M.A.H.S.A
08-10-2011, 11:54 AM
ابررسانايي پديده‌ای است که در دماهای بسيار پايين برای برخی از مواد رخ می‌دهد. در حالت ابررسانايی مقاومت الکتريکی ماده صفر می‌شود و ماده خاصيت ديامغناطیس کامل پيدا می‌کند، يعنی ميدان مغناطيسی را از درون خود طرد می‌کند. طرد ميدان مغناطيسی تنها تفاوت اصلی ابررسانا با رسانای کامل است، زيرا در رسانای کامل انتظار می‌رود ميدان مغناطيسی ثابت بماند، در حالی که در ابررسانا ميدان مغناطيسی همواره صفر است.
http://www.akairan.com/images2/maghalat_1/abarresanaii.jpg
مقاومت الکتريکی يک رسانای فلزی به تدريج با کاهش دما کم می‌شود.http://up.iranblog.com/Files1/877a2e903780465eb1cd.jpg در رساناهای معمولی مثل مس و نقره، وجود ناخالصی و مشکلات ديگر اين روند را کند می‌کند. به طوری که حتی در صفر مطلق هم نمونه‌های معمول مس همچنان مقاومت الکتريکی کمی دارند. در مقابل ابررساناها موادی هستند که اگر دمايشان از يک دمای بحرانی کمتر شود، ناگهان مقاومت الکتريکی خود را از دست می‌دهند. جريانی از الکتريسيته در يک حلقه ابررسانا می‌تواند برای مدت نامحدودی بدون وجود مولد جريان وجود داشته باشد. ماننده پديده فرومغناطيس و خطوط طيفی اتم‌ها، ابررسانايی نيز پديده‌ای کوانتومی است و نمی‌توان آن را با فيزيک کلاسيک به مانند يک رسانای مطلوب توصيف کرد.
تاريخچه :
در سال 1911 ، H. Kamerlingh-Onnes هنگام کار کردن در آزمايشگاه دمای پايين خود کشف کرد که در دمای چند درجه بالای صفر مطلق ، جريان الکتريسيته می‌تواند بدون هيچ اتلاف اختلاف پتانسيل در فلز جيوه جريان پيدا کند. او اين واقعه منحصر به فرد را "ابررسانايی" (Superconductivity) ناميد. هيچ نظريه‌ای برای توضيح اين رخداد در طول پنجاه و شش سال بعد از کشف ارائه نگرديد. تا وقتی که در 1957 ، در دانشگاه الينويس ، سه فيزيکدان: John Bardeen ، Leon Cooper و Robert Schrieffer نظريه ميکروسکوپی خود ارائه کردن که بعدا با نام تئوری BCS(حروف ابتدايی نام محققان) شناخته شد. سومين رخداد مهم در تاريخ ابررسانايی در سال 1986 اتفاق افتاد، وقتی که George Bednorz و Alex Mueller در حال کار کردن در آزمایشگاه IBM نزديک شهر زوريخ سوئيس ،يك کشف مهم ديگر کردند:
ابررسانايی در دماهای بالاتر از دماهايی که قبلا برای ابررسانايی شناخته شده بودند در فلزاتی کاملا متفاوت از آنچه قبلا فلز ابررسانا شناخته می‌شود. اين کشف باعث ايجاد زمينه جديدی در علم فيزیک شد: مطالعه ابررسانايی دمای بالا.
ابررساناهای مرسوم
در سخنرانی نوبل در سال 1913 ، Kammerlingh-Onnes گزارش داد که "جيوه در 4.2 درجه کلوين به حالت جديدی وارد می‌شود، حالتی که با توجه به خواص الکتريکی آن ، می‌تواند ابررسانايی نام بگيرد. او گزارش داد که اين حالت می‌تواند بوسيله اعمال ميدان مغناطيسی به اندازه کافی بزرگ از بين برود. در حالی که يک جريان القاء شده در يک حلقه بسته ابررسانا به مدت زمان فوق العاده زيادی باقی می‌ماند و از بين نمی‌رود. او اين رخداد را بطور عملی با آغازيك جريان ابررسانايی در يک سيم پيچ در آزمايشگاه ليدن و سپس حمل سيم پيچ همراه با سرد کننده‌ای که آن را سرد نگه می‌داشت به دانشگاه کمبريج به عموم نشان داد.
اين موضوع که ابررسانايی مسأله‌ای به اين مشکلی ارائه کرد که 46 سال طول کشيد تا حل شود، خيلی شگفت آور میباشد. دليل اول اين می‌تواند باشد که جامعه فيزيک تا حدود بيست سال مبانی علمی لازم برای ارائه راه حل برای اين مسئله را نداشت: تئوری کوانتوم فلزات معمولی. دوم اينکه ، تا سال 1934 هيچ آزمايش اساسی در اين زمينه انجام نشد. سوم اينکه ، وقتی مبانی عملی لازم بدست آمد، به زودی واضح شد انرژی مشخصه وابسته به تشکيل ابررسانايی بسيار کوچک میباشد، حدود يک ميليونيم انرژی الکترونيکی مشخصه حالت عادی. بنابراين ، نظريه پردازان توجه‌شان را به توسعه يک تفسير رويدادی از جريان ابررسانايی جلب کردند. اين مسير را Fritz London رهبری می‌کرد. کسی که در سال 1953 به نکته زير اشاره کرد:
"ابررسانايی يک پديده کوانتومی در مقياس ماکروسکوپی میباشد ... با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحريک شده بوسيله وقفه‌های زمانی." و اينکه "diamagntesim يک مشخصه بنيادی میباشد."
مبانی علمی کوانتومی ابررسانايی
الکترونها در فلز در پتانسيل متناوب توليد شده از نوسان يونها حول وضعيتشان حرکت می‌کنند. حرکت يونها را می‌توان بوسيله مدهای جمعی کوانتيزه شده آنها ، فونونها توجيه کرد. سپس در طی توسعه نظريه کوانتوم ، نظريه پاولی اصل انفجار وجود دارد، که معنای آن بيانگر مفهوم آن است و آن اينکه - الکترونها به صورت اسپين نيمه کامل ذاتی (half integral intrinsic spin) قرار می‌گيرند، و در نتيجه هيچ الکترونی نمی‌تواند طوری قرار بگيرد که عدد کوانتوم آنها باهم يکی باشد. ذراتی که به صورت اسپين نيمه کامل ذاتی قرار می‌گيرند با نام فرميونها (fermions) شناخته می‌شوند، بخاطر گرامی داشت کارهای فرمی (Fermi) که ، همراه با ديراک (Dirac) ، نظريه آماری رفتار الکترون در دماهای محدود را توسعه دادند، اين تئوری با نام Fermi-Diac statistics شناخته می‌شود. در توضيح فضای اندازه حرکت يک فلز ساده ، حالت پايه يک کره در فضای اندازه‌ی حرکت میباشد، که اندازه‌ی شعاع آن ، pf بوسيله‌ی چگالی فلز تعيين می‌گردد.
انرژی خارجی ترين الکترونها ، در مقايسه با انرژی گرمايی ميانگين آنها ، Kt بسيار بزرگ میباشد. به عنوان نتيجه ، تنها بخش کوچکی از الکترونها ، در بالاتر از حالت پايه تحريک می‌شوند. الکترونها باهم ديگرقانون کلمب) و با فونونها تعامل می‌کنند و رابطه دارند. تحريکات ابتدائی آنها ذرات (quasi ، (quasiparticles می‌باشند، الکترونها به اضافه ابر الکترونی وابسته به آنها و فونونهايی که هنگام حرکت از ميان شبکه الکترون را همراهی می‌کند. يک بحث و مذاکره ابتدائی نشان می‌دهد که طول عمريك quasiparticle تحريک شده بالای سطح فرمی (سطح کره فرمی) تقريبا برابر میباشد. مسأله و مشکلی که برای نظريه پردازان در رابطه با اين مسأله پيش آمده ، فهم چگونگی تحمل پذيری الکترونهای تعامل کننده هنگام رفتن به حالت ابررسانايی میباشد. اين امر چگونه انجام می‌شود؟ توضيح رياضی مناسب برای اين امر چه میباشد؟
يک کليد راهنمای بسيار لازم در سال 1950 ميلادی بدست آمد، وقتی محققان در Nationa Bearue of Standards و دانشگاه روتگرز کشف کردند که دمای انتقال به حالت ابررسانايی سرب بستگی به جرم ايزوتوپ آن ، يعنی M ، دارد و رابطه عکس با M1/2 دارد. از آنجايی که انرژی لرزشی شبکه‌ای همان بستگی را با M1/2 دارد، کوانتای پايه ی آنها، فونونها ، بايد نقشی در ظهور و ايجاد حالت ابررسانايی بازی کند. در سالهای بعدی ، Herber Frohlich ، که از پوردو از دانشگاه ليورپول بازديد می‌کرد، و John Bardeen کسی که آن زمان در آزمايشگاههای بل کار می‌کرد، تلاش کردند نظريه‌ای با استفاده از تعامل الکترونها و فونونها ارائه بدهند، ولی شکست خوردند و موفق نشدند. کار انجام شده توسط آنها را می‌توان به کمک دياگرامهای معرفی شده توسط ريچارد فاينمن به تصوير کشيد.
سپس Frohlich احتمال دوم را در نظر گرفت، حالتی که در آن يک الکترون يک فونون را آزاد می‌کند و الکترون دومی آن فونون را جذب می‌کند. اين تعامل فونون القايی می‌تواند برای الکترونهای نزديک سطح فرمی جذاب باشد. اين يک معادله فلزی waterbed میباشد: دو شخص که يك waterbed را به اشتراک می‌گذارند، تمايل دارند تا به مرکز آن جذب شوند، همان طوری که روند القاء الکترونها را جذب می‌کند. (يک شخص تو رفتگی را در waterbed القاء می‌کند، تو رفتگيی که شخص دوم را جذب می‌کند.) تعامل مطالعه شده توسط Frohlich در نگاه جذاب و زيبا به نظر می‌رسد، که هم جديد بود و هم ذاتا تناسب درستی با جرم ايزوتوپی M داشت.
اگر چه مشکلی بزرگ در درک چگونگی نقش بازی کردن آن وجود داشت، از آنجا که تعامل پايه‌ای کلمب (Coulomb) بين الکترونها دفع کننده میباشد، و خيلی قوی‌تر میباشد. همانطور که لاندائو (Laundau) قرار داد: "شما نمی‌توانيد قانون کولمب را لغو کنید." اين اشکالی بود که John Bardeen و نويسنده این مقاله ، ديويد پاينس (David Pines) (هنگامی که اولين دانشجوی دکترا در دانشگاه ايليونيس در سالهای 1952-1955 بود) ، آن را مورد انتقاد قرار دادند. چيزی که آنها پيدا کردند، بوسيله‌ی توسعه يک راهبرد که David Bohm و David Pines قبلا برای فهم تعاملهای جفت الکترونها در فلزات توسعه داده بودند، اين بود که "پيام ، متوسط است " ("The Medium is the message"). وقتی آنها اثر رويه به پرده در آوردن الکترونيکی (Electronic Screening) روی هر دو تعامل الکترون-الکترون و الکترون-آهن را در نظر گرفتند، فهميدند که حضور جزء تشکيل دهنده دومی ، يونها ، يک تعامل جذاب شبکه‌ای را بين يک جفت الکترون که تفاوت انرژی آنها از انرژی يک فونون بنيادين کمتر میباشد، ممکن می‌سازد.
که در آن ثابت دی الکتريک استاتيک وابسته به watervector میباشد، انرژی فونون میباشد، q انتقال اندازه‌ی حرکت میباشد، و تفاوت بين انرژی الکترونها میباشد. ترتيب‌ها آن به صورت جزئی‌تر توسط Leon Cooper مطالعه شده است. او فهميد که به خاطر اين جذابيت شبکه‌ای ، سطح فرمی حالت عادی می‌تواند در دماهای پائين به تشکيل جفت الکترونهایی با اسپين و اندازه حرکت مخالف ، بی ثبات شود. با کار او ، راه حلی برای ابررسانايی نزدیک بود. در سال 1957 ميلادی ، هنگامی که Bob Schrieffer ، کسی که دانشجوی فارغ التحصيلی Bardeen در دانشگاه اليونيس بود، فهميد که توضيح ميکروسکوپی داوطلب حالت ابررسانایی ، می‌تواند با به کار بردن راهبردی که قبلا برای پلارنها توسعه يافته بود، توسعه یابد.
در هفته‌های بعدی ، Bardeen ، Cooper ، و Schrieffer نظريه‌ی ميکروسکوپی ابررسانايی خود ، تئوری BCS را ارائه دادند. که اين تئوری در توضيح و تفسير رويدادهای ابررسانايی موجود و همچنين در پيش گويی رويداد های جديد بسيار موفق بود. در جولای 1959 ، در اولين کنفرانس عظيم در رابطه با ابررسانايی بعد از ارائه نظريه ی BCS ، (در دانشگاه کمبریج) ، David Schoenberg کنفرانس را با اين جمله آغاز کرد : "حالا ببينيم تا چه حدی مشاهدات با حقايق نظری جور در می‌آيند ...".
خواص ابررساناها
بيشتر خواص ابررساناها از ماده‌ای به ماده ديگر تغيير می کند. خواصی مانند ظرفيت گرمايی و دمای بحرانی. اما گذشته از اين‌ها، دسته خاصی از خواص تمام ابر رساناها مشترک است، از جمله اين که در دماهای بسيار پايين، مقاومت خود را به کلی دربرابر جريان از دست می‌دهند و همچنين ديگر هيچ ميدان مغناطيسی داخلی در آنها وجود نخواهد داشت. با توجه به چنين خواص مشترکی می‌توان ابررسانايی را يک فاز(ماده)فاز ترموديناميکی برای ماده دانست. ابررسانا شدن را می‌توان گذار فازی به فاز ديگر قلمداد کرد. چيزی همانند تغيير حالت آب از مايع به گاز و يا برعکس.
گذار به فاز ابررسانايی
در مواد ابررسانا، پديده ابررسانايی زمانی ظهور می‌کند که دمای ماده، T از مقدار بحرانی، Tc کمتر شود. مقدار دمای بحرانی از ماده‌ای به ماده ديگر متفاوت است. دمای بحرانی ابررساناهای معمول چيزی بين ۲۰ کلوین تا زير يک کلوين است. برای نمونه، دمای بحرانی جيوه ی جامد ۴٫۲ کلوين است ولی دمای بحرانی منيزيم دي بوريد ۳۹کلوين است. گرچه اين ماده خواصی چنان دارد که نمی‌بايست آن را در دسته ابررساناهای معمول جای داد. ابررساناهای ترکيبی می‌توانند دمايی بحرانی بسيار بالاتری داشته باشند. برای مثال YBa۲Cu۳O۷ ابررسانايی است که دمای بحرانی آن ۹۲ کلوين است و درواقع اولين ابررسانای دمای بالا بود که کشف شد. همچنين ابررساناهای دمای بالای ديگری بر پايه جيوه کشف شده‌اند که دمای بحرانی آنها نزديک ۱۴۰ کلوين است. هنوز هيچ نظريه‌ای قادر به توضيح چگونگی پديد آمدن ابررساناهای دمای بالا نبوده‌است. تعويض فونون می‌تواند نوع عملکرد ابررساناهای معمول را توضيح دهد اما برای ابررساناهای با دمای بحرانی بسيار بالا نمی‌توان از اين تئوری هم استفاده کرد.
شروع پديده ابررسانايی با تغييرات زيادی در خواص فيزيکی ماده همراه است که به همين سبب آن را فاز جديدی می‌نامند. برای مثال ظرفيت گرمايی ماده از قوانينی تبعيت می‌کند که در زمان ابررسانا نبودن ماده وجود دارند. در گذر به فاز ابررسانايی، ظرفيت گرمايی ماده ناگهان پرشی با بالا می‌کند و سپس به صورت خطی کم و کمتر می‌شود تا به کلی از بين برود. در دمای پايين اين تغييرات به صورت است که α در آن ثابت است و اين خود نشان می‌دهد که گاف انرژی وجود دارد. تغيير فاز به ابررسانايی مدت زيادی مورد بحث بين دانشمندان بوده‌است. در حالی که آزمايش‌ها نشان می‌دادند که اين تغيير از مرتبه دوم است، بدين معنی که گرمای نهانی در اين تغيير وجود ندارد، در دهه ۱۹۷۰ محاسبات اين احتمال را مطرح کردند که شايد اين تغيير وضعيت را بتوان با لحاظ کردن نوسانات بلند برد در ميدان مغناطيسی، تغيير فازی نوع اول به حساب آورد. به تازگی با کمک نظريه آشوب است که مشخص شده خطوط مارپيچ ابررسانا در اين بين نقشی عمده دارند و اين گذار حالت برای ابررساناهای نوع دوم گذری از مرتبه دوم و برای ابررساناهای نوع اول، گذری از مرتبه اول است.
ابرسانايی نوع ۱ و نوع ۲
اگر ميدان مغناطيسی خيلی قوی باشد، اثر مايسنر از بين می‌رود. همين پديده ابررساناها را به دو نوع تقسیم می‌کند: در ابررساناهای نوع ۱ (Type I) اگر ميدان مغناطيسی از يک حد آستانه (Hc) بيشتر شود، ابرسانايی ناگهان از بين می‌رود. بسته به شکل هندسی نمونه، ممکن است حالت‌های ميانی‌ای هم ايجاد شوند که در آن ناحيه‌های عادی (که در آنها ميدان وجود دارد) و ناحيه‌های ابرسانا (که ميدان درون‌شان صفر است) هم‌زمان وجود داشته باشند. در ابررساناهای نوع ۲ (Type II) اگر ميدان مغناطيسی از حد Hc1 بيشتر شود، حالت مخلوطی ايجاد می‌شود که در آن شار مغناطيسی روبه‌افزايشی از ماده می‌گذرد، ولی مقاومت ماده، اگر جريان خيلی زياد نباشد، همچنان صفر باقی می‌ماند. در حد دوم از ميدان مغناطيسی Hc2 ابررسانايی از بين می‌رود.
بيشتر ابررساناهايی که عنصر ساده هستند (به جز نيوبيوم، تکنسيوم، واناديوم و نانولوله‌های کربنی) نوع ۱ هستند، و تقريباً همهٔ ابررساناهای ناخالص و ترکيبی نوع ۲ هستند.
زمانی که يک ابررسانا در يک ميدان مغناطيسی ضعيف خارجی قرار می‌گيرد. میدان فقط به مقدار ناچيز λ در داخل ابررسانا نفوذ کند که به آن عمق نفوذ لندن (London penetration depth) می‌نامند که با گذشت زمان اين مقدار به صفر می‌رسد. به اين پديده اثر مايسنر می‌گويد. و اين اثر مشخصهٔ ويژهٔ ابررسانا را مشخص می‌کند. برای بيشتر ابررساناها عمق نفوذ لندن تقريباً در حدود ۱۰nm میباشد.
اثر مايسنر در بعضی مواقع گيج کننده میباشد در مقابل انتظاری که از يک رسانای الکتريکی ايده آل می‌رود. مطابق قانون لنز وقتی که تغييرات ميدان بر يک رسانا اعمال می‌شود در هادی جريانی القاء می‌شود که جهت اين ميدان در خلاف جهت ميدان به وجود آورنداش است. در رسانای ايده‌آل جريان بزرگی در هادی القاء می‌شود که نتيجه‌اش خنثی کردن ميدان اصلی میباشد. اثر مايسنر با بحث بالا متفاوت است.فرض کنيد فلزی داريم که در وضعيت عادی است و دارای ميدان مغناطيسی ثابت (داخلی) است. حال آن را سرد می‌کنيم تا به دمای بحرانی برسد در اين زمان ما شاهد از بين رفتن فوری ميدان خواهيم بود. که مطابق قانون لنز چنين انتظاری نمی‌رود.
اثر مايسنر به کمک دو برادر Fritz و Heinz London مطرح شد که نشان دادند که انرژی آزاد الکترومغناطيسی در ابررسانا مينيمم مقدار است.
http://up.iranblog.com/Files1/692f0ae8b4624d67950b.gif
در اين فرمول H ميدان مغناطيسی و λ عمق نفوذ لندن است. معادلهٔ بالا که معادلهٔ لندن نام دارد پيش گويی می‌کند که جدا از ميدان موجود در سطح ميدان مغناطيسی در داخل ابررسانا به صورت تابع نمايی از بين می‌رود. اثر مايسنر در ميدان‌های بسيار بزرگ ديده نمی‌شود.
دسته‌بندی ابررساناها
بنا به گفتهٔ بالا ابررساناها را می‌توان به دو نوع مختلف تقسيم کرد. ابررساناهای نوع ۱ که در آنها خاصيت ابرررسانايی در زمان رسيدن ميدان به مقدار بحرانی Hc ناگهان از بين می‌رود. وابسته به شکل هندسی فلز مورد آزمايش ممکن است ماده به يک وضعيت ديگری برود که در آن هم خاصيت مادهٔ نرمال و هم خاصيت ابررسانايی را به طور مخلوط داشته باشد.
در ابررساناهای نوع۲ افزايش ميدان و رسيدن به مقدار بحرانی Hc۱ ما را به يک وضعیت مختلط می‌رساند که در آن نفوذ شار مغناطيسی با افزايش همراه است ولی همچنان مقاومتی در برابر جريان وجود ندارد تا زمانی که ميدان بيش از حد بزرگ شود در ميدان بحرانی دوم Hc۲ ابررسانا از بين می‌رود.
کاربردها
ابررساناهای دمای پايين امروزه در ساخت آهنرباهای ويژه طيف سنجهای رزونانس مغناطيسی هسته، رزونانس مغناطيسی برای مقاصد تشخيص طبی، شتاب دهنده ذره‌ها، ترنهای سريع مغناطيسی و انواع ابزارهای رسانايی الکترونيکی بکار می‌رود. اما برای اينکه ابررساناهای دمای بالا در کاربردهای ميدان مغناطيسی در دمای بالا رقابت کنند، هنوز زمان لازم دارد، اين بعلت دشواری در توليد انبوه و با کيفيت بالاست. اگر چه در حال حاضر، بازار ابررساناهای دمای بالا رونق کمی دارد، گمان می‌رود که در خلال دو دهه آينده کاربر د آن فراگير و پررونق شود.
آهنرباهای ابررسانا از قوی ترين آهنرباهای الکتريکی موجود در جهان هستند. ار آنها در قطارهای سريع السير برقی و دستگاه‌های MRI و NMR و هدايت کردن ذرات در شتاب دهنده‌ها استفاده می‌شود. همچنين می‌توان به عنوان جدا کننده‌های مغناطيسی در جاهايی که ذرات مغناطيسی ضعيف خارج می‌شود مثلا در صنايع رنگ سازی استفاده شود.
همچنين از ابررساناها در مدارات ديجيتالی نيز استفاده می‌شود به عنوان مثال در ايستگاههای RF و موبايل در ايستگاههای امواج ماکروويو.
از ابررساناها در Josephson junction برای ساختن بلوک‌های ساختمان SQUID استفاده می‌شود. SQUID حساسترين اندازه‌گير امواج مغناطيسی میباشد.
سری ديگردستگاه‌های Josephson برای رديابی فوتون و يا به عنوان ميکسر استفاده می‌شود. از مقاومتهايی که به ابررسانا تبديل می‌شوند نيز در ساختن دماسنج و گرما سنجهای حساس micro-calorimeter ردياب فوتونی استفاده می‌شود.
محققان اميدوارند که در آينده از ابررسانا در ساختن ترانسفورماتورها، وسايل ذخيرهٔ برق، الکتروموتورها، محدود کردن جريان اتصال کوتاه، وسايل شناور مغناطيسی استفاده كنند. اما چون ابررساناها به تغيير و حرکت ميدان مغناطيسی حساسند استفاده از آن ها در برق جريان متناوب مثل ترانسفورماتورها بسيار سخت پيشرفت ميكند ترجيحاً در حيطه کاری جريان مستقيم میباشد.
منابع : http://fa.wikipedia.org/
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara
http://www.akairan.com/images2/maghalat_1/abarresanaii.jpg
مقاومت الکتريکی يک رسانای فلزی به تدريج با کاهش دما کم می‌شود.http://up.iranblog.com/Files1/877a2e903780465eb1cd.jpg در رساناهای معمولی مثل مس و نقره، وجود ناخالصی و مشکلات ديگر اين روند را کند می‌کند. به طوری که حتی در صفر مطلق هم نمونه‌های معمول مس همچنان مقاومت الکتريکی کمی دارند. در مقابل ابررساناها موادی هستند که اگر دمايشان از يک دمای بحرانی کمتر شود، ناگهان مقاومت الکتريکی خود را از دست می‌دهند. جريانی از الکتريسيته در يک حلقه ابررسانا می‌تواند برای مدت نامحدودی بدون وجود مولد جريان وجود داشته باشد. ماننده پديده فرومغناطيس و خطوط طيفی اتم‌ها، ابررسانايی نيز پديده‌ای کوانتومی است و نمی‌توان آن را با فيزيک کلاسيک به مانند يک رسانای مطلوب توصيف کرد.
تاريخچه :
در سال 1911 ، H. Kamerlingh-Onnes هنگام کار کردن در آزمايشگاه دمای پايين خود کشف کرد که در دمای چند درجه بالای صفر مطلق ، جريان الکتريسيته می‌تواند بدون هيچ اتلاف اختلاف پتانسيل در فلز جيوه جريان پيدا کند. او اين واقعه منحصر به فرد را "ابررسانايی" (Superconductivity) ناميد. هيچ نظريه‌ای برای توضيح اين رخداد در طول پنجاه و شش سال بعد از کشف ارائه نگرديد. تا وقتی که در 1957 ، در دانشگاه الينويس ، سه فيزيکدان: John Bardeen ، Leon Cooper و Robert Schrieffer نظريه ميکروسکوپی خود ارائه کردن که بعدا با نام تئوری BCS(حروف ابتدايی نام محققان) شناخته شد. سومين رخداد مهم در تاريخ ابررسانايی در سال 1986 اتفاق افتاد، وقتی که George Bednorz و Alex Mueller در حال کار کردن در آزمایشگاه IBM نزديک شهر زوريخ سوئيس ،يك کشف مهم ديگر کردند:
ابررسانايی در دماهای بالاتر از دماهايی که قبلا برای ابررسانايی شناخته شده بودند در فلزاتی کاملا متفاوت از آنچه قبلا فلز ابررسانا شناخته می‌شود. اين کشف باعث ايجاد زمينه جديدی در علم فيزیک شد: مطالعه ابررسانايی دمای بالا.
ابررساناهای مرسوم
در سخنرانی نوبل در سال 1913 ، Kammerlingh-Onnes گزارش داد که "جيوه در 4.2 درجه کلوين به حالت جديدی وارد می‌شود، حالتی که با توجه به خواص الکتريکی آن ، می‌تواند ابررسانايی نام بگيرد. او گزارش داد که اين حالت می‌تواند بوسيله اعمال ميدان مغناطيسی به اندازه کافی بزرگ از بين برود. در حالی که يک جريان القاء شده در يک حلقه بسته ابررسانا به مدت زمان فوق العاده زيادی باقی می‌ماند و از بين نمی‌رود. او اين رخداد را بطور عملی با آغازيك جريان ابررسانايی در يک سيم پيچ در آزمايشگاه ليدن و سپس حمل سيم پيچ همراه با سرد کننده‌ای که آن را سرد نگه می‌داشت به دانشگاه کمبريج به عموم نشان داد.
اين موضوع که ابررسانايی مسأله‌ای به اين مشکلی ارائه کرد که 46 سال طول کشيد تا حل شود، خيلی شگفت آور میباشد. دليل اول اين می‌تواند باشد که جامعه فيزيک تا حدود بيست سال مبانی علمی لازم برای ارائه راه حل برای اين مسئله را نداشت: تئوری کوانتوم فلزات معمولی. دوم اينکه ، تا سال 1934 هيچ آزمايش اساسی در اين زمينه انجام نشد. سوم اينکه ، وقتی مبانی عملی لازم بدست آمد، به زودی واضح شد انرژی مشخصه وابسته به تشکيل ابررسانايی بسيار کوچک میباشد، حدود يک ميليونيم انرژی الکترونيکی مشخصه حالت عادی. بنابراين ، نظريه پردازان توجه‌شان را به توسعه يک تفسير رويدادی از جريان ابررسانايی جلب کردند. اين مسير را Fritz London رهبری می‌کرد. کسی که در سال 1953 به نکته زير اشاره کرد:
"ابررسانايی يک پديده کوانتومی در مقياس ماکروسکوپی میباشد ... با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحريک شده بوسيله وقفه‌های زمانی." و اينکه "diamagntesim يک مشخصه بنيادی میباشد."
مبانی علمی کوانتومی ابررسانايی
الکترونها در فلز در پتانسيل متناوب توليد شده از نوسان يونها حول وضعيتشان حرکت می‌کنند. حرکت يونها را می‌توان بوسيله مدهای جمعی کوانتيزه شده آنها ، فونونها توجيه کرد. سپس در طی توسعه نظريه کوانتوم ، نظريه پاولی اصل انفجار وجود دارد، که معنای آن بيانگر مفهوم آن است و آن اينکه - الکترونها به صورت اسپين نيمه کامل ذاتی (half integral intrinsic spin) قرار می‌گيرند، و در نتيجه هيچ الکترونی نمی‌تواند طوری قرار بگيرد که عدد کوانتوم آنها باهم يکی باشد. ذراتی که به صورت اسپين نيمه کامل ذاتی قرار می‌گيرند با نام فرميونها (fermions) شناخته می‌شوند، بخاطر گرامی داشت کارهای فرمی (Fermi) که ، همراه با ديراک (Dirac) ، نظريه آماری رفتار الکترون در دماهای محدود را توسعه دادند، اين تئوری با نام Fermi-Diac statistics شناخته می‌شود. در توضيح فضای اندازه حرکت يک فلز ساده ، حالت پايه يک کره در فضای اندازه‌ی حرکت میباشد، که اندازه‌ی شعاع آن ، pf بوسيله‌ی چگالی فلز تعيين می‌گردد.
انرژی خارجی ترين الکترونها ، در مقايسه با انرژی گرمايی ميانگين آنها ، Kt بسيار بزرگ میباشد. به عنوان نتيجه ، تنها بخش کوچکی از الکترونها ، در بالاتر از حالت پايه تحريک می‌شوند. الکترونها باهم ديگرقانون کلمب) و با فونونها تعامل می‌کنند و رابطه دارند. تحريکات ابتدائی آنها ذرات (quasi ، (quasiparticles می‌باشند، الکترونها به اضافه ابر الکترونی وابسته به آنها و فونونهايی که هنگام حرکت از ميان شبکه الکترون را همراهی می‌کند. يک بحث و مذاکره ابتدائی نشان می‌دهد که طول عمريك quasiparticle تحريک شده بالای سطح فرمی (سطح کره فرمی) تقريبا برابر میباشد. مسأله و مشکلی که برای نظريه پردازان در رابطه با اين مسأله پيش آمده ، فهم چگونگی تحمل پذيری الکترونهای تعامل کننده هنگام رفتن به حالت ابررسانايی میباشد. اين امر چگونه انجام می‌شود؟ توضيح رياضی مناسب برای اين امر چه میباشد؟
يک کليد راهنمای بسيار لازم در سال 1950 ميلادی بدست آمد، وقتی محققان در Nationa Bearue of Standards و دانشگاه روتگرز کشف کردند که دمای انتقال به حالت ابررسانايی سرب بستگی به جرم ايزوتوپ آن ، يعنی M ، دارد و رابطه عکس با M1/2 دارد. از آنجايی که انرژی لرزشی شبکه‌ای همان بستگی را با M1/2 دارد، کوانتای پايه ی آنها، فونونها ، بايد نقشی در ظهور و ايجاد حالت ابررسانايی بازی کند. در سالهای بعدی ، Herber Frohlich ، که از پوردو از دانشگاه ليورپول بازديد می‌کرد، و John Bardeen کسی که آن زمان در آزمايشگاههای بل کار می‌کرد، تلاش کردند نظريه‌ای با استفاده از تعامل الکترونها و فونونها ارائه بدهند، ولی شکست خوردند و موفق نشدند. کار انجام شده توسط آنها را می‌توان به کمک دياگرامهای معرفی شده توسط ريچارد فاينمن به تصوير کشيد.
سپس Frohlich احتمال دوم را در نظر گرفت، حالتی که در آن يک الکترون يک فونون را آزاد می‌کند و الکترون دومی آن فونون را جذب می‌کند. اين تعامل فونون القايی می‌تواند برای الکترونهای نزديک سطح فرمی جذاب باشد. اين يک معادله فلزی waterbed میباشد: دو شخص که يك waterbed را به اشتراک می‌گذارند، تمايل دارند تا به مرکز آن جذب شوند، همان طوری که روند القاء الکترونها را جذب می‌کند. (يک شخص تو رفتگی را در waterbed القاء می‌کند، تو رفتگيی که شخص دوم را جذب می‌کند.) تعامل مطالعه شده توسط Frohlich در نگاه جذاب و زيبا به نظر می‌رسد، که هم جديد بود و هم ذاتا تناسب درستی با جرم ايزوتوپی M داشت.
اگر چه مشکلی بزرگ در درک چگونگی نقش بازی کردن آن وجود داشت، از آنجا که تعامل پايه‌ای کلمب (Coulomb) بين الکترونها دفع کننده میباشد، و خيلی قوی‌تر میباشد. همانطور که لاندائو (Laundau) قرار داد: "شما نمی‌توانيد قانون کولمب را لغو کنید." اين اشکالی بود که John Bardeen و نويسنده این مقاله ، ديويد پاينس (David Pines) (هنگامی که اولين دانشجوی دکترا در دانشگاه ايليونيس در سالهای 1952-1955 بود) ، آن را مورد انتقاد قرار دادند. چيزی که آنها پيدا کردند، بوسيله‌ی توسعه يک راهبرد که David Bohm و David Pines قبلا برای فهم تعاملهای جفت الکترونها در فلزات توسعه داده بودند، اين بود که "پيام ، متوسط است " ("The Medium is the message"). وقتی آنها اثر رويه به پرده در آوردن الکترونيکی (Electronic Screening) روی هر دو تعامل الکترون-الکترون و الکترون-آهن را در نظر گرفتند، فهميدند که حضور جزء تشکيل دهنده دومی ، يونها ، يک تعامل جذاب شبکه‌ای را بين يک جفت الکترون که تفاوت انرژی آنها از انرژی يک فونون بنيادين کمتر میباشد، ممکن می‌سازد.
که در آن ثابت دی الکتريک استاتيک وابسته به watervector میباشد، انرژی فونون میباشد، q انتقال اندازه‌ی حرکت میباشد، و تفاوت بين انرژی الکترونها میباشد. ترتيب‌ها آن به صورت جزئی‌تر توسط Leon Cooper مطالعه شده است. او فهميد که به خاطر اين جذابيت شبکه‌ای ، سطح فرمی حالت عادی می‌تواند در دماهای پائين به تشکيل جفت الکترونهایی با اسپين و اندازه حرکت مخالف ، بی ثبات شود. با کار او ، راه حلی برای ابررسانايی نزدیک بود. در سال 1957 ميلادی ، هنگامی که Bob Schrieffer ، کسی که دانشجوی فارغ التحصيلی Bardeen در دانشگاه اليونيس بود، فهميد که توضيح ميکروسکوپی داوطلب حالت ابررسانایی ، می‌تواند با به کار بردن راهبردی که قبلا برای پلارنها توسعه يافته بود، توسعه یابد.
در هفته‌های بعدی ، Bardeen ، Cooper ، و Schrieffer نظريه‌ی ميکروسکوپی ابررسانايی خود ، تئوری BCS را ارائه دادند. که اين تئوری در توضيح و تفسير رويدادهای ابررسانايی موجود و همچنين در پيش گويی رويداد های جديد بسيار موفق بود. در جولای 1959 ، در اولين کنفرانس عظيم در رابطه با ابررسانايی بعد از ارائه نظريه ی BCS ، (در دانشگاه کمبریج) ، David Schoenberg کنفرانس را با اين جمله آغاز کرد : "حالا ببينيم تا چه حدی مشاهدات با حقايق نظری جور در می‌آيند ...".
خواص ابررساناها
بيشتر خواص ابررساناها از ماده‌ای به ماده ديگر تغيير می کند. خواصی مانند ظرفيت گرمايی و دمای بحرانی. اما گذشته از اين‌ها، دسته خاصی از خواص تمام ابر رساناها مشترک است، از جمله اين که در دماهای بسيار پايين، مقاومت خود را به کلی دربرابر جريان از دست می‌دهند و همچنين ديگر هيچ ميدان مغناطيسی داخلی در آنها وجود نخواهد داشت. با توجه به چنين خواص مشترکی می‌توان ابررسانايی را يک فاز(ماده)فاز ترموديناميکی برای ماده دانست. ابررسانا شدن را می‌توان گذار فازی به فاز ديگر قلمداد کرد. چيزی همانند تغيير حالت آب از مايع به گاز و يا برعکس.
گذار به فاز ابررسانايی
در مواد ابررسانا، پديده ابررسانايی زمانی ظهور می‌کند که دمای ماده، T از مقدار بحرانی، Tc کمتر شود. مقدار دمای بحرانی از ماده‌ای به ماده ديگر متفاوت است. دمای بحرانی ابررساناهای معمول چيزی بين ۲۰ کلوین تا زير يک کلوين است. برای نمونه، دمای بحرانی جيوه ی جامد ۴٫۲ کلوين است ولی دمای بحرانی منيزيم دي بوريد ۳۹کلوين است. گرچه اين ماده خواصی چنان دارد که نمی‌بايست آن را در دسته ابررساناهای معمول جای داد. ابررساناهای ترکيبی می‌توانند دمايی بحرانی بسيار بالاتری داشته باشند. برای مثال YBa۲Cu۳O۷ ابررسانايی است که دمای بحرانی آن ۹۲ کلوين است و درواقع اولين ابررسانای دمای بالا بود که کشف شد. همچنين ابررساناهای دمای بالای ديگری بر پايه جيوه کشف شده‌اند که دمای بحرانی آنها نزديک ۱۴۰ کلوين است. هنوز هيچ نظريه‌ای قادر به توضيح چگونگی پديد آمدن ابررساناهای دمای بالا نبوده‌است. تعويض فونون می‌تواند نوع عملکرد ابررساناهای معمول را توضيح دهد اما برای ابررساناهای با دمای بحرانی بسيار بالا نمی‌توان از اين تئوری هم استفاده کرد.
شروع پديده ابررسانايی با تغييرات زيادی در خواص فيزيکی ماده همراه است که به همين سبب آن را فاز جديدی می‌نامند. برای مثال ظرفيت گرمايی ماده از قوانينی تبعيت می‌کند که در زمان ابررسانا نبودن ماده وجود دارند. در گذر به فاز ابررسانايی، ظرفيت گرمايی ماده ناگهان پرشی با بالا می‌کند و سپس به صورت خطی کم و کمتر می‌شود تا به کلی از بين برود. در دمای پايين اين تغييرات به صورت است که α در آن ثابت است و اين خود نشان می‌دهد که گاف انرژی وجود دارد. تغيير فاز به ابررسانايی مدت زيادی مورد بحث بين دانشمندان بوده‌است. در حالی که آزمايش‌ها نشان می‌دادند که اين تغيير از مرتبه دوم است، بدين معنی که گرمای نهانی در اين تغيير وجود ندارد، در دهه ۱۹۷۰ محاسبات اين احتمال را مطرح کردند که شايد اين تغيير وضعيت را بتوان با لحاظ کردن نوسانات بلند برد در ميدان مغناطيسی، تغيير فازی نوع اول به حساب آورد. به تازگی با کمک نظريه آشوب است که مشخص شده خطوط مارپيچ ابررسانا در اين بين نقشی عمده دارند و اين گذار حالت برای ابررساناهای نوع دوم گذری از مرتبه دوم و برای ابررساناهای نوع اول، گذری از مرتبه اول است.
ابرسانايی نوع ۱ و نوع ۲
اگر ميدان مغناطيسی خيلی قوی باشد، اثر مايسنر از بين می‌رود. همين پديده ابررساناها را به دو نوع تقسیم می‌کند: در ابررساناهای نوع ۱ (Type I) اگر ميدان مغناطيسی از يک حد آستانه (Hc) بيشتر شود، ابرسانايی ناگهان از بين می‌رود. بسته به شکل هندسی نمونه، ممکن است حالت‌های ميانی‌ای هم ايجاد شوند که در آن ناحيه‌های عادی (که در آنها ميدان وجود دارد) و ناحيه‌های ابرسانا (که ميدان درون‌شان صفر است) هم‌زمان وجود داشته باشند. در ابررساناهای نوع ۲ (Type II) اگر ميدان مغناطيسی از حد Hc1 بيشتر شود، حالت مخلوطی ايجاد می‌شود که در آن شار مغناطيسی روبه‌افزايشی از ماده می‌گذرد، ولی مقاومت ماده، اگر جريان خيلی زياد نباشد، همچنان صفر باقی می‌ماند. در حد دوم از ميدان مغناطيسی Hc2 ابررسانايی از بين می‌رود.
بيشتر ابررساناهايی که عنصر ساده هستند (به جز نيوبيوم، تکنسيوم، واناديوم و نانولوله‌های کربنی) نوع ۱ هستند، و تقريباً همهٔ ابررساناهای ناخالص و ترکيبی نوع ۲ هستند.
زمانی که يک ابررسانا در يک ميدان مغناطيسی ضعيف خارجی قرار می‌گيرد. میدان فقط به مقدار ناچيز λ در داخل ابررسانا نفوذ کند که به آن عمق نفوذ لندن (London penetration depth) می‌نامند که با گذشت زمان اين مقدار به صفر می‌رسد. به اين پديده اثر مايسنر می‌گويد. و اين اثر مشخصهٔ ويژهٔ ابررسانا را مشخص می‌کند. برای بيشتر ابررساناها عمق نفوذ لندن تقريباً در حدود ۱۰nm میباشد.
اثر مايسنر در بعضی مواقع گيج کننده میباشد در مقابل انتظاری که از يک رسانای الکتريکی ايده آل می‌رود. مطابق قانون لنز وقتی که تغييرات ميدان بر يک رسانا اعمال می‌شود در هادی جريانی القاء می‌شود که جهت اين ميدان در خلاف جهت ميدان به وجود آورنداش است. در رسانای ايده‌آل جريان بزرگی در هادی القاء می‌شود که نتيجه‌اش خنثی کردن ميدان اصلی میباشد. اثر مايسنر با بحث بالا متفاوت است.فرض کنيد فلزی داريم که در وضعيت عادی است و دارای ميدان مغناطيسی ثابت (داخلی) است. حال آن را سرد می‌کنيم تا به دمای بحرانی برسد در اين زمان ما شاهد از بين رفتن فوری ميدان خواهيم بود. که مطابق قانون لنز چنين انتظاری نمی‌رود.
اثر مايسنر به کمک دو برادر Fritz و Heinz London مطرح شد که نشان دادند که انرژی آزاد الکترومغناطيسی در ابررسانا مينيمم مقدار است.
http://up.iranblog.com/Files1/692f0ae8b4624d67950b.gif
در اين فرمول H ميدان مغناطيسی و λ عمق نفوذ لندن است. معادلهٔ بالا که معادلهٔ لندن نام دارد پيش گويی می‌کند که جدا از ميدان موجود در سطح ميدان مغناطيسی در داخل ابررسانا به صورت تابع نمايی از بين می‌رود. اثر مايسنر در ميدان‌های بسيار بزرگ ديده نمی‌شود.
دسته‌بندی ابررساناها
بنا به گفتهٔ بالا ابررساناها را می‌توان به دو نوع مختلف تقسيم کرد. ابررساناهای نوع ۱ که در آنها خاصيت ابرررسانايی در زمان رسيدن ميدان به مقدار بحرانی Hc ناگهان از بين می‌رود. وابسته به شکل هندسی فلز مورد آزمايش ممکن است ماده به يک وضعيت ديگری برود که در آن هم خاصيت مادهٔ نرمال و هم خاصيت ابررسانايی را به طور مخلوط داشته باشد.
در ابررساناهای نوع۲ افزايش ميدان و رسيدن به مقدار بحرانی Hc۱ ما را به يک وضعیت مختلط می‌رساند که در آن نفوذ شار مغناطيسی با افزايش همراه است ولی همچنان مقاومتی در برابر جريان وجود ندارد تا زمانی که ميدان بيش از حد بزرگ شود در ميدان بحرانی دوم Hc۲ ابررسانا از بين می‌رود.
کاربردها
ابررساناهای دمای پايين امروزه در ساخت آهنرباهای ويژه طيف سنجهای رزونانس مغناطيسی هسته، رزونانس مغناطيسی برای مقاصد تشخيص طبی، شتاب دهنده ذره‌ها، ترنهای سريع مغناطيسی و انواع ابزارهای رسانايی الکترونيکی بکار می‌رود. اما برای اينکه ابررساناهای دمای بالا در کاربردهای ميدان مغناطيسی در دمای بالا رقابت کنند، هنوز زمان لازم دارد، اين بعلت دشواری در توليد انبوه و با کيفيت بالاست. اگر چه در حال حاضر، بازار ابررساناهای دمای بالا رونق کمی دارد، گمان می‌رود که در خلال دو دهه آينده کاربر د آن فراگير و پررونق شود.
آهنرباهای ابررسانا از قوی ترين آهنرباهای الکتريکی موجود در جهان هستند. ار آنها در قطارهای سريع السير برقی و دستگاه‌های MRI و NMR و هدايت کردن ذرات در شتاب دهنده‌ها استفاده می‌شود. همچنين می‌توان به عنوان جدا کننده‌های مغناطيسی در جاهايی که ذرات مغناطيسی ضعيف خارج می‌شود مثلا در صنايع رنگ سازی استفاده شود.
همچنين از ابررساناها در مدارات ديجيتالی نيز استفاده می‌شود به عنوان مثال در ايستگاههای RF و موبايل در ايستگاههای امواج ماکروويو.
از ابررساناها در Josephson junction برای ساختن بلوک‌های ساختمان SQUID استفاده می‌شود. SQUID حساسترين اندازه‌گير امواج مغناطيسی میباشد.
سری ديگردستگاه‌های Josephson برای رديابی فوتون و يا به عنوان ميکسر استفاده می‌شود. از مقاومتهايی که به ابررسانا تبديل می‌شوند نيز در ساختن دماسنج و گرما سنجهای حساس micro-calorimeter ردياب فوتونی استفاده می‌شود.
محققان اميدوارند که در آينده از ابررسانا در ساختن ترانسفورماتورها، وسايل ذخيرهٔ برق، الکتروموتورها، محدود کردن جريان اتصال کوتاه، وسايل شناور مغناطيسی استفاده كنند. اما چون ابررساناها به تغيير و حرکت ميدان مغناطيسی حساسند استفاده از آن ها در برق جريان متناوب مثل ترانسفورماتورها بسيار سخت پيشرفت ميكند ترجيحاً در حيطه کاری جريان مستقيم میباشد.
منابع : http://fa.wikipedia.org/
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara