برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

ابررساناهای دمای بالا
زمینه ای جدید در علم فیزیك آغاز شد هنگامی كه در 27 ژانویه 1986 میلادی، Bednorz و Mueller یك افت مقاومت تیز را در La2-mBamCuO4 در دمای حدود 30 درجه ی كلوین مشاهده كردند. آن ها مقاله ای در این باره به یكی از روزنامه های معتبر اروپائی، ZeitSchrift fur Physik فرستادند و مطالعه ی خود را برروی این ماده ی جدید ادامه دادند تا اطمینان حاصل كنند كه تغییر مقاومت ناگهانی، تبدیل به یك حالت ابررسانایی بوده. تا ماه اكتبر، آن ها اثر مایزنر (The Meissner Effect) را مشاهده كرده بودند ، بنابراین یك ماده ابررسانای جدید را به ثبت رساندند. نتایج آن ها در دنیا پخش شد، یك ماه بعد، Tanaka و همكاران وی در توكیو نتایج Bednorz-Muller را تأیید نمودند (یك تأییدیه در یكی از روزنامه های ژاپنی چاپ شد) در حالی كه كار آن ها در پكن توسط Zou و همكارانش پشتیبانی و حمایت شد. (كار آنها در دسامبر در یكی از روزنامه ها توضیح داده شد.) در ماه بعد، در نتیجه ی یك تلاش همكارانه بین Paul Chu از دانشگاه هوستون و Mang-Kang Wu از دانشگاه آلاباما، عضو جدیدی از خانواده مواد ابررساناهای دما بالا كشف شد ، YBa2Cu3O7 كه دارای بالای 70 درجه ی كلوین بود. بنابراین فقط در طی یك سال از كشف اصلی، دمای انتقال به حالت ابررسانایی افزایش سه برابر داشت. و واضح بود كه انقلاب ابررسانا ها هنوز شروع شده است. یك جشن برای بوجود آمدن این فصل در علم فیزیك طی یك جلسه در نیویورك توسط انجمن فیزیك دانان آمریكایی در یك بعد از ظهر یكی از روزهای مارس 1987 برگزار شد. این جشن 3000 شركت كننده داشت و 3000 نفر نیز این جشن را از طریق تلویزیون مشاهده می كردند ...

در طول شش سال بعد، چند خانواده ی دیگر از ابررسانا ها كشف شدند، كه شامل سیستمهای مبنی بر -Tl و -Hg می باشند، كه به ترتیب دارای حداكثر 120 كلوین و 160 كلوین می باشند. همگی آنها یك ویژگی كه موجب روی دادن ابررسانایی دمای بالا بود، داشتند، وجود پلین های (planes) شامل اتم های O و Cu ی كه جدا شده بوسیله ی مواد پل كننده ای كه به عنوان حامل بار عمل می كنند هستند. در طی این مدت، حدود چند هزار مقاله در رابطه با ابررسانا ها منتشر گشت (و در زمان حاضر هم منتشر می شود) بدیهی گشت كه ابررسانایی دمای بالا وابسته به مسائل بزرگ فیزیك بسیاری در طول دهه ی گذشته ی این قرن بود. حداقل چهار دلیل برای علاقه ی شدید به بالا وجود دارد : یك علاقه ی علمی ذاتی و باطنی، طبیعت انتقال نظم و ترتیبی، (این به حدود جدا كننده ی دانشمندان و شیمی دان های مواد از طریق فیزیكدان های نظری و تجربی می رسد) ؛ كاربردهای بالقوه برای مواد ی كه دردماهای بالاتر از 77 كلوین (دمایی كه نیتروژن مایع می شود) به عنوان ابررسانا عمل می كنند، كاربردهایی كه می توان در سیستم های تلفن سلولی اعمال كرد، خطوط انتقال ابررسانایی، ماشین های MRI استفاده كنند از مغناطیس های بالا، میكروویو های استفاده كننده از مواد ابررسانای جدید، سیستم های ابررسانا/ نیمه رسانای هیبریدی؛ و در آخر پیدا كردن ابررسانای دمای اتاق.

برخی مشخصه ها و خواص ابررسانا های جدید عبارتند از اینكه آن ها سرامیك، و اكسید های ورقه ورقه می باشند كه در دمای اتاق فلزات ضعیف و بی ارزشی هستند، و مواد متفاوتی برای كار كردن هستند. شامل كمی حامل بار در مقایسه با فلزات معمولی هستند، و خواص انیسوتوروپیك (Anisotropic) الكتریكی و مغناطیسی هستند كه بطور قابل ملاحظه ای حساس به محتوای اكسیژن می باشند. در حالی كه، نمونه های ابررسانای مواد 1-2-3 ، Yba2Cu3O7 ، را یك دانش آموز دبیرستانی نیز می تواند در یك اجاق میكروویو تولید كند، كریستال های یكتای دارای درجه ی خلوص بالا برای تشخیص خواص فیزیكی ذاتی موادی كه ساختن آن ها به طور خیلی زیادی سخت است، لازم است.

در ادامه ی یك دهه كار، یك وفاق عمومی بر سر این موضوع وجود دارد كه رفتار تحریكات ابتدائی در پلین های (planes) ، Cu-O یك كلید برای درك خواص حالت عادی این ابررساناها ارائه می دهد، و اینكه آن خاصیت غیر حالت عادی شبیه به حالت عادی ابررساناهای معمولی و دمای پایین می باشند.

علاوه بر این، اساسا هیچ یك از خواص حالت ابررسانایی ، با خواص یك ابررسانای عادی یكی نیست، كه در آن جفت كردنتئوری BCS در حالت خط واحد اتفاق می افتد و شكاف انرژی ذرات quasi در دماهای پائین و ایزوتپریك، هنگامی كه یكی حول سطح فرمی حركت می كند، محدود می باشد. علی رغم این حقیقت كه چیزی نسبتا جدید و متفاوت نیاز است تا رفتار حالت عادی را درك كنیم، یك توافق و اجماع وجود دارد كه تئوری BCS ، اگر بطور مناسبی تغییر یابد، یك توضیح راضی كننده برای انتقال به حالت ابررسانایی و خواص مواد در آن حالت، می دهد .

یك توافق تقریبی همچنین در رابطه با اجزای سازنده ی پایه ی لازم برای درك ابررساناهای دمای بالا وجود دارد. آن ها را می توان به صورت زیر خلاصه كرد :

عمل ابتدا در پلین های Cu-O رخ می دهد، پس در تخمین اول، برای متمركز كردن هم توجه نظری و هم عملی روی رفتار تحریكات پلانار، و همچنین برای متمركز كردن بر روی دو سیستم مطالعه شده ، سیستم 1-2-3 (YBa2Cu3O7-m) و سیستم 2-1-4 (La2-mSrmCuO4) ، كفایت می كند.

در دماهای پائین هر دو سیستم عایق های آنتی فرو مغناطیس می باشند با یك آرایه ی محلی +Cu2 كه علامت آن در داخل شبكه متناوبا عوض می شود .

شخصی سوراخ هایی را بر روی پلین های Cu-O سیستم 1-2-3 با تزریق اكسیژن ایجاد می كند، برای سیستم 2-1-4 این كار با تزریق استرونتیوم انجام می گیرد. سوراخ های حاصل روی مقر پلانار اكسیژن ، با اسپین های نزدیك +Cu2 پیوند پیدا می كنند، و حركت را برای دیگر اسپین های +Cu2 آسان می سازد، و در روند، نابود كردن همبستگی های AF طولانی برد در عایق.

اگر كسی حفره های كافی را ایجاد كند، سیستم حالات پایه ی خود را از یك عایق به یك ابررسانا تغییر می دهد.

در حالت عادی مواد ابررسانا ، اسپین های +Cu2 سیار، اما محلی یك مایع فرمی غیر مرسوم را تشكیل می دهند ، با اسپین های quasiparticle های نشان دهنده ی ارتباطات AF قوی، حتی برای سیستم های در سطح تخدیر كه از حدی كه ماكزیمم می باشد، تجاوز می كند ، موادی كه با نام فرا-تخدیر شناخته می شوند. اگر چه هیچ توافقی بین تئوریسین ها بر سر این كه چگونه یك توضیح نظریه ای دارای جزئیات برای curpate ها ارائه كنند. راهكرد هایی كه برای اینكار امتحان شد، را می توان به از پایین به بالا- یا از بالا به پایین رده بندی كرد. در راهكرد از بالا به پائین، یكی مدلی را كه از قبل وجود داشته را انتخاب می كند و راه حل هایی برای انتخاب های دیگر پارامترهای مدل را توسعه می دهد ، سپس تست می كند كه آیا این راه حل به نتایج منطبق بر شواهد و تجربیات رسیده اند یا نه. در یك راهكرد از پائین به بالا، یك از نتایج تجربی آغاز می كند و تلاش می كند تا یك توضیح پدیده ای از یك زیر مجموعه از نتایج تجربی را بدست آورد. سپس چند آزمایش دیگر را متناسب با توضیح بدست آمده انجام می دهد ، با ترتیب میكروسكوپی برای هر آزمایش، تا اینكه به نتایج مورد انتظار از محاسبات و مشاهدات دست بیابد. و فقط آن وقت، بدنبال یك مدل همیلتونی كه راه حلش ممكن است تئوری میكروسكوپی كامل را ارائه دهد، بگردد و جستجو كند. Jonh Bardeen از این راهكرد دوم برای كار كردن بر روی ابررساناهای عادی و مرسوم استفاده كرد ، و در دانشگاه اوربانا از روش و راهكرد او برای كار برروی ابررسانای دمای بالا استفاده كردند.


منبع : دانشنامه رشد

http://www.hupaa.com/Data/P00638.php

ابر رسانا ها


اگردمای فلزات مختلف را تا دمای معینی(دمای بحرانی) پایین اوریم پدیده شگرفی در انها اتفاق می افتد كه طی ان به ناگهان مقاومتشان را در برابرعبور جریان برق تا حد صفراز دست خواهند داد .وتبدیل به ابررسانا خواهند شد.

(البته موادی مانند نقره نیز هستند كه مقاومت ویژه شان حتی در دمای صفر درجه كلوین نیز صفر نمی شود).هرچند در این دما میتوان بسیاری از مواد را ابر رسانا نمود محققا ن برای رسیدن به چنین دمایی مجبورند از هلیم مایع ویا هیدرژن استفاده كنند كه بسیار گرانند .

امروزه ابر رسانایی را در موادی ایجاد می كنند كه دمای بحرانیشان زیادتر از 77 درجه كلوین است كه برای رسیدن به چنین دمایی از ازت مایع استفاده می كنند كه نقطه جوشش 77 درجه كلوین است.

تاریخجه ابررسانا یی

ابررسانایی برای اولین باردر سال 1911 توسط هایك كامرلینگ اونس(1926-1853)مطرح گردید. وی دمای یك میله منجمد جیوه ای را تا دمای نقطه جوش هلیم مایع(4.2 درجه كلوین )پایین اوردد و مشاهده نمود كه مقاومت ان ناگهان به صفر رسید. سپس یك حلقه سربی را در دمای 7 درجه كلوین ابررسانا نمود و قوانین فارادی را بر روی ان ازمایش كردومشاهده نمود وقتی با تغییر شار در حلفه جریان القایی تولید شود.

حلقه سربی برعكس رسانا های دیگر رفتارمی نمایدیعنی پس از قطع میدان تا مادامیكه در حالت ابر رسانایی قرار داردجریان اكتریكی را حفظ می كند. به عبارتی اگریك سیم ابررسانا داشته باشیم پس از بوجود امدن جریان الكتریكی دران بدون مولد الكتریكی ( مثل باطری یا برق شهر )نیز می تواند حامل جریان باشد.

اگر در همین حالت میدان مغناطیس قوی در مجاورت سیم ابررسانا قرار دهیم ویا دمای سیم را با لاتر از دمای بحرانی ببریم جریان در ان بسرعت صفر خواهد شد چون دراین حالتها سیم را از حالت ابررسانایی خارج كرده ایم .

اقای اونس با همین كشف جایزه نوبل فیزیك در سال 1913 را از ان خود نمود.در عكس بالا اونس و همسرش نشسته و دوستان دانشمند مانند البرت انیشتین در پشت سر وی قرار دارند.

اثرمایسنر

سپس در سال 1933 Meissner وOschsenfeld مطابق شكل نشان دادند كه وقتی ماده مورد ازمایش قبل از ابررسانا شدن در میدان مغناطیسی باشد شار از ان عبور میكند ولی وقتی در جضور میدان به دمای بحرانی برسدو ابررسانا گردد دیگر هیچگونه شار مغناطیسی از ان عبور نمی كند تبدیل به یك دیامغناطیس كامل می شود كه شدت میدان درون ان صفر خواهد بود.




فیزیكدانان مختلف همواره سعی كرده بودند به موادی دست پیدا كنند كه اولا دردمای پایین ابرسانا شوند و ثانیا برای فرایند سرمایش بجای هلیم پر هزینه از نیتروژن مایع استفاده شود.تا بدن ترتیب بتوانند كابلهای مناسب برای حمل و انتقال برق ویا موتور الكتریكی بسازند.







در این شكل یك مغناطیس استوانه ای روی یك قطعه ابررسانا كه توسط نیتروژن خنك شده شناور است زیرا ابررسانا طبق خاصیت یعنی اثر مایسنر می توانند خطوط میدان مغناطیس را به خارج پرتاب كنند دارد.و همانطور كه میبینم قرص مغناطیسی را شناور نگه دارندو بدن ترتیب یك موتور چرخان ساخته میشود.

بلاخره در سال 1986 دو فیزیكدان سویسی به نامهای George bednorz-Alex Muller از آزمایشگاه زوریخ توانستند ابرسانایی ازجنس سرامیك اكسید مس در دمای بالا 60 درجه كلوین بسازند كه برای فرایند سرمایش از نیتروژن مایع استفاده میشد كه بسیار كم هزینه بود. بدین ترتیب دو گام مهم برای ساخت كابلهای ابررسانایی برداشته شد و لی سرامیك اكسید مس برای ساخت كابل شكننده بود بنابراین تلاشهای دیگری آغاز شد.كه تا به امروز هم ادامه دارد دانشجویان و دانشمندان ایرانی هم در این عرصه بسیار فعال هستند.

طبق گزارش ایرنا سعید سلطانیان به همراه یك گروه علمی در دانشگاه ولو نگوگ ایالت نیو ساوت ولز استرالیا به سرپرستی پروفسور دو ابررسانایی ساختند كه بالاترین ركورد را در میان ابررسانا دارد این ابررسانا به شكل سیم یا نوار ی از جنس دی برید منیزیم با پوششی از آهن است كه شكل میكروسكوپی آن در پایین نشان داده شده است.




كاربردهای مختلف ابررساناها

از ابررسانایی میتوان در ساخت آهن رباهای ویژه طییف سنجهای رزونانس مغناطیسی هسته و عكسبرداری تشدید مغناطیسی هسته و تشخیص طبی استفاده نمود و همچنین چون با حجم كم جریانهای بسیار بالا را حمل می كنند می توان از آنها در ساخت موتورهای الكتریكی (ژنراتورها- كابلها) استفاده نمود كه حجمشان 4 تا 6 برابر كوچكتر از موتورهای فضاپیمای امروزی هستند.

میتوان از آهن رباهای ابررسانا در ساختمان ژیروسكوپ برای هدایت فضا پیما استفاده نمود.

می توان از نیم رسانا ها در ساخت قطارهای شناور استفاده نمودمانند قطار سریع السیر ژاپنی ها كه در سال 2000 میلادی ساخته شد وبا با سرعت 581 km/h حركت می كرد در این بجای قطار بجای استفاده از چرخ از میدان مغناطیسی استفاده شده است.


در سال 1911 ، H. Kamerlingh-Onnes هنگام كار كردن در آزمایشگاه دمای پایین خود كشف كرد كه در دمای چند درجه بالای صفر مطلق، جریان الكتریسیته می تواند بدون هیچ اتلاف اختلاف پتانسیل در فلز جیوه جریان پیدا كند. او این واقعه ی منحصر به فرد را "ابررسانایی" (Superconductivity) نامید. هیچ نظریه ای برای توضیح این رخداد در طول پنجاه و شش سال بعد از كشف ارائه نگردید. تا وقتی كه در 1957 ، در دانشگاه الینویس ، سه فیزیكدان : John Bardeen ، Leon Cooper ، و Robert Schrieffer نظریه ی میكروسكوپی خود ارائه كردن كه بعدا با نام تئوری BCS (حروف ابتدایی نام محققان ) شناخته شد. سومین رخداد مهم در تاریخ ابررسانایی در سال 1986 اتفاق افتاد، وقتی كه George Bednorz و Alex Mueller ، در حال كار كردن در آزمایشگاه IBM نزدیك شهر زوریخ سوئیس، یك كشف مهم دیگر كردند : ابررسانایی در دماهای بالاتر از دماهایی كه قبلا برای ابررسانایی شناخته شده بودند در فلزاتی كاملا متفاوت از آنچه قبلا فلز ابررسانا شناخته می شود. این كشف باعث ایجاد زمینه ی جدید ی در علم فیزیك شد : مطالعه ابررسانایی دمای بالا، یا .

در این مقاله، كه برای غیر متخصص ها تنظیم گشته است، این را كه ما چقدر در فهم دمای بالا پیشرفت كرده ایم را توضیح خواهم داد و درباره چشم انداز های آینده ی توسعه ی یك نظریه ی میكروسكوپی بحث خواهم كرد. من با مروری بر برخی مفاهیم پایه ی نظریه ی فلزات شروع می كنم؛ برخی اقدامات كه منجر به ارائه ی نظریه BCS گشت را توضیح می دهم؛ و كمی در باره ی تئوری BCS بحث خواهم كرد و آن را توضیح خواهم داد. سپس مختصرا در باره ی پیشرفت هایی كه به فهم ما از ابررسانایی و ابرسیالی، در جهان ارائه شده است، بحث خواهم كرد، پیشرفت هایی كه بوسیله الهام از تئوری BCS بدست آمده اند. كه شامل كشف رده های زیادی از مواد ابرسیال می باشد، از هلیوم 3 مایع كه چند میلی درجه بالاتر از صفر مطلق به حالت ابرسیالی در می آید تا ماده ی نوترون موجود در پوسته ی سیاره ی نوترون، كه در چند میلیون درجه به حالت ابرسیالی در می آید. سپس درباره ی تاثیرات كشف مواد ابررسانای دمای بالا بحث خواهم كرد ، و برخی نتایج تجربی كلیدی را جمع بندی خواهم كرد. سپس یك مدل برای ابررسانایی دمای بالا ارائه خواهم داد ، نزدیك به نظریه ی ضد فرومغناطیسی مایع فرمی ، كه به نظر دارای توانایی ارائه ی مقدار زیادی از خواص غیرعادی حالت معمولی مواد ابررسانای سطح بالا می باشد. من با یك توضیح تجربی برای خواص جالب توجه حالت عادی ابررساناهای پیش بینی شده و در دست بررسی جمع بندی و نتیجه گیری می كنم، كه یك رده جالب از مواد را معرفی می كند : مواد قابل تطبیق پیچیده . كه در آن بازخورد غیرخطی طبیعی، چه مثبت و چه منفی، نقشی حیاتی در تعیین رفتار سیستم باز ی می كنند.

ابررساناهای مرسوم : از كشف تا درك ...

در سخنرانی نوبل خود در سال 1913 ، Kammerlingh-Onnes گزارش داد كه "جیوه در 4.2 درجه كلوین به حالت جدیدی وارد می شود، حالتی كه با توجه به خواص الكتریكی آن، می تواند ابررسانایی نام بگیرد. او گزارش داد كه این حالت می تواند به وسیله ی اعمال میدان مغناطیسی به اندازه ی كافی بزرگی از بین برود. در حالی كه یك جریان القاء شده در یك حلقه بسته ابررسانا به مدت زمان فوق العاده زیادی باقی می ماند و از بین نمی رود. او این رخداد را به طور عملی با آغاز یك جریان ابررسانایی در یك سیم پیچ در آزمایشگاه لیدن، و سپس حمل سیم پیچ همراه با سرد كننده ای كه آن را سرد نگه می داشت به دانشگاه كمبریج به عموم نشان داد.

این موضوع كه ابررسانایی مساله ای به این مشكلی ارائه كرد كه 46 سال طول كشید تا حل شود، خیلی شگفت آور می باشد. دلیل اول این می تواند باشد كه جامعه ی فیزیك تا حدود بیست سال مبانی علمی لازم برای ارائه ی راه حل برای این مسئله را نداشت : تئوری كوانتوم فلزات معمولی. دوم اینكه، تا سال 1934 هیچ آزمایش اساسی در این زمینه انجام نشد. سوم اینكه، وقتی مبانی عملی لازم بدست آمد، به زودی واضح شد انرژی مشخصه وابسته به تشكیل ابررسانایی بسیار كوچك می باشد، حدود یك میلیونیم انرژی الكترونیكی مشخصه ی حالت عادی. بنابراین، نظریه پردازان توجه شان را به توسعه ی یك تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب كردند. این مسیر را Fritz London رهبری می كرد. كسی كه در سال 1953 به نكته ی زیر اشاره كرد :‌ "ابررسانایی یك پدیده كوانتومی در مقیاس ماكروسكوپی می باشد ... با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریك شده بوسیله ی وقفه های زمانی." و اینكه "diamagntesim یك مشخصه بنیادی می باشد."

اجازه بدهید كمی درباره ی مبانی علمی كوانتومی بحث كنیم. الكترون ها در فلز در پتانسیل متناوب تولید شده از نوسان یون ها حول وضعیتشان حركت می كنند. حركت یون ها را می توان بوسیله ی مد های جمعی كوانتیزه شده ی آنها، فونون ها، توجیه كرد. سپس در طی توسعه ی نظریه ی كوانتوم، نظریه ی پاولی اصل انفجار وجود دارد ، كه معنای آن بیانگر مفهوم آن است و آن اینكه - الكترونها به صورت اسپین نیمه كامل ذاتی (half integral intrinsic spin) قرار می گیرند، و در نتیجه هیچ الكترونی نمی تواند طوری قرار بگیرد كه عدد كوانتوم آنها با هم یكی باشد. ذراتی كه به صورت اسپین نیمه كامل ذاتی قرار می گیرند با نام فرمیون ها (fermions) شناخته می شوند، به خاطر گرامیداشت كار های فرمی (Fermi) كه ، همراه با دیاك (Diac) ، نظریه ی آماری رفتار الكترون در دماهای محدود را توسعه دادند، این تئوری با نام Fermi-Diac statistics شناخته می شود. در توضیح فضای اندازه حركت یك فلز ساده، حالت پایه یك كره در فضای اندازه ی حركت می باشد، كه اندازه ی شعاع آن، pf بوسیله ی چگالی فلز تعیین می گردد. انرژی خارجی ترین الكترون ها، در مقایسه با انرژی گرمایی میانگین آن ها، Kt بسیار بزرگ می باشد. به عنوان نتیجه، تنها بخش كوچكی از الكترون ها ، ، در بالاتر از حالت پایه تحریك می شوند. الكترون ها با هم دیگر ( قانون كلمب ) و با فونون ها تعامل می كنند و رابطه دارند. تحریكات ابتدائی آن ها ذرات quasi ، (quasiparticles) می باشند ، الكترون ها با ضافه ی ابر الكترونی وابسته به آنها و فونون هایی كه هنگام حركت از میان شبكه الكترون را همراهی می كند. یك بحث و مذاكره ی ابتدائی نشان می دهد كه طول عمر یك quasiparticle تحریك شده بالای سطح فرمی ( سطح كره ی فرمی ) تقریبا برابر می باشد. مساله و مشكلی كه برای نظریه پردازان در رابطه با این مساله پیش آمده، فهم چگونگی تحمل پذیری الكترون ها ی تعامل كننده هنگام رفتن به حالت ابررسانایی ، می باشد. این امر چگونه انجام می شود ؟ توضیح ریاضی مناسب برای این امر چه می باشد ؟

یك كلید راهنمای بسیار لازم در سال 1950 میلادی بدست آمد، وقتی محققان در Nationa Bearue of Standards و دانشگاه روتگرز كشف كردند كه دمای انتقال به حالت ابررسانایی سرب بستگی به جرم ایزوتوپ آن، یعنی M ، دارد ، و رابطه ی عكس با M1/2 دارد. از آنجایی كه انرژی لرزشی شبكه ای همان بستگی را با M1/2 دارد، كوانتای پایه ی آنها، فونون ها ، باید نقشی در ظهور و ایجاد حالت ابررسانایی بازی كند. در سال های بعدی، Herber Frohlich ، كه از پوردو از دانشگاه لیورپول بازدید می كرد، و John Bardeen كسی كه آن زمان در آزمایشگاه های بل كار می كرد، تلاش كردند نظریه ای با استفاده از تعامل الكترون ها و فونون ها ارائه بدهند، ولی شكست خوردند و موفق نشدند. كار انجام شده توسط آن ها را می توان به كمك دیاگرام های معرفی شده توسط ریچارد فاینمن (Richar Feynman) به تصویر كشید، كه در قسمت (a) تصویر زیر نشان داده شده است. در تصویر زیر می توان یك الكترون را مشاهده كرد كه یك فونون را آزاد می كند و سپس آن را جذب می كند. خواص آن بوسیله جفت شدن پویا با شبكه تغییر می یابند و تغییر در انرژی آن نسبت عكس با M1/2 دارد . اما این quasiparticle ها به حالت ابررسانایی در نمی آیند.

سپس Frohlich احتمال دوم را در نظر گرفت، حالتی كه در تصویر بالا قسمت (b) نشان داده شده است، كه در آن یك الكترون یك فونون را آزاد می كند و الكترون دومی آن فونون را جذب می كند. این تعامل فونون القایی می تواند برای الكترون ها ی نزدیك سطح فرمی جذاب باشد. این یك معادله فلزی waterbed می باشد : دو شخص كه یك waterbed را به اشتراك می گذارند، تمایل دارند تا به مركز آن جذب شوند، همان طوری كه روند القاء الكترون ها را جذب می كند. (یك شخص تورفتگی را در waterbed القاء می كند، تورفتگیی كه شخص دوم را جذب می كند.) تعامل مطالعه شده توسط Frohlich در نگاه جذاب و زیبا به نظر می رسد، كه هم جدید بود و هم ذاتا تناسب درستی با جرم ایزوتوپی، M ، داشت. اگر چه مشكلی بزرگ در درك چگونگی نقش بازی كردن آن وجود داشت، از آن جا كه تعامل پایه ای كلمب (Coulomb) بین الكترون ها دفع كننده می باشد، و خیلی قوی تر می باشد. همانطور كه لاندو (Laundau) قرار داد : "شما نمی توانید قانون كولمب را لغو كنید." این اشكالی بود كه John Bardeen و نویسنده ی این مقاله، دیوید پاینس (David Pines) (هنگامی كه اولین دانشجوی دكترا در دانشگاه ایلیونیس در سال های 1952-1955 بود) ، آن را مورد انتقاد قرار دادند. چیزی كه آن ها پیدا كردند، به وسیله ی توسعه ی یك راهبرد كه David Bohm و David Pines قبلا برای فهم تعامل های جفت الكترون ها در فلزات توسعه داده بودند، این بود كه "پیام ، متوسط است ." ("The Medium is the message") . وقتی آن ها اثر رویه ی به پرده در آوردن الكترونیكی (Electronic Screening) روی هر دو تعامل الكترون-الكترون و الكترون-آهن را در نظر گرفتند، فهمیدند كه حضور جزء تشكیل دهنده ی دومی، یونها ، یك تعامل جذاب شبكه ای را بین یك جفت الكترون كه تفاوت انرژی آن ها از انرژی یك فونون بنیادین كمتر می باشد، ممكن می سازد .

كه در آن ثابت دی الكتریك استاتیك وابسته به watervector می باشد، انرژی فونون می باشد، q انتقال اندازه ی حركت می باشد، و تفاوت بین انرژی الكترون ها می باشد. ترتیب ها آن به صورت جزئی تر توسط Leon Cooper مطالعه شده است . او فهمید كه به خاطر این جذابیت شبكه ای، سطح فرمی حالت عادی می تواند در دماهای پائین به تشكیل جفت الكترون هایی با اسپین و اندازه حركت مخالف، بی ثبات شود. با كار او، راه حلی برای ابررسانایی نزدیك بود. در سال 1957 میلادی، هنگامی كه Bob Schrieffer ، كسی كه دانشجوی فارغ التحصیلی Bardeen در دانشگاه الیونیس بود، فهمید كه توضیح میكروسكوپی داوطلب حالت ابررسانایی، می تواند با به كار بردن راهبردی كه قبلا برای پلارن ها توسعه یافته بود، توسعه یابد. (به وسیله ی T.D. Lee ، Francis Low و David Pines ) به جفت های تعامل كننده ی كوپر. در هفته های بعدی، Bardeen ، Cooper ، و Schrieffer نظریه ی میكروسكوپی ابررسانایی خود، تئوری BCS را ارائه دادند. كه این تئوری در توضیح و تفسیر رویداد ها ی ابررسانایی موجود و هم چنین در پیش گویی رویداد های جدید بسیار موفق بود. در جولای 1959 ، در اولین كنفرانس عظیم در رابطه با ابررسانایی بعد از ارائه ی نظریه ی BCS ، (در دانشگاه كمبریج) ، David Schoenberg كنفرانس را با این جمله آغاز كرد : "حالا ببینیم تا چه حدی مشاهدات با حقایق نظری جور در می آیند ..."

تئوری BCS و اثرات آن

در تئوری BCS جذابیت زیادی بین جفت الكترون های دارای اسپین و اندازه حركت مخالف هستند و مسئول انتقال به حالت ابررسانایی هستند وجود دارد. پایین درجه ی حرارت تبدیل به حالت ابررسانایی، ، جفت هایی از هم چگال ها، یك حالت كوانتومی یگانه ی اشغال شده ی ماكروسكوپیك، كه بدون مقاومت جریان می یابد، و میدان های مغناطیسی خارجی ضعیف را screen out می كند، باعث بوجود آمدن یك دیامگنتیزم اندازه گیری شده در اثر میزنر (Meissner) می شود. در دماهای پایین، این باعث مصرف انرژی محدودی می گردد، ، برای جداسازی یكی از جفت ها در هم چگال؛ این شكاف انرژی است كه توسط London پیش بینی شده بود؛ و اثرات آن بر روی خواص ابررسانایی توسط John Bardeen در سال های قبل از كشف و ارائه ی تئوری میكروسكوپی به صورت رخدادی بررسی شده بود.بنابراین، حالت ابررسانایی توسط دو جزء تشكیل دهنده مجزا مشخص می شود : یك ابرمیدان (superfield) ، هم چگال، و یك سیال معمولی تشكیل شده از تحریكات تك ذره ای كه از جدا شدن از هم هم چگال در دماهای محدود نتیجه می شود. quasiparticle های تحریك شده كه سیال معمولی را تشكیل می دهد، در پاسخ به میدان های خارجی ، اثرات منسجم معلوم و مشخصی را از خود نشان می دهند، پدیده ی انسجام كه یكی از مشخص كننده های تئوری جفت كننده ی BCS می باشد، اما وگرنه بصورت معمولی رفتار می كنند، كه در آن با یكدیگر، با فونون ها ، و با دیواره های ظرف شامل آن ها برخورد می كنند. طول بنیادی كه رفتار منسجم در آن می تواند اتفاق بیافتد، طول انسجام (coherence length) ، چند هزار برابر فاصله ی بین ذرات داخلی می باشد. برای درك كردن آن چه اتفاق می افتد، در نظر گرفتن قیاس با یك زمین رقص پر شده از زوج های رقاص كه هماهنگ با موزیك حركت می كنند، می تواند كمك كننده باشد. در حالت عادی، زوج ها مرتبا با یكدیگر برخورد می كنند، اما در حالت ابررسانایی، آن زوج هایی كه تعلق به هم چگال دارند، دارای یك قید و بند نامرئی می باشند كه به آن ها اجازه می دهد تا به راحتی به حول سالن رقص رقص كنند(a la Rogers And Astaire) و پرواز كنند. اگر زوج های جدا كننده ای وجود دارند؛ فقط منفردهای تحریك شده ی غیر متصل هستند كه با یكدیگر و دیوار ه ی سالن رقص برخورد می كنند. تبدیل به ابررسانایی BCS اساسا متفاوت از آن چه ممكن است اگر زوج ها بالای تشكیل شده باشند، سپس متراكم شوند، اتفاق بیافتد، می باشد. و در مورد اخر، طول انسجام چندین برابر فضای بین ذره ای می باشد و بستگی به ندارد.

نظریه ی BCS اثر قابل توجهی در زمینه های دیگر فیزیك داشت. این نظریه پیش بینی می كند كه هر سیستم دارای فرمیون های تعامل كننده، می تواند به حالت ابررسانایی برود ، یا در صورت فرمیون های بدون بار، یك تبدیل ابرسیالی، یكی دارای تعامل جذاب برای فرمیون های شبكه ای در مجرای تكانه ی زاویه ای ارائه دهد. كمی بعد از انتشار نتایج اولیه ی تئوری BCS ، Aage Bohr ، Ben Mottleson و David Pines ، در حال كار در كپنهاگ در سال 1957 ، نشان دادند كه نوترون ها و پروتون های موجود در هسته ی اتم به خاطر جذب دوسویه شان جفت می شوند، و اینكه می توان معمای قدیمی پدیده ی هسته ای را توجیه كند، در حالی كه Yoichiro Nambu در شیكاگو كشف كرد كه ترتیب جفت كردن BCS برای پدیده های انرژی بالا در فیزیك ذرات ابتدائی پیدا می شود. حضور ابرسیالات پروتون و نوترون در پالسارهای (pulsar) تازه كشف شده در 1989 احضار شد. (توسط Gordon Baym ، Chris Pethick ، Mal Ruderman ، و David Pines ) به عنوان توضیح برای زوال طولانی مدت glitch ها (پرش های ناگهانی در مدت چرخش پالسار) كه در پالسارهای Vela و Crab در سپتامبر و مارس 1969 كشف شده بود. از آنجایی كه اتمهای هلیوم 3 فرمیون هستند و دارای جذب برد بالا می باشند، به طور وسیعی انتظار می رفت كه هلیوم 3 به تبدیل حالت ابرسیال برود، و جامعه فیزیك دمای پایین به دنبال نشانه هایی از آن تبدیل گشت، یك جستجویی كه برای Doug Osheroff ، David Lee ، و Bob Richardson در دانشگاه كورنل موفقیت آمیز بود، و در سال 1972 كشف كردند كه هلیوم 3 چند میلی درجه بالای صفر مطلق ابر سیال می شود.

نیازی به گفتن نیست كه، الهام شده توسط تئوری BCS ، آزمایشگر های مواد منقبض، رده ی جدیدی از فلزات ابررسانا را معرفی كردند، و مشتاقانه به دنبال موادی كه در دماهای نسبتا بالاتر از دماهای تبدیل كمتر از 20 كلوین، كه فلزات ابررسانای معمولی را مشخص می كند، ابررسانا می شوند، گشتند. دو رده ی جدید از ابررساناها كشف شدند : مواد الكترون سنگین ، CeCu2Si2 ، UPt3 ، و UBe13 كه توسط Frank Steglich ، Zackary Fisk ، Jim Smith ، و Hans Ott در آلمان، در حال كار كردن در Los Alamos ، به عنوان ابررسانا در دماهای حدود یك كلوین شناخته شدند. در حالی كه Daniel Jerome در پاریس ابررسانایی را در فلزات آلی تقریبا دو بعدی در حدود ده درجه ی كلوین را كشف كرد. اگرچه ، باوجود تلاش های زیاد Bend Matthias ، كه حدود صد ماده ی ابررسانا را كشف كرد، هنوز حد بالایی برای دمای مواد ابررسانا وجود داشت : 23 درجه ی كلوین ، درجه ی حرارتی كه از مكانیسم به كار رفته برای ابررسانایی ناشی می شد، تعامل فونون-القائی.

ابررساناهای دمابالا

زمینه ای جدید در علم فیزیك آغاز شد هنگامی كه در 27 ژانویه 1986 میلادی، Bednorz و Mueller یك افت مقاومت تیز را در La2-mBamCuO4 در دمای حدود 30 درجه ی كلوین مشاهده كردند. آن ها مقاله ای در این باره به یكی از روزنامه های معتبر اروپائی، ZeitSchrift fur Physik فرستادند و مطالعه ی خود را برروی این ماده ی جدید ادامه دادند تا اطمینان حاصل كنند كه تغییر مقاومت ناگهانی، تبدیل به یك حالت ابررسانایی بوده. تا ماه اكتبر، آن ها اثر مایزنر (The Meissner Effect) را مشاهده كرده بودند ، بنابراین یك ماده ابررسانای جدید را به ثبت رساندند. نتایج آن ها در دنیا پخش شد، یك ماه بعد، Tanaka و همكاران وی در توكیو نتایج Bednorz-Muller را تأیید نمودند (یك تأییدیه در یكی از روزنامه های ژاپنی چاپ شد) در حالی كه كار آن ها در پكن توسط Zou و همكارانش پشتیبانی و حمایت شد. (كار آنها در دسامبر در یكی از روزنامه ها توضیح داده شد.) در ماه بعد، در نتیجه ی یك تلاش همكارانه بین Paul Chu از دانشگاه هوستون و Mang-Kang Wu از دانشگاه آلاباما، عضو جدیدی از خانواده مواد ابررساناهای دما بالا كشف شد ، YBa2Cu3O7 كه دارای بالای 70 درجه ی كلوین بود. بنابراین فقط در طی یك سال از كشف اصلی، دمای انتقال به حالت ابررسانایی افزایش سه برابر داشت. و واضح بود كه انقلاب ابررسانا ها هنوز شروع شده است. یك جشن برای بوجود آمدن این فصل در علم فیزیك طی یك جلسه در نیویورك توسط انجمن فیزیك دانان آمریكایی در یك بعد از ظهر یكی از روزهای مارس 1987 برگزار شد. این جشن 3000 شركت كننده داشت و 3000 نفر نیز این جشن را از طریق تلویزیون مشاهده می كردند ...

در طول شش سال بعد، چند خانواده ی دیگر از ابررسانا ها كشف شدند، كه شامل سیستمهای مبنی بر -Tl و -Hg می باشند، كه به ترتیب دارای حداكثر 120 كلوین و 160 كلوین می باشند. همگی آنها یك ویژگی كه موجب روی دادن ابررسانایی دمای بالا بود، داشتند، وجود پلین های (planes) شامل اتم های O و Cu ی كه جدا شده بوسیله ی مواد پل كننده ای كه به عنوان حامل بار عمل می كنند هستند. در طی این مدت، حدود چند هزار مقاله در رابطه با ابررسانا ها منتشر گشت (و در زمان حاضر هم منتشر می شود) بدیهی گشت كه ابررسانایی دمای بالا وابسته به مسائل بزرگ فیزیك بسیاری در طول دهه ی گذشته ی این قرن بود. حداقل چهار دلیل برای علاقه ی شدید به بالا وجود دارد : یك علاقه ی علمی ذاتی و باطنی، طبیعت انتقال نظم و ترتیبی، (این به حدود جدا كننده ی دانشمندان و شیمی دان های مواد از طریق فیزیكدان های نظری و تجربی می رسد) ؛ كاربردهای بالقوه برای مواد ی كه دردماهای بالاتر از 77 كلوین (دمایی كه نیتروژن مایع می شود) به عنوان ابررسانا عمل می كنند، كاربردهایی كه می توان در سیستم های تلفن سلولی اعمال كرد، خطوط انتقال ابررسانایی، ماشین های MRI استفاده كنند از مغناطیس های بالا، میكروویو های استفاده كننده از مواد ابررسانای جدید، سیستم های ابررسانا/نیمه رسانای هیبریدی؛ و در آخر پیدا كردن ابررسانای دمای اتاق.

برخی مشخصه ها و خواص ابررسانا های جدید عبارتند از اینكه آن ها سرامیك، و اكسید های ورقه ورقه می باشند كه در دمای اتاق فلزات ضعیف و بی ارزشی هستند، و مواد متفاوتی برای كار كردن هستند. شامل كمی حامل بار در مقایسه با فلزات معمولی هستند، و خواص انیسوتوروپیك (Anisotropic) الكتریكی و مغناطیسی هستند كه بطور قابل ملاحظه ای حساس به محتوای اكسیژن می باشند. در حالی كه، نمونه های ابررسانای مواد 1-2-3 ، Yba2Cu3O7 ، را یك دانش آموز دبیرستانی نیز می تواند در یك اجاق میكروویو تولید كند، كریستال های یكتای دارای درجه ی خلوص بالا برای تشخیص خواص فیزیكی ذاتی موادی كه ساختن آن ها به طور خیلی زیادی سخت است، لازم است.

در ادامه ی یك دهه كار، یك وفاق عمومی بر سر این موضوع وجود دارد كه رفتار تحریكات ابتدائی در پلین های (planes) ، Cu-O یك كلید برای درك خواص حالت عادی این ابررساناها ارائه می دهد، و اینكه آن خاصیت غیر حالت عادی شبیه به حالت عادی ابررساناهای معمولی و دمای پایین می باشند. همانطور كه می توان در جدول زیر مشاهده كرد، هم پاسخ بار (charge respons) - (اندازه گیری شده در مشاهدات نوری و انتقالی) و هم پاسخ اسپین (اندازه گیری شده در مشاهدات قابلیت ایستا، تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) و مشاهدات متفرق ساختن غیر الاستیك نوتورون ها (INS)) مواد بالا بسیار متفاوت از همتاهای دمای پایین خود می باشند.

علاوه بر این، اساسا هیچ یك از خواص حالت ابررسانایی ، با خواص یك ابررسانای عادی یكی نیست، كه در آن جفت كردن BCS در حالت خط واحد اتفاق می افتد و شكاف انرژی ذرات quasi در دماهای پائین و ایزوتپریك، هنگامی كه یكی حول سطح فرمی حركت می كند، محدود می باشد. علی رغم این حقیقت كه چیزی نسبتا جدید و متفاوت نیاز است تا رفتار حالت عادی را درك كنیم، یك توافق و اجماع وجود دارد كه تئوری BCS ، اگر بطور مناسبی تغییر یابد، یك توضیح راضی كننده برای انتقال به حالت ابررسانایی و خواص مواد در آن حالت، می دهد .

یك توافق تقریبی همچنین در رابطه با اجزای سازنده ی پایه ی لازم برای درك ابررساناهای دمای بالا وجود دارد. آن ها را می توان به صورت زیر خلاصه كرد :

عمل ابتدا در پلین های Cu-O رخ می دهد، پس در تخمین اول، برای متمركز كردن هم توجه نظری و هم عملی روی رفتار تحریكات پلانار، و همچنین برای متمركز كردن بر روی دو سیستم مطالعه شده ، سیستم 1-2-3 (YBa2Cu3O7-m) و سیستم 2-1-4 (La2-mSrmCuO4) ، كفایت می كند.

در دماهای پائین هر دو سیستم عایق های آنتی فرو مغناطیس می باشند با یك آرایه ی محلی +Cu2 كه علامت آن در داخل شبكه متناوبا عوض می شود .

شخصی سوراخ هایی را بر روی پلین های Cu-O سیستم 1-2-3 با تزریق اكسیژن ایجاد می كند، برای سیستم 2-1-4 این كار با تزریق استرونتیوم انجام می گیرد. سوراخ های حاصل روی مقر پلانار اكسیژن ، با اسپین های نزدیك +Cu2 پیوند پیدا می كنند، و حركت را برای دیگر اسپین های +Cu2 آسان می سازد، و در روند، نابود كردن همبستگی های AF طولانی برد در عایق.

اگر كسی حفره های كافی را ایجاد كند، سیستم حالات پایه ی خود را از یك عایق به یك ابررسانا تغییر می دهد.

در حالت عادی مواد ابررسانا ، اسپین های +Cu2 سیار، اما محلی یك مایع فرمی غیر مرسوم را تشكیل می دهند ، با اسپین های quasiparticle های نشان دهنده ی ارتباطات AF قوی، حتی برای سیستم های در سطح تخدیر كه از حدی كه ماكزیمم می باشد، تجاوز می كند ، موادی كه با نام فرا-تخدیر شناخته می شوند. اگر چه هیچ توافقی بین تئوریسین ها بر سر این كه چگونه یك توضیح نظریه ای دارای جزئیات برای curpate ها ارائه كنند. راهكرد هایی كه برای اینكار امتحان شد، را می توان به از پایین به بالا- یا از بالا به پایین رده بندی كرد. در راهكرد از بالا به پائین، یكی مدلی را كه از قبل وجود داشته را انتخاب می كند و راه حل هایی برای انتخاب های دیگر پارامترهای مدل را توسعه می دهد ، سپس تست می كند كه آیا این راه حل به نتایج منطبق بر شواهد و تجربیات رسیده اند یا نه. در یك راهكرد از پائین به بالا، یك از نتایج تجربی آغاز می كند و تلاش می كند تا یك توضیح پدیده ای از یك زیر مجموعه از نتایج تجربی را بدست آورد. سپس چند آزمایش دیگر را متناسب با توضیح بدست آمده انجام می دهد ، با ترتیب میكروسكوپی برای هر آزمایش، تا اینكه به نتایج مورد انتظار از محاسبات و مشاهدات دست بیابد. و فقط آن وقت، بدنبال یك مدل همیلتونی كه راه حلش ممكن است تئوری میكروسكوپی كامل را ارائه دهد، بگردد و جستجو كند. Jonh Bardeen از این راهكرد دوم برای كار كردن بر روی ابررساناهای عادی و مرسوم استفاده كرد ، و در دانشگاه اوربانا از روش و راهكرد او برای كار برروی ابررسانای دمای بالا استفاده كردند.

منبع :superconductivity.persianblog.com & mollasadra


منبع : khayam.persianblog.com

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :