ابر رسانا

اَبَررسانایی پدیده‌ای است که در دماهای بسیار پایین برای برخی از مواد رخ می‌دهد. در حالت ابررسانایی مقاومت الکتریکی ماده صفر می‌شود و ماده خاصیت دیامغناطیس کامل پیدا می‌کند، یعنی میدان مغناطیسی را از درون خود طرد می‌کند. طرد میدان مغناطیسی تنها تفاوت اصلی ابررسانا با رسانای کامل است، زیرا در رسانای کامل انتظار می‌رود میدان مغناطیسی ثابت بماند، در حالی که در ابررسانا میدان مغناطیسی همواره صفر است.

مقاومت الکتریکی یک رسانای فلزی به تدریج با کاهش دما کم می‌شود. در رساناهای معمولی مثل مس و نقره، وجود ناخالصی و مشکلات دیگر این روند را کند می‌کند. به طوری که حتی در صفر مطلق هم نمونه‌های معمول مس همچنان مقاومت الکتریکی کمی دارند. در مقابل ابررساناها موادی هستند که اگر دمایشان از یک دمای بحرانی کمتر شود، ناگهان مقاومت الکتریکی خود را از دست می‌دهند. جریانی از الکتریسیته در یک حلقهٔ ابررسانا می‌تواند برای مدت نامحدودی بدون وجود مولد جریان وجود داشته باشد. ماننده پدیدهٔ فرومغناطیس و خطوط طیفی اتم‌ها، ابررسانایی نیز پدیده‌ای کوانتومی است و نمی‌توان آن را با فیزیک کلاسیک به مانند یک رسانای مطلوب توصیف کرد.

پدیدهٔ ابررسانایی برای طیف وسیعی از مواد مانند قلع و آلومینیوم وجود دارد. همچنین برخی آلیاژها و نیمه‌رساناها نیز ابررسانا هستند، ولی فلزاتی مثل طلا و نقره این پدیده را از خود نشان نمی‌دهند، همچنین پدیدهٔ ابررسانایی در فلزات فرومغناطیس هم روی نمی‌دهد. در سال ۱۹۸۶ ابررسانایی دمای بالا کشف شد. دمای بحرانی این ابررساناها بیش از ۹۰ کلوین است. نظریه‌های کنونی ابررسانایی نمی‌توانند ابررسانایی دمای بالا را، که به ابررسانایی نوع ۲ (Type II) معروف است، توضیح دهند. از نظر عملی ابرساناهای دمای بالا کاربردهای بسیار بیشتری دارند، زیرا در دماهایی ابررسانا می‌شوند که راحت‌تر قابل ایجاد هستند. پژوهش برای یافتن موادی که دمای بحرانی آن‌ها باز هم بیشتر باشد، و همچنین برای یافتن نظریه‌ای برای توضیح ابررسانایی دمای بالا همچنان ادامه دارد.

خواص ابررساناها

بیشتر خواص ابررساناها از ماده‌ای به مادهٔ دیگر تغییر می کند. خواصی مانند ظرفیت گرمایی و دمای بحرانی. اما گذشته از این‌ها، دستهٔ خاصی از خواص تمام ابر رساناها مشترک است، از جمله این که در دماهای بسیار پایین، مقاومت خود را به کلی دربرابر جریان از دست می‌دهند و همچنین دیگر هیچ میدان مغناطیسی داخلی در آن‌ها وجود نخواهد داشت. با توجه به چنین خواص مشترکی می‌توان ابررسانایی را یک فاز(ماده)فاز ترمودینامیکی برای ماده دانست. ابررسانا شدن را می‌توان گذار فازی به فاز دیگر قلمداد کرد. چیزی همانند تغییر حالت آب از مایع به گاز و یا برعکس.

مقاومت صفر در برابر جریان

یکی از راه‌های ابتدایی برای سنجش مقاومت الکتریکی مواد، قرار دادن آنها در یک مدار به همراه یک منبع تغذیه و سپس اندازه گیری ولتاژ و آمپراژ و سنجش مقاومت از فرمول است. اگر اختلاف پتانسیل صفر باشد، بدین معنی خواهد بود که مقاومت رسانا در برابر جریان صفر است و آن ماده یک ابررسانا است. ابررساناها می‌توانند جریانی را بدون وجود ولتاژ عامل، حفظ کنند. خاصیتی که در آهنرباهای ابررسانا استفاده می‌شود که کاربرد وسیعی دارند. برای مثال از این آهنرباها در دستگاه MRI استفاده می‌شود. آزمایش‌های گوناگون نشان می‌هد حلقه‌ای از ابررسانا‌ها می‌تواند برای سالها جریان را بدون هیچ افت قابل اندازه گیری حفظ کند. آزمایش‌های عملی نیمه عمر جریان را در چنین مدار‌هایی بیش از صد هزار سال برآورد می‌کنند و به صورت تئوری جریان در حلقه‌ای ابررسانا، می‌تواند تا مدت زیادی باقی بماند مدتی که حتی از عمر جهان هم بیشتر خواهد بود! در رساناهای معمولی، جریان الکتریکی را می‌توان به صورت شار الکترون‌ها در یک شبکهٔ یونی تصویر کرد. الکترون‌ها در این حرکت به طور پیوسته در حال برخورد با شبکهٔ یونی هستند. در این برخوردها بخش از انرژی الکترون توسط شبکهٔ یونی به گرما تبدیل می‌شود که در واقع همان انرژی جنبشی شبکهٔ یون است. در نتیجه بخشی از انرژی الکترون‌ها در واقع هدر می‌رود. این حالت را مقاومت الکتریکی می‌نامیم. اما وضع در ابررساناها به گونه‌ای دیگر است. در ابررسانا‌های معمول نمی‌توان جریان را به تک الکترون‌های جاری نسبت داد. در عوض می‌توان جریان را حاصل جفت الکترون‌های کوپر دانست که به هم وصل می‌شوند و با تعویض فونون‌های خود، کاملا در کنار هم می‌مانند. طبق نظریهٔ مکانیک کوانتومی طیف انرژی این جفت کوپر دارای حداقل سطح خاص است و از آن کمتر نمی‌تواند باشد. در نتیجه ΔE حاصل را که می‌توان آن را حداقل میزان انرژی جفت کوپر دانست، می‌تواند تنها دو حالت برای جفت کوپر و در نتیجه جریان پدید آورد. یا مقدار ΔE از مقدار kT که انرژی شبکهٔ یونی است و در آن k ثابت بولتزمن و T هم دمای شبکه است؛ بیشتر است که در این حالت جریان توسط شبکهٔ یونی به هدر نمی‌رود و این یعنی جفت کوپر یک ابرشار را پدید می‌آورد که می‌تواند بدون افت انرژی از شبکهٔ یونی عبور کند.

گذار به فاز ابررسانایی

نمودار سبز مقاومت ابررسانا در برابر جریان و نموادر آبی ظرفیت گرمایی ویژه آن را نشان می‌دهد.

در مواد ابررسانا، پدیدهٔ ابررسانایی زمانی ظهور می‌کند که دمای ماده، T از مقدار بحرانی، T_c کمتر شود. مقدار دمای بحرانی از ماده‌ای به مادهٔ دیگر متفاوت است. دمای بحرانی ابررساناهای معمول چیزی بین ۲۰ کلوین تا زیر یک کلوین است. برای نمونه، دمای بحرانی جیوه ی جامد ۴٫۲ کلوین است ولی دمای بحرانی منیزیم دی بورید ۳۹کلوین است. گرچه این ماده خواصی چنان دارد که نمی‌بایست آن را در دستهٔ ابررساناهای معمول جای داد. ابررساناهای ترکیبی می‌توانند دمایی بحرانی بسیار بالاتری داشته باشند. برای مثال YBa۲Cu۳O۷ ابررسانایی است که دمای بحرانی آن ۹۲ کلوین است و درواقع اولین ابررسانای دمای بالا بود که کشف شد. همچنین ابررساناهای دمای بالای دیگری بر پایهٔ جیوه کشف شده‌اند که دمای بحرانی آنها نزدیک ۱۴۰ کلوین است. هنوز هیچ نظریه‌ای قادر به توضیح چگونگی پدید آمدن ابررساناهای دمای بالا نبوده‌است. تعویض فونون می‌تواند نوع عملکرد ابررساناهای معمول را توضیح دهد اما برای ابررساناهای با دمای بحرانی بسیار بالا نمی‌توان از این تئوری هم استفاده کرد.

شروع پدیدهٔ ابررسانایی با تغییرات زیادی در خواص فیزیکی ماده همراه است که به همین سبب آن را فاز جدیدی می‌نامند. برای مثال ظرفیت گرمایی ماده از قوانینی تبعیت می‌کند که در زمان ابررسانا نبودن ماده وجود دارند. در گذر به فاز ابررسانایی، ظرفیت گرمایی ماده ناگهان پرشی با بالا می‌کند و سپس به صورت خطی کم و کمتر می‌شود تا به کلی از بین برود. در دمای پایین این تغییرات به صورت است که α در آن ثابت است و این خود نشان می‌دهد که گاف انرژی وجود دارد. تغییر فاز به ابررسانایی مدت زیادی مورد بحث بین دانشمندان بوده‌است. در حالی که آزمایش‌ها نشان می‌دادند که این تغییر از مرتبهٔ دوم است، بدین معنی که گرمای نهانی در این تغییر وجود ندارد، در دههٔ ۱۹۷۰ محاسبات این احتمال را مطرح کردند که شاید این تغییر وضعیت را بتوان با لحاظ کردن نوسانات بلند برد در میدان مغناطیسی، تغییر فازی نوع اول به حساب آورد. به تازگی با کمک نظریهٔ آشوب است که مشخص شده خطوط مارپیچ ابررسانا در این بین نقشی عمده دارند و این گذار حالت برای ابررساناهای نوع دوم گذری از مرتبهٔ دوم و برای ابررساناهای نوع اول، گذری از مرتبهٔ اول است.

ابرسانایی نوع ۱ و نوع ۲

اگر میدان مغناطیسی خیلی قوی باشد، اثر مایسنر از بین می‌رود. همین پدیده ابررساناها را به دو نوع تقسیم می‌کند: در ابررساناهای نوع ۱ (Type I) اگر میدان مغناطیسی از یک حد آستانه (H_c) بیشتر شود، ابرسانایی ناگهان از بین می‌رود. بسته به شکل هندسی نمونه، ممکن است حالت‌های میانی‌ای هم ایجاد شوند که در آن ناحیه‌های عادی (که در آن‌ها میدان وجود دارد) و ناحیه‌های ابرسانا (که میدان درون‌شان صفر است) هم‌زمان وجود داشته باشند. در ابررساناهای نوع ۲ (Type II) اگر میدان مغناطیسی از حد H_c1 بیشتر شود، حالت مخلوطی ایجاد می‌شود که در آن شار مغناطیسی روبه‌افزایشی از ماده می‌گذرد، ولی مقاومت ماده، اگر جریان خیلی زیاد نباشد، همچنان صفر باقی می‌ماند. در حد دوم از میدان مغناطیسی H_c2 ابررسانایی از بین می‌رود.

بیشتر ابررساناهایی که عنصر ساده هستند (به جز نیوبیوم، تکنسیوم، وانادیوم و نانولوله‌های کربنی) نوع ۱ هستند، و تقریباً همهٔ ابررساناهای ناخالص و ترکیبی نوع ۲ هستند.

اثر مایسنر

نوشتار اصلی: اثر مایسنر

زمانی که یک ابررسانا در یک میدان مغناطیسی ضعیف خارجی قرار می‌گیرد. میدان فقط به مقدار شناچیز λ در داخل ابررسانا نفوذ کند که به آن عمق نفوذ لندن (London penetration depth) می‌نامند که با گذشت زمان این مقدار به صفر می‌رسد. به این پدیده اثر مایسنر می‌گویند. و این اثر مشخصهٔ ویژهٔ ابررسانا را مشخص می‌کند. برای بیشتر ابررساناها عمق نفوذ لندن تقریباً در حدود ۱۰nm می‌باشد.

اثر مایسنر در بعضی مواقع گیج کننده می‌باشد در مقابل انتظاری که از یک رسانای الکتریکی ایده آل می‌رود. مطابق قانون لنز وقتی که تغییرات میدان بر یک رسانا اعمال می‌شود در هادی جریانی القاء می‌شود که جهت این میدان در خلاف جهت میدان به وجود آورنداش است. در رسانای ایده‌آل جریان بزرگی در هادی القاء می‌شود که نتیجه‌اش خنثی کردن میدان اصلی می‌باشد. اثر مایسنر با بحث بالا متفاوت است.فرض کنید فلزی داریم که در وضعیت عادی است و دارای میدان مغناطیسی ثابت (داخلی) است. حال آن را سرد می‌کنیم تا به دمای بحرانی برسد در این زمان ما شاهد از بین رفتن فوری میدان خواهیم بود. که مطابق قانون لنز چنین انتظاری نمی‌رود.

اثر مایسنر به کمک دو برادر Fritz و Heinz London مطرح شد که نشان دادند که انرژی آزاد الکترومغناطیسی در ابررسانا مینیمم مقدار است.

در این فرمول H میدان مغناطیسی و λ عمق نفوذ لندن است. معادلهٔ بالا که معادلهٔ لندن نام دارد پیش گویی می‌کند که جدا از میدان موجود در سطح میدان مغناطیسی در داخل ابررسانا به صورت تابع نمایی از بین می‌رود. اثر مایسنر در میدان‌های بسیار بزرگ دیده نمی‌شود.

دسته‌بندی ابررساناها

بنا به گفتهٔ بالا ابررساناها را می‌توان به دو نوع مختلف تقسیم کرد. ابررساناهای نوع ۱ که در آنها خاصیت ابرررسانایی در زمان رسیدن میدان به مقدار بحرانی Hc ناگهان از بین می‌رود. وابسته به شکل هندسی فلز مورد آزمایش ممکن است ماده به یک وضعیت دیگری برود که در آن هم خاصیت مادهٔ نرمال و هم خاصیت ابررسانایی را به طور مخلوط داشته باشد.

در ابررساناهای نوع۲ افزایش میدان و رسیدن به مقدار بحرانی Hc۱ ما را به یک وضعیت مختلط می‌رساند که در آن نفوذ شار مغناطیسی با افزایش همراه است ولی همچنان مقاومتی در برابر جریان وجود ندارد تا زمانی که میدان بیش از حد بزرگ شود در میدان بحرانی دوم Hc۲ ابررسانا از بین می‌رود.

نظریه‌های ابررسانایی

هنوز هیچ نظریه‌ای که بتواند همهٔ انواع مشاهده‌شدهٔ ابررسانایی را توصیف کند، وجود ندارد. اصول پایه‌ای ابررسانایی در سال ۱۹۵۷ توسط سه فیزیکدان آمریکایی (جان باردین، رابرت شریفر و لئون کوپر) توضیح داده شد و به نام این سه فیزیکدان نظریهٔ BCS نام گرفت.

این بخش از این نوشتار خُرد است. با گسترش آن به ویکی‌پدیا کمک کنید.

تاریخچهٔ ابررسانایی

ابررسانایی را در سال ۱۹۱۱ هایک کمرلینگ اونز هلندی از دانشگاه لیدن کشف کرد. او مقاومت الکتریکی جیوهٔ جامد را در دماهای پایین بررسی می‌کرد و از هلیوم مایع -که تازه کشف شده بود- به عنوان سردکننده استفاده می‌کرد. او فهمید که در دمای ۴٫۲K مقاومت ناگهان به صفر می‌رسد. جایزه نوبل فیزیک در سال ۱۹۱۳ به همین خاطر به او داده شد.

در دهه‌های بعد، خاصیت ابررسانایی در مواد دیگری نیز دیده شد. در سال ۱۹۱۳ دیده شد که سرب (در دمای ۷K) و در سال ۱۹۴۱ نیترید نیوبیوم (در دمای ۱۶K) ابررسانا می‌شوند.

گام مهم بعدی در فهم ابررسانایی در سال ۱۹۳۳ اتفاق افتاد. در این سال مایسنر و اوخنفلد دریافتند که ابرساناها میدان مغناطیسی خارجی را طرد می‌کنند؛ پدیده‌ای که امروزه اثر مایسنر نامیده می‌شود. در سال ۱۹۳۵ فریتز و هاینز لندن نشان دادند که اثر مایسنر نتیجه‌ای از کمینه‌بودن انرژی آزاد الکترومغناطیسی حمل‌شده توسط جریان‌های ابررسانا است.

در سال ۱۹۵۰ تئوری (Ginzburg-Landau) توسط Landau و Ginzburg مطرح شد. این تئوری که ترکیبی از تئوری مرتبهٔ دوم Landau با معادلهٔ موج Schrodinger می‌باشد دارای توضیح خوبی دربارهٔ مشخصه و خواص ابررساناها است. بخصوص Abrikosov نشان داد که تئوری Ginzburg-Landau پیشبینی تقسیم بندی ابررساناها را به دو دستهٔ نوع۱ type۱ و نوع۲ type۲ را کرده بود.

آقای Ginzburg و آقای Abrikosov در در سال ۲۰۰۳ برندهٔ جایزهٔ نوبل شدند (Landau در سال ۱۹۶۸ دارفانی را وداع گفت).

همچنین در سال ۱۹۵۰ Maxwell و Reynolds در جای دیگر یافتند که دمای بحرانی ابررساناها به جرم ایزوتوپی جزء اصلی عنصر بستگی دارد. این کشف مهم اشاره دارد به اثر متقابل الکترون و فونون lectron-phonon در نتیجهٔ مکانیزم میکروسکوپی مسئول برای ابررسانایی.

تئوری کامل میکروسکوپی ابررساناها در سال ۱۹۵۷ توسط آقایان Bardeen و Cooper و Schrhffer ارائه شد که مستقلاً پدیدهٔ ابررسانایی توسط Nikolay Bogolyubov توضیه داده شد.

این تئوری BCS (Bardeen Cooper Schrieffer) جریان ابررساناها را به عنوان ماده‌ای با هدایت فوق العاده زیاد با زوجهای کوپر توضیح می‌دهد. (اثر متقابلی که جفتهای الکترون در مبادلهٔ فونون)

تئوری به عنوان ستون و پایه در سال ۱۹۵۸ قرار گرفت زمانی که Bogolyubov نشان داد که تابع موج BCS که استنتاج شده از یک استدلال متغیر است و می‌تواند بدست بیاید با تغییر قانونی و متعارف تئوری الکترونیک Hamiltonian. در سال ۱۹۵۹ Lev Gorkov اثبات کرد که تئوری BCS نزدیک به تئوری Ginzburg-Landau است و نزدیک به دمای بحرانی است.

در سال ۱۹۶۲ اولین سیم تجاری ابررسانا از آلیاژ نیوبیم- تیتانیم (niobium-titanium) در Westinghouse تحقیق شد.در همین سال Josephson مهمترین پیش بینی تئوریکی را انجام داد که چنین بود: یک ابر جریان می‌تواند از بین دو قطعه ابررسانا که با یک لایه نازک ایزوله شده‌اند جاری شود. این پدیده اثر ‍‍‍‍‍جوزفسون (effect Josephson) نام دارد که استخراج شده از دستگاه ابررساناها مثل SQUID’s می‌باشد که دقیقترین دستگاه اندازه گیر شار مغناظیسی کوانتوم موجود می‌باشد (h ثابت پلانک).

Josephson برندهٔ جایزهٔ نوبل در سال ۱۹۷۳ گردید.

تا سال ۱۹۸۶ فیزیک دان ها بر این باور بودند که تئوری BCS اررسانایی را در دماهای بالا تر از ۳۰˚k را نفی می‌کند، در همین سال Bednorz و muller کشف کردند که ابررسانایی در عناصر لانتان که بر پایهٔ اکسید مس (cuprate) هستند دارای دمای تبدیل ۳۵˚K می‌باشند. (در سال ۱۹۸۷ برندهٔ جایزهٔ نوبل فیزیک شدند)

در مدت کوتاهی توسط M.K. Wu کشف شد که جایگزین کردن لانتان با ایتریم و ساختن YBCO دمای بحرانی تا ۹۲˚K بالا می‌برد که بسیار مهم است چون برای سرد کردن ابررسانا می‌توان از نیتروژن مایع استفاده کرد (دمای جوش نیتروژن مایع در فشار جو ۷۷˚K است). این امر از نظر تجاری بسیار مهم است چون تولید نیتروژن مایع ارزانتر و در همان محل با مواد اولیه قابل تولید است و به بعضی از مشکلات برخورد نمی‌کنیم از قبیل آب بندی لوله‌های تزریق هلیوم.

خیلی دیگر از ابررساناهای cuprate کشف شده‌اند و تئوری ابررساناها یکی از برجسته ترین مشکلات دربارهٔ این نوع مواد در علم فیزیک می‌باشد.

از تاریخ اکتبر ۲۰۰۷ بالا ترین دمای ابررسانایی مربوط به ماده‌ای مرکب از تالیوم‌، جیوه، مس، باریم‌، کلسیم‌، اکسیژن‌ با دمای بحرانی Tc=۱۳۸˚K می‌باشد.

در فوریهٔ ۲۰۰۸ خانوادهٔ دیگر ابررساناهای دما بالا کشف شد. Hideo Hosono از انستیتو تکنولوژی توکیو کشف کرد که lanthanum oxygen fluorine iron arsenide (LaO۱-xFxFeAs) در دمای ۲۶˚K تبدیل به ابررسانا می‌شود. بعد از مدت کوتاهی دیگران مواد دیگری از همین خانواده یافتند که در دمای ۵۵˚K به ابررسانا تبدیل می‌شوند.متخصصان امیدوارند که بررسی خانوادهٔ دیگری از ابررساناها باعث آسانتر شدن توضیح عملکرد این مواد خواهد شد.

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. اما برای اینکه ابررساناهای دمای بالا در کاربردهای میدان مغناطیسی در دمای بالا رقابت کنند، هنوز زمان لازم دارد، این بعلت 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 کاربر د آن فراگیر و پررونق شود.

آهنرباهای ابررسانا از قوی ترین آهنرباهای الکتریکی موجود در جهان هستند. ار آنها در قطارهای سریع السیر برقی و دستگاه‌های MRI و NMR و هدایت کردن ذرات در شتاب دهنده‌ها استفاده می‌شود. همچنین می‌توان به عنوان جدا کننده‌های مغناطیسی در جاهایی که ذرات مغناطیسی ضعیف خارج می‌شود مثلا در صنایع رنگ سازی استفاده شود.

همچنین از ابررساناها در مدارات دیجیتالی نیز استفاده می‌شود به عنوان مثال در ایستگاههای RF و موبایل در ایستگاههای امواج ماکروویو.

از ابررساناها در Josephson junction برای ساختن بلوک‌های ساختمان SQUID استفاده می‌شود. SQUID حساسترین اندازه‌گیر امواج مغناطیسی می‌باشد.

سری دیگردستگاه‌های Josephson برای ردیابی فوتون و یا به عنوان میکسر استفاده می‌شود. از مقاومتهایی که به ابررسانا تبدیل می‌شوند نیز در ساختن دماسنج و گرما سنجهای حساس micro-calorimeter ردیاب فوتونی استفاده می‌شود.

محققان امیدوارند که در آینده از ابررسانا در ساختن ترانسفورماتورها، وسایل ذخیرهٔ برق، الکتروموتورها، محدود کردن جریان اتصال کوتاه، وسایل شناور مغناطیسی استفاده کنند. اما چون ابررساناها به تغییر و حرکت میدان مغناطیسی حساسند استفاده از آن ها در برق جریان متناوب مثل ترانسفورماتورها بسیار سخت پیشرفت میکند ترجیحاً در حیطهٔ کاری جریان مستقیم می‌باشد.