بیشتر از ماده رسانای کامل است. براساس ویژگی مهم ابررساناها، فلزات در حالت ابررسانایی هرگز اجازه نمیآدهند که چگالی شار مغناطیسی در درون آنها وجود داشته باشد. به عبارت دیگر در داخل ابررسانا همیشه B=0 است. این پدیده به اثر مایسنر معروف شد.
در اثر پدیده مایسنر اگر یک آهنربا روی ماده ابررسانا قرار گیرد، روی آن شناور میآماند. در شکل یک آهنربای استوانهآای روی یک قطعه ابررسانا که توسط نیتروژن خنک شده شناور است. علت شناور ماندن، اثر مایسنر است که براساس آن خطوط میدان مغناطیسی امکان عبور از ابررسانا را نیافته و چنانکه مشاهده میآشود، ابررسانا قرص مغناطیسی را شناور نگه میآدارد.
پس از کشف دیامغناطیس بودن ابررساناها، در سال 1950 آلیاژهای ابررسانایی مانند سرب+بیسموت و سرب+تیتانیوم کشف شدند که میدانهای بحرانی خیلی بالایی از خود نشان میآدادند. پژوهشهای بعدی نشان داد که این مواد نوع متفاوتی از ابررساناها هستند که بعداً نوع II نامیده شدند. لاندن با استفاده از موازنه انرژی در محدوده کوچکی بین مرز فازهای ابررسانا و نرمال، شرط تعادل فاز را به دست آورده و به حضور یک سطح انرژی دیگر با منشأ غیرمغناطیسی اشاره کرد که علاوه بر انرژی مرز بین دو فاز ابررسانا و نرمال وجود داشت. وی متذکر شد که اگر سطح انرژی کل مثبت باشد ابررسانایی ازنوع اول و اگر منفی باشد از نوع دوم است که در این صورت میدان مغناطیسی به درون ابررسانا نفوذ میآکند. در سال 2003 نیز آلکسی آبریکوزوف و ویتالی گینزبورگ به خاطر بسط تئوری ابررسانایی همراه با آنتونی لگت برنده جایزه نوبل فیزیک شدند.
به تازگی هم پژوهشگران فرانسوی خاصیت جدیدی را در ابررساناها پیدا کردهآاند که قبلاً در هیچ نظریهآای پیشآبینی نشده بود. چنانکه اشاره شد خواص ابررسانایی در مواد، به دمای محیط، میدان مغناطیسی و شدت جریان عبوری بستگی دارد. محققان فرانسوی بلوری ساختهآ بودند که در دمای 04/0 درجه کلوین ابررسانا میآشد و وقتی شدت میدان مغناطیسی به بیشتر از 2 تسلا میآرسید، این خاصیت از بین میآرفت. یکی از پژوهشگران این گروه، از روی کنجکاوی، شدت میدان مغناطیسی را باز هم بیشتر کرد. وقتی شدت میدان به 12 تسلا رسید، بلور دوباره ابررسانا شد. وقتی میدان باز هم بالاتر رفت، این خاصیت دوباره از بین رفت. این گزارش که اخیراً در نشریه علمی ساینس به چاپ رسیده، توجه بسیاری از فیزیکدانان حالت جامد را برانگیخته است چرا که هیچ توضیح خاصی برای این پدیده وجود ندارد. با توجه به موارد گفته شده، به نظر میآرسد که میدان مغناطیسی متغیر باعث ایجاد رفتارهای جالب پیشآبینی نشده در ابررساناها میآشود. البته باید توجه داشت که ابررسانایی یک خاصیت کاملاً کوانتمی است و به سادگی نمیآتوان وضعیت پیش آمده در این آزمایش را توصیف کرد.
منبع:
http://niroo*****.ir
دیدگاه