مروری کوتاه بر نظریه‌های ابررسانایی و مشکلات ابررسانایی در دمای بالا تحلیل می‌شود. ابررسانایی - دانش فیزیک و بیشتر - LJ پدیده ابررسانایی چیست؟

معجزه ابررسانایی(نویسنده والری استاروشچوک)

کمی تئوری

قبلاً اولین آزمایشات با الکتریسیته نشان داد که نقره، مس و آلومینیوم جریان الکتریکی را به خوبی هدایت می کنند، در حالی که چینی، شیشه، لاستیک و ابریشم عملاً آن را هدایت نمی کنند. بر این اساس، مردم شروع به ساخت رسانا از مواد اول کردند، و از دوم - عایق سیم و محافظت در برابر شوک الکتریکی. در عکس یک کابل شبکه مدرن دو هسته ای را مشاهده می کنید. هر هسته شامل هفت سیم مسی است که در عایق پلاستیکی محصور شده اند. با توجه به اینکه سیم با ولتاژ خطرناک 220 ولت کار می کند، دو سیم عایق شده با یک لایه معمولی دیگر از عایق پلاستیکی پوشانده می شوند.

هنگامی که جریان الکتریکی از یک هادی عبور می کند، گرم می شود. از این خاصیت در وسایل گرمایشی مانند اتو، کتری، باتری های برقی و همچنین در لامپ های رشته ای استفاده می شود. در عکس رشته تنگستن را می بینید که تحت تاثیر جریان آنقدر داغ شده که شروع به ساطع نور می کند.

اکنون لامپ های فلورسنت کم مصرف به طور فزاینده ای مورد استفاده قرار می گیرند، اما آنها همچنین دارای یک رشته کوچک برای انتشار الکترون هستند.

اگر جریان از یک هادی عبور کند، نه تنها گرم می شود، بلکه یک میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد می کند. این ویژگی برای اولین بار در سال 1820 توسط دانشمند دانمارکی هانس کریستین اورستد مورد توجه و توصیف قرار گرفت. در عکس می بینید که چگونه براده های آهن تحت تاثیر میدان مغناطیسی در اطراف یک هادی مسی که جریان را حمل می کند، صف می کشند.

میدان مغناطیسی جریان در عملکرد موتور الکتریکی، ژنراتور و آهنربا الکتریکی استفاده می شود.

بنابراین، اگر جریانی از یک هادی عبور کند، انرژی منبع جریان به انرژی میدان گرمایی و الکترومغناطیسی تبدیل می‌شود. گاهی ضروری و مفید است و گاهی به سادگی مضر است. مثلاً چرا به گرمایش و میدان مغناطیسی سیمی که اتو را با آن به پریز وصل کرده ایم نیاز داریم؟ سیم هایی که از طریق آن جریان الکتریکی نیروگاه به خانه های ما می رود نیز گرم می شوند. برای کاهش این تلفات انرژی، سعی می کنند مقاومت هادی را تا حد امکان کوچک کنند.

از آنجایی که مقاومت الکتریکی یک نمونه به شدت به ماده ای که از آن ساخته شده، دما و ابعاد هندسی آن بستگی دارد، تصمیم گرفتیم اندازه گیری کنیم. مقاومتیعنی مقاومت نمونه ای از این ماده به طول 1 متر، با سطح مقطع 1 میلی متر مربع در دمای 20 درجه سانتیگراد. به عنوان مثال، مقاومت مس r = 0.0125 اهم میلی متر 2 / متر است. این بدان معنی است که اگر یک هادی مسی (مس) به طول 1 متر و سطح مقطع آن 1 میلی متر مربع بگیرید، مقاومت آن در برابر جریان الکتریکی 0.0125 اهم خواهد بود. مقاومت این امکان را فراهم می کند که بفهمیم برای یک ولتاژ معین چه مقدار جریان از هادی عبور می کند. به عنوان مثال، اگر ولتاژ در انتهای نمونه ما 0.1 ولت باشد، جریان I = U/R= 0.1/0.0125 = 8A از آن عبور می کند. برای وضوح، اجازه دهید الکترون ها را به شکل مردان آبی در حال اجرا تصور کنیم.

سپس، با جریان 8 آمپر، در یک ثانیه به هادی 5·10 19 (50 میلیارد میلیارد!) برخورد خواهند کرد. این تقریباً 70 میلیارد برابر بیشتر از افراد روی سیاره زمین است. لطفا توجه داشته باشید که همان تعداد از آنها در یک ثانیه از هادی خارج می شود. ما توافق کردیم که جهت جریان با حرکت ذرات دارای بار مثبت تعیین می شود. اما در فلزات، الکترون های منفی رسانای جریان هستند، بنابراین جهت جریان برخلاف سرعت الکترون ها نشان داده می شود. این هادی حاوی یون‌های مس مثبت است که الکترون‌های انسانی ما با گرفتن آن‌ها با دستان خود با آنها بازی می‌کنند. از این گذشته، بین الکترون های منفی و یون های مثبت نیروهای جاذبه وجود دارد. انسان الکترونی نمی‌تواند یون را با خود ببرد، زیرا یون‌ها بسیار سنگین‌تر از الکترون‌ها هستند و به‌وسیله نیروهایی که در شبکه کریستالی وجود دارند، محکم به هم متصل هستند. اما "مردان کوچک" ما قادر خواهند بود یون ها را پمپاژ کنند. در این حالت الکترون ها سرعت خود و در نتیجه انرژی حرکت خود را از دست می دهند و رسانا بر این اساس گرم می شود.

تاریخچه کشف

دانشمند هلندی Heike Kammerlingh Onnes (تصویر سمت راست) تصمیم گرفت اولین کسی در جهان باشد که در آزمایشات خود به صفر مطلق در مقیاس کلوین (تقریباً منفی 273 درجه سانتیگراد) می رسد. همانطور که می دانید در طبیعت دمای کمتری وجود ندارد. این دانشمند چهل ساله با استفاده از ارتباطات خود با صنعتگران هلندی در سال 1893 در دانشگاه لیدن شروع به ساخت یکی از بهترین آزمایشگاه های جهان کرد که به مدرن ترین تجهیزات مجهز شد. اولین موفقیت در 10 ژوئیه 1908 به دست آمد، زمانی که می توان هلیوم مایع را در دمای 5K (که منهای 268 درجه سانتیگراد است!) بدست آورد. بعد از 2 سال کار سخت آنها دمای 1K را بدست می آورند! و سپس دانشمند متوجه می شود که این حدی است که می توان با این تجهیزات به دست آورد، بنابراین تصمیم می گیرد که جهت کار علمی تغییر کند. در حال حاضر تمام تلاش ها برای مطالعه خواص فیزیکی مواد مختلف در دماهای پایین بود. طبیعتا یکی از نکات برنامه اندازه گیری مقاومت الکتریکی ماده بود. بسیاری از دانشمندان آن زمان پیشنهاد کردند که در دمای بسیار پایین، فلزات باید به دی الکتریک تبدیل شوند. گفته می شود، الکترون های آزاد حرکت خود را به قدری کند می کنند که به یون ها می چسبند و قادر به انتقال الکتریسیته نخواهند بود. اما فیزیک یک علم است، قبل از هر چیز تجربی! آزمایش های Heike Kamerlingh Onnes نشان داد که مقاومت پلاتین با کاهش دما افزایش نمی یابد، بلکه کاهش می یابد و پس از 4K ثابت می ماند. این دانشمند این فرض را مطرح کرد که مقاومت باید به سمت صفر گرایش داشته باشد، زیرا یون ها حرکت نوسانی خود را متوقف می کنند و با حرکت الکترون های آزاد "تداخلی ندارند". با درک اینکه پلاتین حاوی ناخالصی های کوچکی است، تصمیم گرفت جیوه را آزمایش کند، تصفیه شده ترین فلزی که در اختیار داشت.

در 8 آوریل 1911، گروه Heike Kamerlingh Onnes، با دستیاران Cornelis Dorsman و Gilles Holst، عملکرد یک کرایوستات جدید (دستگاهی برای حفظ دمای پایین در یک حجم معین) را آزمایش کردند. در ابتدا فقط به پر کردن آن با هلیوم مایع فکر کردند، اما سپس یک دماسنج گازی و دو نمونه طلا و جیوه برای اندازه گیری مقاومت آنها نصب کردند. پس از اندازه گیری مقاومت فلزات در 4.3 K، تصمیم گرفتیم فشار در کرایواستات را بر روی هلیوم کاهش دهیم. هلیوم به سرعت شروع به تبخیر کرد و دما به 3K کاهش یافت. آزمایش قبلاً 9 ساعت طول کشیده بود! با اندازه گیری های مکرر، مقاومت جیوه صفر شد! اینگونه بود که ابررسانایی کشف شد!

در عکس ثبت تاریخی این دانشمند را می بینید که در آن روز انجام شده است. قاب شدهعبارت هلندی گرفته شده است Kwik nagenoeg nul- "مقاومت جیوه تقریبا صفر است" (3 K). پیشنهاد بعدی هرهالد با گود ملاقات کردبه معنی "تکرار با طلا".

دمای بحرانی برای انتقال جیوه به حالت ابررسانا در آن روز تعیین نشد و چنین وظیفه ای تعیین نشد. در آزمایش بعدی که در 11 می انجام شد مشخص شد. سپس کامرلینگ اونز به این نتیجه رسید که جیوه وقتی تا دمای 4.2 کلوین سرد شود تبدیل به یک ابررسانا می شود.

پس از آن، اکتشافات یکی پس از دیگری انجام شد. در سال 1912، دو ابررسانا دیگر کشف شد - سرب و قلع. در سال 1914 آنها متوجه شدند که یک میدان مغناطیسی قوی ابررسانایی را از بین می برد. در همان سال آزمایشی دیدنی با یک حلقه سربی ابررسانا انجام شد. برای مدت کوتاهی جریانی در آن ایجاد شد و سپس گردش آن برای چندین ساعت بدون کوچکترین کاهشی مشاهده شد. حلقه خود به آهنربا تبدیل می شود.

در سال 1919 اخباری از لیدن منتشر شد مبنی بر اینکه تالیم و اورانیوم نیز در حال تبدیل شدن به ابررسانا هستند.

ابررسانایی توضیح داده شده است

توضیح پدیده ابررسانایی از دیدگاه الکترودینامیک کلاسیک غیرممکن است. تنها با توسعه فیزیک کوانتومی در سال 1957 (46 سال پس از کشف!) سه فیزیکدان آمریکایی - باردین، کوپر و شریفر - ابررسانایی را با جفت شدن الکترون ها توضیح دادند، یعنی تشکیل جفت های کوپر، که به دلیل تبادل ارتعاشات یک سلول کریستالی - فونون.

برای درک چگونگی تشکیل جفت کوپر، یک مدل بسیار ساده از جریان جریان در یک ابررسانا را در نظر بگیرید.

دایره های قرمز نشان دهنده یون های مثبت شبکه کریستالی است.

هنگامی که الکترون A تحت تأثیر میدان الکتریکی در فضای شبکه حرکت می کند، آن را کمی خم می کند. در نتیجه غلظت یون های مثبت پشت آن افزایش می یابد. خوشه ای از یون های مثبت، الکترون منفی B را با نیروی F جذب می کند. در نتیجه، انرژی ای که الکترون A صرف عبور از شبکه بلوری یونی می کند، از طریق ارتعاشات شبکه به الکترون B منتقل می شود. معلوم می شود که الکترون های A و B به الکترون B متصل می شوند. یکدیگر را از طریق شبکه یونی، یک جفت تشکیل می دهند و با هم انرژی را هنگام حرکت هدر نمی دهند. مقاومت فعلی در این حالت صفر است.

کاربردهای ابررساناها

علم مدرن قبلاً موادی را به دست آورده است که ابررسانایی را در 165K (منهای 107 0 C) از خود نشان می دهند. اگر موادی به دست بیایند که در دمای اتاق ابررسانا باشند، این یک جهش بزرگ در توسعه بشر خواهد بود. از این گذشته، ما یک سوم برق را در طول انتقال آن از منبع به مصرف کننده صرف می کنیم. در این بین، ابررساناها باید با نیتروژن مایع خنک شوند.

از سوی دیگر، بدون آنها تصور کار برخورد دهنده بزرگ هادرون در سرن و ساخت راکتور گرما هسته ای ITER در کاداراش دشوار است.

ابررسانایی نیز با اثر مایسنر مشخص می شود که شامل جابجایی کامل میدان مغناطیسی از حجم ابررسانا است. در نتیجه، نمونه، همانطور که در عکس مشاهده می شود، بالای آهنربا شناور می شود.

بر اساس این پدیده، قطارهای شناور مغناطیسی ساخته شده اند که می توانند تا سرعت 500 کیلومتر در ساعت شتاب بگیرند.

آهنرباهای ابررسانای قدرتمند در پزشکی برای ایجاد توموگرافی با استفاده از اصل تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) استفاده می شود. اسکن بافت انسانی به پزشکان این امکان را می دهد تا بدون انجام عمل جراحی بر روی صفحه کامپیوتر، سطح مقطع داخلی را ببینند. این روش به شما این امکان را می دهد که به سرعت تشخیص درستی بدهید، به این معنی که می توانید سریعتر بیمار را درمان کنید.

نظریه کوانتومی مدرن ابررسانایی اساساً دمایی را که در آن این اثر مشاهده می شود محدود نمی کند. بنابراین موضوع ایجاد مواد و ترکیبات جدید است که ممکن است در آینده نزدیک آنها را کشف کنید.

در سال 1911، فیزیکدان هلندی H. Kamerlingh-Onnes پدیده ابررسانایی را کشف کرد. او مقاومت الکتریکی جیوه را در دماهای پایین اندازه گیری کرد. اونز می خواست بفهمد اگر ماده تا حد امکان از ناخالصی ها پاک شود و "صدای حرارتی" تا حد ممکن کاهش یابد، مقاومت یک ماده در برابر جریان الکتریکی چقدر می تواند کم شود. کاهش دما

نتیجه این مطالعه غیرمنتظره بود: در دمای کمتر از 4.15 کلوین، مقاومت تقریباً بلافاصله ناپدید شد. نمودار این رفتار مقاومت به عنوان تابعی از دما در شکل 1 نشان داده شده است. 1.

جریان الکتریکی حرکت ذرات باردار است. قبلاً در آن زمان شناخته شده بود که جریان الکتریکی در جامدات جریانی از الکترون ها است. آنها دارای بار منفی هستند و بسیار سبک تر از اتم هایی هستند که هر ماده ای را تشکیل می دهند.

هر اتم به نوبه خود از یک هسته با بار مثبت و الکترون هایی تشکیل شده است که بر اساس قانون کولن با آن و با یکدیگر تعامل دارند. هر الکترون اتمی یک "مدار" خاص را اشغال می کند. هرچه «مدار» به هسته نزدیک‌تر باشد، الکترون قوی‌تر به آن جذب می‌شود، انرژی بیشتری برای جدا کردن چنین الکترونی از هسته مورد نیاز است. برعکس، بیرونی‌ترین الکترون‌های هسته به آسانی از هسته جدا می‌شوند، اگرچه این نیز به انرژی نیاز دارد.

الکترون های بیرونی را الکترون های ظرفیتی می نامند. در موادی که فلز نامیده می شود، آنها در واقع از اتم ها جدا می شوند و وقتی با هم ترکیب می شوند یک جامد تشکیل می دهند و گازی متشکل از الکترون های تقریبا آزاد را تشکیل می دهند. این یک تصویر فیزیکی ساده، زیبا و اغلب صحیح است: یک قطعه ماده مانند ظرفی است که در آن گازی از الکترون ها وجود دارد (شکل 2).

اگر میدان الکتریکی ایجاد کنیم - به قطعه ماده مورد مطالعه ولتاژ اعمال کنیم، باد در گاز الکترون ظاهر می شود، گویی تحت تأثیر اختلاف فشار است. این باد یک جریان الکتریکی است.

فلزات

همه مواد جریان الکتریسیته را به خوبی هدایت نمی کنند. در دی الکتریک، الکترون‌های ظرفیت به اتم‌های خود «پیوند» می‌مانند و به راحتی نمی‌توان آنها را در کل نمونه حرکت داد.

توضیح اینکه چرا برخی از مواد فلز هستند، در حالی که برخی دیگر دی الکتریک هستند، بسیار دشوار است. بستگی به این دارد که از چه اتمی ساخته شده اند و آن اتم ها چگونه چیده شده اند. گاهی اوقات زمانی که آرایش اتم ها تغییر می کند، تغییر شکل ممکن است، مثلاً تحت تأثیر فشار، اتم ها به هم نزدیک می شوند و دی الکتریک تبدیل به فلز می شود.

هیچ جریانی از دی الکتریک ها عبور نمی کند، اما الکترون ها در فلزات نیز کاملا آزادانه حرکت نمی کنند. آنها با "هسته های" اتمی روبرو می شوند که "از آن جدا شده اند" و روی آنها پراکنده می شوند. در این حالت اصطکاک رخ می دهد یا همانطور که می گویند جریان الکتریکی مقاومت را تجربه می کند.

با ابررسانایی، مقاومت از بین می رود و برابر با صفر می شود، یعنی. حرکت الکترون بدون اصطکاک انجام می شود. در این میان، تجربه زندگی روزمره ما به نظر می رسد که چنین حرکتی غیرممکن است.

کار فیزیکدانان برای دهه ها در جهت حل این تناقض بوده است.

خاصیت کشف شده آنقدر غیرعادی است که فلزاتی که برخلاف ابررساناها مقاومت دارند، نامیده می شوند طبیعی.

مقاومت

مقاومت الکتریکی یک قطعه فلز (مثلاً سیم) بر حسب اهم اندازه گیری می شود و با اندازه و جنس نمونه تعیین می شود. در فرمول

آر = ρ × ل / اس

آر- مقاومت، ل- طول (اندازه نمونه در جهتی که جریان جریان دارد)، اس- مقطع نمونه با نوشتن چنین فرمولی، به نظر می رسد که ما به مقایسه الکترون ها با گاز ادامه می دهیم: هرچه لوله پهن تر و کوتاه تر باشد، دمیدن گاز از طریق آن آسان تر است.

مقدار ρ — مقاومت، مشخص کردن خواص ماده ای که نمونه از آن ساخته شده است.

برای مس خالص در دمای اتاق ρ = 1.75·10 -6 اهم سانتی متر.

مس یکی از فلزات بسیار رسانا است و به طور گسترده ای برای ساخت سیم های الکتریکی استفاده می شود. برخی از فلزات دیگر جریان الکتریسیته را در دمای اتاق کمتر هدایت می کنند:

برای مقایسه، مقاومت‌های برخی دی‌الکتریک‌ها را نیز در دمای اتاق ارائه می‌کنیم:

وقتی دما کاهش می یابد تیمقاومت مس به تدریج کاهش می یابد و در دمای چند کلوین 10 -9 اهم سانتی متر است، اما مس به ابررسانا تبدیل نمی شود. و آلومینیوم، سرب، جیوه به حالت ابررسانایی می روند و آزمایشات انجام شده با آنها نشان می دهد که مقاومت یک ابررسانا در هر صورت از 10 تا 23 اهم سانتی متر تجاوز نمی کند - صد تریلیون برابر کمتر از مس!

مقاومت باقیمانده

مقاومت فلز به دما بستگی دارد. نمودار شرطی ρ( تیمثلاً برای مس، در شکل می بینید. 3. هر چه دما بالاتر باشد، مقاومت بیشتر است، «هسته‌های» اتمی تشکیل‌دهنده فلز بیشتر می‌لرزند و تداخل بیشتری برای جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند. اگر برعکس، دما را به صفر مطلق نزدیک کنیم، مقاومت نمونه به ρ 0 - مقاومت باقیمانده - تمایل پیدا می کند. مقاومت باقیمانده به کمال و ترکیب نمونه بستگی دارد. در هر ماده ای اتم های ناخالصی خارجی و همچنین انواع عیوب دیگر وجود دارد. هر چه عیوب کمتری در نمونه وجود داشته باشد، مقاومت باقی مانده کمتر است. این وابستگی بود که اونس را در سال 1911 مورد توجه قرار داد. او به هیچ وجه به دنبال «ابررسانایی» نبود، بلکه تلاش می‌کرد تا دریابد که مقاومت باقیمانده چقدر می‌تواند با خالص‌سازی نمونه ایجاد شود. او آزمایش‌هایی با جیوه انجام داد زیرا در آن زمان جیوه را می‌توان به درجه خلوص بالاتری نسبت به پلاتین، طلا یا مس رساند (این فلزات رسانای بهتری نسبت به جیوه هستند و Onnes قبل از کشف ابررسانایی آنها را مطالعه کرد. نه طلا، نه پلاتین، نه مس "ابررسانا" است).

دمای بحرانی

ابررسانایی به طور ناگهانی با کاهش دما رخ می دهد. درجه حرارت تیج، با رسیدن به آن پرش، بحرانی نامیده می شود. یک مطالعه دقیق نشان می دهد که چنین انتقالی در یک محدوده دمایی خاص مشاهده می شود (شکل 4). اصطکاک الکترون‌های متحرک بدون در نظر گرفتن «خالص» نمونه ناپدید می‌شود، اما هر چه نمونه «خالص‌تر» باشد، جهش مقاومت تیزتر است؛ عرض آن در «تمیزترین» نمونه‌ها کمتر از یک صدم درجه است. در این مورد، از نمونه های "خوب" یا ابررساناها صحبت می شود. در نمونه های "بد"، عرض انتقال می تواند به ده ها درجه برسد. (البته این در مورد ابررساناهای به اصطلاح با دمای بالا صدق می کند که در آنها تی c به صدها کلوین می رسد.)

دمای بحرانی برای هر ماده متفاوت است. این دما و سال کشف ابررسانایی (به طور دقیق تر، سال انتشار مقاله در مورد آن) در شکل نشان داده شده است. 5 برای چند عنصر خالص. نیوبیم بالاترین دمای بحرانی (در فشار اتمسفر) را در بین تمام عناصر جدول تناوبی مندلیف دارد، اگرچه از 10 کلوین تجاوز نمی کند.

اونس نه تنها ابررسانایی جیوه، قلع و سرب را کشف کرد، بلکه اولین آلیاژهای ابررسانا را نیز یافت - آلیاژهای جیوه با طلا و قلع. از آن زمان، این کار ادامه یافت، ترکیبات جدید بیشتری برای ابررسانایی آزمایش شدند و کلاس ابررساناها به تدریج گسترش یافت.

دمای پایین

تحقیقات در مورد ابررسانایی بسیار کند پیش رفت. برای مشاهده این پدیده لازم بود فلزات تا دمای پایین خنک شوند و این کار چندان آسانی نیست. نمونه باید به طور مداوم خنک شود، که برای آن در یک خنک کننده قرار می گیرد. تمام مایعاتی که از تجربه روزمره برای ما شناخته شده است، در دماهای پایین منجمد و سخت می شوند. بنابراین لازم است موادی که گاز هستند در شرایط اتاق مایع شوند. در شکل 6 درجه حرارت جوش نشان داده شده است تیب و ذوب شدن تیمتر پنج ماده (در فشار اتمسفر).

اگر دمای زیر را پایین بیاورید تیب، ماده مایع می شود و در زیر تی m آن را سخت می کند. (هلیوم در فشار اتمسفر تا دمای صفر مطلق مایع باقی می ماند.) بنابراین برای اهداف ما، هر یک از این مواد را می توان در بین تیباند تیمتر تا سال 1986، حداکثر دمای بحرانی شناخته شده ابررسانایی به سختی از 20 کلوین فراتر می رفت، بنابراین هنگام مطالعه ابررسانایی، انجام بدون هلیوم مایع غیرممکن بود. نیتروژن همچنین به طور گسترده ای به عنوان خنک کننده استفاده می شود. از نیتروژن و هلیوم در مراحل خنک سازی متوالی استفاده می شود. هر دوی این مواد خنثی و بی خطر هستند.

مایع شدن هلیوم به خودی خود یک مشکل بسیار جالب و جذاب است که بسیاری از فیزیکدانان در آغاز قرن 19 و 20 به حل آن پرداختند. اونس در سال 1908 به هدف خود رسید. به خصوص برای این، او آزمایشگاهی در لیدن (هلند) ایجاد کرد. به مدت 15 سال، آزمایشگاه انحصار تحقیقات منحصر به فرد در محدوده دمایی جدید را داشت. در 1923-1925. آنها تولید هلیوم مایع را در دو آزمایشگاه دیگر در جهان - در تورنتو و برلین - یاد گرفتند. در اتحاد جماهیر شوروی، چنین تجهیزاتی در اوایل دهه 1930 ظاهر شد. در موسسه فیزیک و فناوری خارکف.

پس از جنگ جهانی دوم، یک صنعت کامل به تدریج در بسیاری از کشورها توسعه یافت تا آزمایشگاه ها را با هلیوم مایع تامین کند. قبل از این، همه چیز "سلف سرویس" بود. مشکلات فنی و پیچیدگی فیزیکی این پدیده به این معنی است که دانش در مورد ابررسانایی به کندی انباشته می شود. تنها 22 سال پس از اولین کشف، دومین ویژگی اساسی ابررساناها کشف شد.

اثر مایسنر

مشاهده آن توسط فیزیکدانان آلمانی W. Meissner و R. Ochsenfeld در سال 1933 گزارش شد.

تاکنون ناپدید شدن مقاومت الکتریکی را ابررسانایی می نامیم. با این حال، ابررسانایی پیچیده تر از عدم وجود مقاومت است. این نیز یک واکنش خاص به یک میدان مغناطیسی خارجی است. اثر مایسنر زمانی است که یک میدان مغناطیسی ثابت و نه خیلی قوی از یک نمونه ابررسانا به بیرون رانده می شود. در ضخامت ابررسانا، میدان مغناطیسی به صفر تضعیف می شود؛ ابررسانایی و مغناطیس را می توان، همانطور که گفته شد، خواص متضاد نامید.

هنگام جستجو برای ابررساناهای جدید، هر دو ویژگی اصلی ابررسانایی آزمایش می شوند:

در یک ابررسانا، مقاومت الکتریکی از بین می رود.
یک میدان مغناطیسی از ابررسانا به بیرون رانده می شود.

در برخی موارد، در ابررساناهای "کثیف"، افت مقاومت در برابر دما می تواند بسیار بیشتر از آنچه در شکل نشان داده شده است باشد. 1 برای جیوه در تاریخ تحقیقات، بارها اتفاق افتاده است که فیزیکدانان افت مقاومت را به دلایل دیگری، مثلاً به دلیل یک اتصال کوتاه معمولی، با ابررسانایی اشتباه گرفته اند.

برای اثبات وجود ابررسانایی، مشاهده حداقل هر دو ویژگی اصلی آن ضروری است. یک آزمایش بسیار چشمگیر که حضور اثر مایسنر را نشان می دهد در شکل 1 ارائه شده است. 7: یک آهنربای دائمی روی یک فنجان ابررسانا شناور است. برای اولین بار چنین آزمایشی توسط فیزیکدان شوروی V.K. Arkadyev در سال 1945 انجام شد.

در یک ابررسانا، جریان هایی که میدان مغناطیسی را فشار می دهند، بوجود می آیند، میدان مغناطیسی آنها آهنربای دائمی را دفع می کند و وزن آن را جبران می کند. دیواره های فنجان که آهنربا را به سمت مرکز می راند نیز مهم هستند. در بالای یک کف صاف، موقعیت آهنربا ناپایدار است؛ ضربه های تصادفی باعث می شود که آن را به سمت کناری حرکت دهد. این آهنربای شناور یادآور افسانه های شناور است. مشهورترین افسانه درباره مقبره یک پیامبر مذهبی است. تابوت که در یک غار قرار گرفته بود، بدون هیچ گونه تکیه گاه در هوا شناور بود. اکنون نمی توان با قاطعیت گفت که آیا چنین داستان هایی مبتنی بر پدیده های واقعی هستند یا خیر. اکنون از نظر فنی می توان با استفاده از اثر مایسنر "افسانه را به واقعیت تبدیل کرد".

یک میدان مغناطیسی

فیزیک مدرن از مفهوم میدان برای توصیف تأثیر یک جسم بر جسم دیگر در فاصله، بدون تماس مستقیم استفاده می کند. بنابراین، بارها و جریان ها از طریق یک میدان الکترومغناطیسی برهم کنش می کنند. همه کسانی که قوانین میدان الکترومغناطیسی را مطالعه کرده اند، تصویر بصری میدان را می شناسند - تصویری از خطوط نیروی آن. این تصویر برای اولین بار توسط فیزیکدان انگلیسی M. Faraday استفاده شد. برای وضوح، یادآوری تصویر دیگری از یک میدان مفید است که توسط یک فیزیکدان انگلیسی دیگر - J. C. Maxwell استفاده شده است.

تصور کنید که میدان یک سیال متحرک مانند آب است که در امتداد خطوط میدان جریان دارد. بیایید سعی کنیم با کمک آن تعامل بارها را طبق قانون کولمب توصیف کنیم. بگذارید یک استخر وجود داشته باشد، برای سادگی، مسطح و کم عمق، نمای بالای آن در شکل نشان داده شده است. 8. دو سوراخ در کف وجود دارد: از یکی، آب وارد استخر می شود (این مانند یک بار مثبت است)، و از طریق دیگری به بیرون می ریزد (این یک زهکش یا یک بار منفی است). آبی که در چنین استخری جریان دارد نشان دهنده میدان الکتریکی دو بار ثابت است. آب شفاف است و جریان آن برای ما نامحسوس است. اما بیایید یک "بار مثبت آزمایش" را به جت ها وارد کنیم - یک توپ روی یک رشته. ما بلافاصله نیرو را احساس خواهیم کرد - مایع توپ را همراه خود حمل می کند.

آب توپ را از منبع دور می کند - مانند بارها دفع می شود. توپ به یک درن یا باری از علامت متفاوت جذب می شود و نیروی بین بارها به فاصله بین آنها بستگی دارد، همانطور که قانون کولن نیاز دارد.

جریان ها و میدان ها در ابررساناها

برای درک رفتار جریان ها و میدان ها در ابررساناها، باید قانون القای مغناطیسی را به خاطر بسپارید. اکنون برای اهداف ما ارائه فرمول کلی تری نسبت به درس فیزیک مدرسه مفیدتر است. قانون القای مغناطیسی در واقع در مورد رابطه بین میدان های الکتریکی و مغناطیسی صحبت می کند. اگر میدان الکترومغناطیسی را به صورت سیال تصور کنیم، رابطه بین اجزای الکتریکی و مغناطیسی میدان را می‌توان به صورت رابطه بین آرام (آرام) و جریان سیال گردابی نشان داد. هر یک از آنها می تواند به تنهایی وجود داشته باشد. اجازه دهید، برای مثال، یک جریان گسترده آرام در مقابل خود داشته باشیم - یک میدان الکتریکی یکنواخت. اگر سعی کنید این فیلد را تغییر دهید، یعنی. انگار برای کاهش سرعت یا شتاب مایع، گرداب هایی ظاهر می شوند - یک میدان مغناطیسی. تغییر در یک میدان مغناطیسی همیشه منجر به ظهور یک میدان الکتریکی می شود و یک میدان الکتریکی جریانی را در یک مدار رسانا القا می کند، این پدیده معمول القای مغناطیسی است: تغییر در یک میدان مغناطیسی باعث القای جریان می شود. این قانون فیزیکی است که در تمام نیروگاه‌های دنیا کار می‌کند و به هر طریقی باعث ایجاد تغییراتی در میدان مغناطیسی در هادی می‌شود. میدان الکتریکی حاصل جریانی را تولید می کند که به خانه ها و کارخانه های صنعتی ما سرازیر می شود.

اما بیایید به ابررساناها برگردیم. جریان مستقیم در ابررسانا نیازی به وجود میدان الکتریکی ندارد و در شرایط تعادل میدان الکتریکی در ابررسانا صفر است. چنین میدانی الکترون ها را شتاب می دهد، اما هیچ مقاومت یا اصطکاک وجود ندارد که شتاب ابررساناها را متعادل کند. یک میدان الکتریکی ثابت خودسرانه کوچک منجر به افزایش بی‌نهایت جریان می‌شود که غیرممکن است. میدان الکتریکی فقط در بخش های غیر ابررسانا از مدار ایجاد می شود. جریان در ابررساناها بدون افت ولتاژ جریان دارد.

استدلال ذهنی چیزی را نشان نمی دهد که بتواند از وجود میدان مغناطیسی در یک ابررسانا جلوگیری کند. با این حال، واضح است که ابررسانا از تغییر میدان مغناطیسی جلوگیری می کند. در واقع، تغییر در میدان مغناطیسی جریانی ایجاد می کند که میدان مغناطیسی ایجاد می کند که تغییر اولیه را جبران می کند.

بنابراین، هر مدار ابررسانا باید میدان مغناطیسی را که در آن جریان دارد حفظ کند. (شار مغناطیسی از طریق یک حلقه به سادگی حاصل ضرب قدرت میدان مغناطیسی و مساحت حلقه است.)

همین اتفاق باید در ضخامت ابررسانا بیفتد. به عنوان مثال، اگر آهنربا را به یک نمونه ابررسانا نزدیک کنیم، میدان مغناطیسی آن نمی تواند به ابررسانا نفوذ کند. هر گونه "تلاش" منجر به ظهور جریانی در ابررسانا می شود که میدان مغناطیسی آن میدان خارجی را جبران می کند. در نتیجه میدان مغناطیسی در ضخامت ابررسانا وجود ندارد و دقیقا جریان مورد نیاز برای این امر در امتداد سطح جریان دارد. در ضخامت یک هادی معمولی که وارد میدان مغناطیسی می شود، همه چیز دقیقاً به همین صورت اتفاق می افتد، اما در آنجا مقاومت وجود دارد و جریان القایی خیلی سریع تحلیل می رود و انرژی آن در اثر اصطکاک به گرما تبدیل می شود. (تشخیص این گرما به صورت تجربی بسیار آسان است: دست خود را به یک ترانسفورماتور در حال کار نزدیک کنید و گرمای ناشی از آن را احساس خواهید کرد.) در یک ابررسانا هیچ مقاومتی وجود ندارد، جریان از بین نمی رود و "اجازه نمی دهد" میدان مغناطیسی در هر مدت زمان تصویر توصیف شده دقیق است و بارها توسط تجربه تایید شده است.

حالا بیایید یک آزمایش ذهنی دیگر انجام دهیم. بیایید همان تکه ماده ابررسانا را "بگیریم"، اما در دمای به اندازه کافی بالا، زمانی که هنوز در حالت عادی خود است. بیایید آن را به میدان مغناطیسی بیاوریم و صبر کنیم تا همه چیز آرام شود، جریان ها از بین بروند - این ماده توسط یک شار مغناطیسی نفوذ می کند. ما دما را پایین می آوریم و منتظر می مانیم تا ماده به حالت ابررسانا برود. به نظر می رسد که کاهش دما نباید بر الگوی میدان مغناطیسی تأثیر بگذارد. شار مغناطیسی در یک ابررسانا نباید تغییر کند. اگر آهنربا را حذف کنید - منبع میدان مغناطیسی خارجی، ابررسانا باید در برابر این مقاومت مقاومت کند و جریان های ابررسانا باید روی سطح ظاهر شوند و میدان مغناطیسی را در داخل ماده حفظ کنند.

با این حال، این رفتار کاملاً با آنچه به طور تجربی مشاهده می شود ناسازگار است: اثر مایسنر نیز در این مورد رخ خواهد داد. اگر یک فلز معمولی را در یک میدان مغناطیسی خنک کنید، وقتی به حالت ابررسانا تبدیل می شود، میدان مغناطیسی از ابررسانا به بیرون رانده می شود. در همان زمان یک جریان پیوسته روی سطح آن ظاهر می شود که میدان مغناطیسی صفر را در ضخامت ابررسانا ایجاد می کند. تصویر توصیف شده از حالت ابررسانا، صرف نظر از اینکه چگونه انتقال به این حالت انجام می شود، همیشه مشاهده می شود.

البته، این توصیف بسیار ایده آل است و با پیشرفت ارائه، آن را پیچیده خواهیم کرد. اما اکنون لازم به ذکر است که دو نوع ابررسانا وجود دارد که به یک میدان مغناطیسی واکنش متفاوتی از خود نشان می دهند. ما شروع به صحبت در مورد خواص ابررسانای نوع I کردیم که با کشف آنها ابررسانایی آغاز شد. بعدها، ابررسانای نوع دوم با خواص کمی متفاوت کشف شد. آنها عمدتاً با کاربردهای عملی ابررسانایی مرتبط هستند.

دیامغناطیس ایده آل

بیرون راندن میدان مغناطیسی برای یک فیزیکدان به اندازه عدم وجود مقاومت شگفت انگیز است. واقعیت این است که یک میدان مغناطیسی ثابت معمولاً در همه جا نفوذ می کند. فلز زمینی که از میدان الکتریکی محافظت می کند، تداخلی با آن ایجاد نمی کند. در بیشتر موارد، مرز یک جسم برای میدان مغناطیسی، دیواری نیست که «جریان» آن را مهار کند، بلکه یک پله کوچک در کف استخر است که عمق را تغییر می‌دهد و اندکی بر این «جریان» تأثیر می‌گذارد. قدرت میدان مغناطیسی در یک ماده در مقایسه با قدرت آن در خارج صدم یا هزارم درصد تغییر می کند (به استثنای مواد مغناطیسی مانند آهن و سایر فرومغناطیس ها که در آن یک میدان مغناطیسی داخلی بزرگ به میدان مغناطیسی خارجی اضافه می شود). در همه مواد دیگر، میدان مغناطیسی یا کمی تقویت می شود - و به چنین موادی پارامغناطیس می گویند، یا کمی ضعیف می شوند - به چنین موادی دیامغناطیس می گویند.

در ابررساناها، میدان مغناطیسی به صفر تضعیف می شود، آنها هستند مواد دیامغناطیس ایده آل.

فقط صفحه‌ای از جریان‌های ثابت می‌تواند از میدان مغناطیسی عبور کند. خود ابررسانا چنین صفحه ای را روی سطح خود ایجاد می کند و آن را تا زمانی که می خواهید حفظ می کند. بنابراین، اثر مایسنر، یا دیامغناطیس ایده آل یک ابررسانا، کمتر از رسانایی ایده آل آن شگفت انگیز نیست.

در شکل شکل 9 تقریباً نشان می دهد که با تغییر دما چه اتفاقی برای یک توپ فلزی می افتد تیو کاربرد میدان مغناطیسی اچ(خطوط میدان مغناطیسی با فلش هایی که در اطراف نمونه سوراخ می شوند یا جریان دارند نشان داده می شوند). فلزی که در حالت عادی خود قرار دارد به رنگ آبی مشخص می شود، اگر فلز به حالت ابررسانا برود، رنگ آن به سبز تغییر می کند. برای مقایسه، در شکل. 9، Vنشان می دهد که یک هادی ایده آل (که با حروف IC مشخص می شود) چگونه رفتار می کند - فلزی بدون اثر مایسنر با مقاومت صفر (در صورت وجود). این وضعیت با رنگ قرمز نشان داده شده است.

برنج. 9. اثر مایسنر:

آ- یک هادی معمولی با مقاومت غیر صفر در هر دمایی (1) به میدان مغناطیسی وارد می شود. مطابق با قانون القای الکترومغناطیسی، جریان هایی به وجود می آیند که در برابر نفوذ میدان مغناطیسی به فلز مقاومت می کنند (2). با این حال، اگر مقاومت غیر صفر باشد، به سرعت از بین می روند. میدان مغناطیسی در نمونه ای از فلز معمولی نفوذ می کند و تقریباً یکنواخت است (3).

ب- از حالت عادی در دمای بالاتر تیج دو راه دارد: اول: وقتی دما کاهش می‌یابد، نمونه به حالت ابررسانا می‌رود، سپس می‌توان میدان مغناطیسی اعمال کرد که از نمونه به بیرون رانده می‌شود. دوم: ابتدا یک میدان مغناطیسی که در نمونه نفوذ می کند اعمال کنید و سپس دما را کاهش دهید، سپس در طول انتقال میدان به بیرون رانده می شود. خاموش کردن میدان مغناطیسی همان تصویر را نشان می دهد.

V- اگر اثر مایسنر وجود نداشت، هادی بدون مقاومت رفتار متفاوتی داشت. هنگام انتقال به حالت بدون مقاومت در یک میدان مغناطیسی، میدان مغناطیسی را حفظ می کند و حتی زمانی که میدان مغناطیسی خارجی حذف شود، آن را حفظ می کند. مغناطیس زدایی چنین آهنربایی تنها با افزایش دما امکان پذیر است. این رفتار اما به صورت تجربی مشاهده نشده است.

کمی تاریخ

در فصل بعد با جزئیات بیشتری در مورد خواص شگفت انگیز ابررساناها صحبت خواهیم کرد و مایلیم این فصل را با فهرستی از مهمترین کارهای انجام شده توسط فیزیکدانان در طول مطالعه ابررسانایی به پایان برسانیم.

اول از همه، اینها اکتشافات قبلی H. Kamerlingh Onnes (1911) و W. Meissner و R. Ochsenfeld (1933) هستند. اولین توضیح نظری رفتار یک ابررسانا در میدان مغناطیسی در انگلستان (1935) توسط فیزیکدانان آلمانی F. London و G. London که از آلمان مهاجرت کردند ارائه شد. در سال 1950، L. D. Landau و یکی از نویسندگان این کتاب مقاله ای نوشتند که در آن یک نظریه کلی تر از ابررسانایی ایجاد کردند. این توصیف راحت بود و هنوز هم امروزه استفاده می شود؛ آن را نظریه گینزبورگ-لانداو یا نظریه ψ ابررسانایی می نامند.

مکانیسم این پدیده در سال 1957 توسط فیزیکدانان آمریکایی J. Bardeen، L. Cooper و J. Schrieffer کشف شد. بر اساس حروف بزرگ نام آنها، این نظریه نظریه BCS نامیده می شود و خود مکانیسم (رفتار جفت الکترون ها برای آن ضروری است) اغلب "جفت کوپر" نامیده می شود، زیرا ایده آن توسط L. Cooper ابداع شده است. برای توسعه فیزیک ابررسانایی، ایجاد وجود دو نوع ابر رسانا - نوع I و II - نقش عمده ای ایفا کرد. عطارد و تعدادی دیگر از ابررساناها ابررسانای نوع I هستند. ابررساناهای نوع II عمدتاً آلیاژهای دو یا چند عنصر هستند. کار L.V. Shubnikov و همکارانش در خارکف در دهه 1930 نقش مهمی در کشف ابررسانایی نوع II ایفا کرد. و A.A. Abrikosov در دهه 1950.

علاوه بر این، اکتشافات و تحقیقات در دهه 1950 تأثیر زیادی داشت. ترکیباتی با دمای بحرانی نسبتاً بالا، قادر به مقاومت در برابر میدان های مغناطیسی بسیار بالا و عبور جریان های با چگالی بالا در حالت ابررسانا هستند. شاید اوج این مطالعات، آزمایش های جی کونزلر و همکارانش (1960) بود. آنها نشان دادند که سیم Nb 3 Sn در تی= 4.2 K در میدان 88000 Oe (آنها به سادگی میدان قوی تری در اختیار نداشتند) جریانی با چگالی 100 هزار A/cm 2 عبور می دهد. ابررساناهای کشف شده در آن زمان هنوز در دستگاه های فنی کار می کنند. چنین موادی اکنون به عنوان یک کلاس ویژه از ابررساناها طبقه بندی می شوند که به آنها "ابررساناهای سخت" می گویند.

در سال 1962، فیزیکدان انگلیسی، ب. جوزفسون، به طور نظری پدیده های کاملاً غیرعادی را که باید در تماس ابررساناها رخ دهد، پیش بینی کرد. سپس این پیش‌بینی‌ها کاملاً تأیید شد و خود پدیده‌ها ابررسانایی ضعیف یا اثرات جوزفسون نامیده شدند و به سرعت کاربرد عملی پیدا کردند.

سرانجام، مقاله ای (1986) توسط فیزیکدانانی که در زوریخ کار می کردند، A. Müller سوئیسی و G. Bednorz آلمانی، کشف دسته جدیدی از مواد ابررسانا - ابررساناهای با دمای بالا - را نشان داد و منجر به بهمنی از تحقیقات جدید شد. در این منطقه.

درجات مقیاس کلوین معمولاً با حرف بزرگ K نشان داده می شوند؛ آنها برابر با درجه سانتیگراد معمول هستند، اما از دمای صفر مطلق شمارش می شوند. در مقیاس سلسیوس دمای صفر مطلق 273.16- درجه سانتی گراد است، بنابراین دمای ذکر شده 4.15 کلوین برابر با 269.01- درجه سانتی گراد است. در ادامه سعی خواهیم کرد مقادیر گرد شده را ارائه دهیم.

تصویر وقوع مقاومت الکتریکی البته پیچیده تر است و بعداً با جزئیات بیشتری به آن خواهیم پرداخت.

روشی برای "تقطیر" مشابه فرآیند تقطیر آب.

در سال 1911، دانشمند هلندی Kamerlingh Onnes، هنگام مطالعه رسانایی الکتریکی جیوه در دماهای بسیار پایین، پدیده جالبی را کشف کرد - ابررسانایی. پدیده ابررسانایی به این صورت است که جیوه، سرب، روی، آلومینیوم و برخی فلزات دیگر هنگامی که عمیقاً تا دمای بسیار پایین سرد می شوند، ناگهان در دمای 8-2 درجه کلوین به طور کامل مقاومت خود را در برابر جریان الکتریکی از دست می دهند.

مقاومت الکتریکی به آرامی با کاهش دما و معمولاً در ناحیه دماهای بسیار پایین کاهش می یابد

با کاهش سرعت معین (شکل 97). اما برای برخی از فلزات، در دمای مشخصه هر یک از آنها - در "نقطه تبدیل به یک ابررسانا" - مقاومت به طور ناگهانی حداقل ده ها میلیارد بار کاهش می یابد، احتمالا تا زمانی که به طور کامل ناپدید شود (شکل 98). در هر صورت، با وجود حساسیت استثنایی روش‌های اندازه‌گیری مورد استفاده، مقاومت الکتریکی در حالت ابررسانا به طور غیرقابل تشخیص کوچک و احتمالاً صفر است.

برنج. 97. ماهیت معمول وابستگی مقاومت به دما در منطقه دمای پایین.

برنج. 98. پرش در ناپدید شدن مقاومت برای یک ابررسانا.

هنگامی که جریان هزاران آمپر بر سانتی متر مربع از یک سیم سربی نازک در حالت ابررسانایی عبور می کند، هیچ افت پتانسیل بین انتهای سیم مشاهده نمی شود. همچنین هیچ تولید قابل توجهی از گرما از جریان وجود ندارد.

جریان، هنگامی که در یک حلقه ابررسانای بسته برانگیخته می‌شود، تا ده‌ها ساعت کاهش نمی‌یابد - تا زمانی که حالت خنک‌کننده عمیق که ابررسانایی را تضمین می‌کند، حفظ شود.

انتقال به حالت ابررسانایی با هیچ تغییر ناگهانی در سایر خواص فلز (بدون احتساب موارد مغناطیسی) همراه نیست. تحقیقات Keesom و De Haas نشان داد که انتقال به حالت ابررسانایی با هیچ تغییری در ساختار شبکه کریستالی مرتبط نیست. ثابت شده است که در لحظه ابررسانایی (در یک فلز غیر مغناطیسی) هیچ آزاد یا جذب گرما وجود ندارد. ضریب انبساط حرارتی تغییر نمی کند. فقط ظرفیت گرمایی (در دماهای پایین بسیار کم) یک جهش کوچک در جهت افزایش را تجربه می کند.

آزمایش های انجام شده توسط شوئنبرگ (1937) نشان داد که مغناطش شدید یک ابررسانا می تواند ابررسانایی آن را از بین ببرد. این شرایط محدودیتی را در چگالی جریان مجاز در یک ابررسانا ایجاد می کند: میدان مغناطیسی جریان بیش از حد بالا باعث ناپدید شدن ابررسانایی می شود. با این حال، زمانی که جریان کاهش می یابد یا زمانی که بیشتر می شود

پس از خنک شدن عمیق، حالت ابررسانایی دوباره بازیابی می شود.

تعدادی از مطالعات نشان داده اند که در یک فلز کاملا خالص در حالت ابررسانایی، تمام جریان از سطح فلز عبور می کند، در حالی که خود فلز در برابر میدان های مغناطیسی و الکتریکی غیر قابل نفوذ می شود. بنابراین، اصطلاح "ابررسانایی" ممکن است حتی معنای هندسی داشته باشد، یعنی معنای چنین حالتی از فلز زمانی که جریان از "بالا" (یا "بالا") فلز بدون نفوذ عبور کند. داخل. به طور طبیعی، ویژگی های فیزیکی و شیمیایی فلز به شکل مقاومت در برابر جریانی که "در بالای" فلز جریان می یابد، ظاهر نمی شود. اما این، البته، هنوز ماهیت پدیده را توضیح نمی دهد.

آزمایش های ظریف انجام شده توسط عضو مربوطه. آکادمی علوم اتحاد جماهیر شوروی A.I. Shalnikov ثابت کرد که عمق نفوذ میدان مغناطیسی به یک ابررسانا ده هزارم میلی متر است. آزمایش‌های بعدی توسط A.I. Shalnikov (1947) کشف کرد که انتقال به ابررسانایی یک قطعه فلز در طول خنک‌سازی عمیق از طریق یک حالت میانی رخ می‌دهد، زمانی که (طبق نظریه ایجاد شده توسط آکادمیسین L.D. Landau) فلز به لایه‌های نازک ابررسانایی جدا می‌شود. متناوب با لایه های رسانایی معمولی.

پدیده ابررسانایی در 23 فلز و بسیاری از آلیاژها کشف شده است. دمایی که در آن یک فلز، هنگامی که سرد می شود، به طور ناگهانی ابررسانایی از خود نشان می دهد - نقطه تبدیل به یک ابررسانا - برای برخی از فلزات در جدول موجود در اینجا آورده شده است.

نقاط تبدیل به یک ابررسانا در مقیاس دمای مطلق

(به اسکن مراجعه کنید)

برنج. شکل 99 نشان می دهد که چگونه افت مقاومت زمانی رخ می دهد که یک فلز تا حد تبدیل شدن به ابررسانا سرد شود.

فلزاتی که با سرد شدن عمیق تبدیل به ابررسانا می شوند به هیچ وجه بهترین رسانا در دمای اتاق نیستند. برعکس، بهترین هادی ها مس هستند،

نقره و طلا - وضعیت ابررسانایی با وجود اینکه آنها تا دمای بسیار نزدیک به صفر مطلق سرد شده بودند شناسایی نشد.

تمام فلزاتی که با سرد شدن عمیق به ابررسانا تبدیل می‌شوند، یک گروه فشرده را در سیستم تناوبی عناصر D.I. مندلیف تشکیل می‌دهند که در شکل. 100 قاب شده.

برنج. 99. تغییرات دمایی مقاومت فلزات نزدیک به صفر مطلق (ابررسانایی).

برنج. 100. موقعیت عناصر ابررسانا در جدول تناوبی مندلیف. اعداد زیر نمادهای عناصر دمای انتقال به حالت ابررسانا هستند.

پدیده ابررسانایی نیز در بسیاری از آلیاژها مشاهده می شود. قابل توجه است که آلیاژهای ابررسانا در دماهای پایین نه تنها آلیاژهای فلزات ابررسانا هستند، بلکه برخی از آلیاژهای با غلبه فلز هستند که در شکل خالص خود ابررسانایی از خود نشان نمی دهند. حتی آلیاژها و ترکیبات ابررسانا نیز وجود دارند که به طور کامل از عناصری تشکیل شده اند که به ابررساناها تعلق ندارند. اینها آلیاژهای بیسموت و طلا، مولیبدن و کاربیدهای تنگستن هستند.یک نیمه رسانا در 1.6 K تبدیل به ابررسانا می شود.

بالاترین نقاط تبدیل به حالت ابررسانایی عبارتند از: نیوبیم کاربید نیوبیم آلیاژی از قلع و نیوبیم و بالاترین نقطه - نیترید نیوبیم.

تقریباً برای نیم قرن، پدیده ابررسانایی به خوبی شناخته نشده بود. تنها در سال 1957، فیزیکدانان آمریکایی باردین، کوپر، شریفر و به شکلی کامل تر، آکادمیسین نیکولای نیکولاویچ بوگولیوبوف سرانجام موفق شدند نظریه ای رضایت بخش از ابررسانایی را ایجاد کنند.

معلوم شد که ابررسانایی از بسیاری جهات به روشی مشابه پدیده ابرسیالیت مایعات توضیح داده شده است. همانطور که در جلد اول در صفحه 367 ذکر شد، ابرسیالیت در هلیوم مایع II در دمای کمتر از 2.18 درجه مشاهده می شود؛ هلیوم مایع، به دلیل فوق سیال بودن، رسانایی حرارتی غیرعادی بالایی دارد (تقریبا یک و نیم میلیون برابر بیشتر از آب، دو هزار برابر بیشتر از مس گرفته شده در دمای اتاق).

N. N. Bogolyubov در یکی از مقالات خود (1958) می نویسد:

«...تصویر زیر از حرکت یک مایع فوق سیال پدیدار شده است: برخلاف حرکت یک مایع یا گاز معمولی که در آن ذرات منفرد به طور تصادفی حرکت می کنند، حرکت یک مایع فوق سیال درجه بالایی از نظم را نشان می دهد. این به دلیل این واقعیت است که ذرات یک مایع فوق سیال به شدت با یکدیگر تعامل دارند. این برهمکنش به ویژه برای ذرات با سرعت جهت مخالف قوی است. در نظر گرفتن درست این برهمکنش در هنگام ایجاد نظریه ابرسیالیت مشکل خاصی بود. مشکل مشابهی مملو از نظریه ابررسانایی بود.

تا پیش از این، یک نظر کلی در فیزیک وجود داشت که شباهت عمیق در رفتار سیستمی متشکل از اتم های هلیوم و سیستمی متشکل از الکترون ها به سختی امکان پذیر است. واقعیت این است که ویژگی های آماری این ذرات که رفتار سیستم های متشکل از آنها را تعیین می کند بسیار متفاوت است: هسته هلیوم از آمار بوز تبعیت می کند و الکترون ها از آمار فرمی.

تصویر کلی از رفتار الکترون ها در حالت ابررسانا را می توان به صورت زیر تصور کرد. الکترون‌های آزاد فلز در این حالت یک «مجموعه» متصل را تشکیل می‌دهند، که از نظر خواص شبیه به آن چیزی است که در تئوری ابرسیالیت، چگالش نامیده می‌شود... حرکت چنین مجموعه‌ای در کل پایدار است. با تثبیت اضافی توسط یک میدان مغناطیسی، این حرکت (جریان الکتریکی در فلز) با مقاومت مواجه نمی شود.

N.N. Bogolyubov که در سالهای گذشته نظریه فوق سیالیت مایعات را بهبود بخشید، از روش ریاضی که او ایجاد کرد برای تجزیه و تحلیل شرایط ظهور و ماهیت حرکت الکترونها "معمولا جمعی" استفاده کرد. N. N. Bogolyubov نشان داد که اگرچه دافعه الکتریکی الکترون ها از پیوستن آنها به یک "جمع" متصل جلوگیری می کند، اما به میزان کمتری از آن چیزی است که باردین، کوپر و شریفر معتقد بودند. فیزیکدانان آمریکایی، با پایبندی به این فرض که الکترون ها به صورت جفت گروه بندی می شوند، تعدادی فرمول برای کمیت های مشخص کننده وضعیت ابررسانایی به دست آورده اند. همان فرمول ها، همراه با برخی نتیجه گیری های جدید، توسط نظریه دقیق تر N. N. Bogolyubov ارائه شده است.

(77 K)، یک مایع برودتی بسیار ارزان‌تر.

یوتیوب دایره المعارفی

1 / 5

✪ درس 296. وابستگی دمایی مقاومت فلزات. ابررسانایی

✪ ابررسانایی جریان الکتریکی در محیط های مختلف فیلم آموزشی

✪ ابررسانا و جابجایی کوانتومی!

✪ ابررسانایی (به روایت فیزیکدان بوریس فاین)

✪ هدایت الکتریکی مواد مختلف | فیزیک پایه 10 #57 | درس اطلاعات

زیرنویس

تاریخچه کشف

مبنای کشف پدیده ابررسانایی، توسعه فناوری هایی برای خنک کردن مواد در دماهای بسیار پایین بود. در سال 1877، مهندس فرانسوی لوئیس کیت و فیزیکدان سوئیسی رائول پیکتت به طور مستقل اکسیژن را به حالت مایع خنک کردند. در سال 1883، Zygmunt Wróblewski و Karol Olszewski مایع سازی نیتروژن را انجام دادند. در سال 1898، جیمز دوار موفق به بدست آوردن هیدروژن مایع شد.

در سال 1893، فیزیکدان هلندی Heike Kamerlingh Onnes شروع به مطالعه مشکل دمای بسیار پایین کرد. او موفق به ایجاد بهترین آزمایشگاه برودتی در جهان شد که در آن هلیوم مایع را در 10 ژوئیه 1908 به دست آورد. بعداً او توانست دمای آن را به 1 کلوین برساند. Kamerlingh Onnes از هلیوم مایع برای مطالعه خواص فلزات، به ویژه برای اندازه گیری وابستگی مقاومت الکتریکی آنها به دما استفاده کرد. طبق تئوری های کلاسیکی که در آن زمان وجود داشت، مقاومت باید به آرامی با کاهش دما کاهش یابد، اما این عقیده نیز وجود داشت که در دماهای خیلی پایین، الکترون ها عملا متوقف می شوند و فلز به طور کامل هدایت جریان را متوقف می کند. آزمایش‌هایی که کامرلینگ اونس با دستیارانش کورنلیس دورسمن و ژیل هولست انجام داد، در ابتدا نتیجه‌گیری در مورد کاهش آرام مقاومت را تأیید کرد. با این حال، در 8 آوریل 1911، او به طور غیرمنتظره ای کشف کرد که در 3 کلوین (حدود -270 درجه سانتیگراد) مقاومت الکتریکی عملاً صفر است. آزمایش بعدی که در 11 می انجام شد، نشان داد که افت شدید مقاومت به صفر در دمای حدود 4.2 کلوین رخ می دهد (بعداً اندازه گیری های دقیق تر نشان داد که این دما 4.15 کلوین است). این تأثیر کاملاً غیرمنتظره بود و با نظریه های موجود در آن زمان قابل توضیح نبود.

مقاومت صفر تنها ویژگی متمایز ابررساناها نیست. یکی از تفاوت های اصلی بین ابررساناها و هادی های ایده آل، اثر مایسنر است که توسط والتر مایسنر و رابرت آکسنفلد در سال 1933 کشف شد.

بعداً کشف شد که ابررساناها به دو خانواده بزرگ تقسیم می شوند: ابررساناهای نوع I (که به طور خاص شامل جیوه است) و نوع II (که معمولاً آلیاژهای فلزات مختلف هستند). کار L.V. Shubnikov در دهه 1930 و A.A. Abrikosov در دهه 1950 نقش مهمی در کشف ابررسانایی نوع دوم ایفا کرد.

کشف ابررساناهایی که قادر به مقاومت در برابر میدان های مغناطیسی قوی و انتقال چگالی جریان بالا بودند، از اهمیت زیادی برای کاربردهای عملی در آهنرباهای الکتریکی پرقدرت برخوردار بود. بنابراین، در سال 1960، تحت رهبری J. Künzler، ماده Nb 3 Sn کشف شد، سیمی که از آن قادر به عبور جریانی با چگالی تا 100 کیلو آمپر بر سانتی متر مربع در دمای 4.2 کلوین است. میدان مغناطیسی 8.8 T

در سال 2015، رکورد جدیدی برای دمایی که در آن ابررسانایی به دست می آید، ثبت شد. برای H2S (سولفید هیدروژن) در فشار 100 گیگا پاسکال، یک انتقال ابررسانا در دمای 203 K (70- درجه سانتیگراد) ثبت شد.

طبقه بندی

معیارهای مختلفی برای طبقه بندی ابررساناها وجود دارد. در اینجا موارد اصلی وجود دارد:

خواص ابررساناها

مقاومت الکتریکی صفر

برای جریان الکتریکی مستقیم، مقاومت الکتریکی یک ابررسانا صفر است. این در آزمایشی نشان داده شد که در آن یک جریان الکتریکی در یک ابررسانای بسته القا شد که به مدت 2.5 سال بدون تضعیف در آن جریان داشت (آزمایش با اعتصاب کارگرانی که مایعات برودتی را تحویل می‌دادند قطع شد).

ابررساناها در یک میدان فرکانس بالا

به بیان دقیق، این جمله که مقاومت ابررساناها صفر است، فقط برای جریان الکتریکی مستقیم صادق است. در میدان الکتریکی متناوب، مقاومت یک ابررسانا غیر صفر است و با افزایش فرکانس میدان افزایش می یابد. این اثر، به زبان مدل دو سیال یک ابررسانا، با حضور، همراه با کسر ابررسانای الکترون‌ها، الکترون‌های معمولی توضیح داده می‌شود که تعداد آنها، اما، کم است. هنگامی که یک ابررسانا در یک میدان ثابت قرار می گیرد، این میدان در داخل ابررسانا صفر می شود، زیرا در غیر این صورت الکترون های ابررسانا تا بی نهایت شتاب می گیرند که غیرممکن است. با این حال، در مورد یک میدان متناوب، میدان داخل ابررسانا غیر صفر است و همچنین الکترون های معمولی را شتاب می دهد، که هر دو مقاومت الکتریکی محدود و تلفات حرارتی ژول با آن مرتبط هستند. این اثر مخصوصاً برای چنین فرکانس‌هایی از نور که انرژی کوانتومی برای آنها وجود دارد، مشخص است h ν (\displaystyle h\nu)برای انتقال یک الکترون ابررسانا به گروه الکترون های عادی کافی است. این فرکانس معمولاً در ناحیه مادون قرمز (حدود 10 11 هرتز) قرار دارد، بنابراین، در محدوده مرئی، ابررساناها عملاً تفاوتی با فلزات معمولی ندارند.

انتقال فاز به حالت ابررسانا

در حال حاضر، فاز HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 + d (Hg-1223) دارای بالاترین مقدار شناخته شده دمای بحرانی - 135 K است و در فشار خارجی 350 هزار اتمسفر دمای انتقال به 164 کلوین افزایش می یابد. تنها 19 کلوین کمتر از حداقل دمای ثبت شده در شرایط طبیعی در سطح زمین است. بنابراین، ابررساناها در توسعه خود از جیوه فلزی (4.15 K) به ابررساناهای دارای جیوه با دمای بالا (164 K) تبدیل شده اند. در سال 2000، نشان داده شد که فلوئوراسیون جزئی سرامیک های جیوه ای فوق الذکر به فرد اجازه می دهد تا دمای بحرانی را در فشار معمولی تا 138 کلوین افزایش دهد.

انتقال یک ماده به حالت ابررسانا با تغییر در خواص حرارتی آن همراه است. با این حال، این تغییر به نوع ابررساناهای مورد نظر بستگی دارد. بنابراین، برای ابررسانای نوع I در غیاب میدان مغناطیسی در دمای انتقال تی سیگرمای انتقال (جذب یا رهاسازی) به صفر می‌رسد و در نتیجه دچار جهش در ظرفیت گرمایی می‌شود که مشخصه یک انتقال فاز از نوع ΙΙ است. این وابستگی دمایی ظرفیت گرمایی زیرسیستم الکترونیکی یک ابررسانا نشان دهنده وجود شکاف انرژی در توزیع الکترون ها بین حالت پایه ابررسانا و سطح تحریکات اولیه است. هنگامی که انتقال از حالت ابررسانا به حالت عادی با تغییر میدان مغناطیسی اعمال شده انجام می شود، گرما باید جذب شود (به عنوان مثال، اگر نمونه از نظر حرارتی عایق باشد، دمای آن کاهش می یابد). و این مربوط به یک انتقال فاز از مرتبه 1 است. برای ابررسانای نوع II، انتقال از حالت ابررسانا به حالت عادی تحت هر شرایطی، انتقال فاز نوع II خواهد بود.

اثر مایسنر

یکی از ویژگی‌های مهم‌تر یک ابررسانا نسبت به مقاومت الکتریکی صفر، اثر مایسنر است که شامل جابجایی یک میدان مغناطیسی ثابت از یک ابررسانا است. از این مشاهدات تجربی به این نتیجه می‌رسد که جریان‌های مداومی در داخل ابررسانا وجود دارد که میدان مغناطیسی داخلی ایجاد می‌کند که مخالف میدان مغناطیسی اعمال‌شده خارجی است و آن را جبران می‌کند.

اثر ایزوتوپی

اثر ایزوتوپیبرای ابررساناها این دما است تی اسبا ریشه های مربع جرم اتمی ایزوتوپ های همان عنصر ابررسانا نسبت معکوس دارند. در نتیجه، آماده‌سازی‌های مونوایزوتوپی تا حدودی در دماهای بحرانی از مخلوط طبیعی و از یکدیگر متفاوت هستند.

لحظه لندن

ابررسانای دوار میدان مغناطیسی درستی با محور چرخش ایجاد می‌کند که گشتاور مغناطیسی حاصل را «لمان لندن» می‌نامند. این به ویژه در ماهواره علمی Gravity Probe B مورد استفاده قرار گرفت، جایی که میدان های مغناطیسی چهار ژیروسکوپ ابررسانا برای تعیین محورهای چرخش آنها اندازه گیری شد. از آنجایی که روتورهای ژیروسکوپ کره‌هایی تقریباً کاملاً صاف بودند، استفاده از لحظه لندن یکی از معدود راه‌ها برای تعیین محور چرخش آنها بود.

لحظه گرانش مغناطیسی لندن

حلقه ای از ابررسانا در حال چرخش و در عین حال شتاب دهنده، یعنی افزایش فرکانس چرخش، میدان گرانشی ایجاد می کند. آزمایش‌های مربوط به گشتاور گرانشی لندن توسط مارتین تاجمار از شرکت اتریشی ARC Seibersdorf Research و کلوویس د ماتوس از آژانس فضایی اروپا (ESA) در سال 2006 انجام شد. آزمایشگران برای اولین بار میدان گرانشی مغناطیسی را که به طور مصنوعی به این روش ایجاد شده بود اندازه گیری کردند. تاجمار و دی ماتوس معتقدند که این اثر معمای تفاوت بین جرم جفت‌های کوپر که قبلاً با دقت بالا اندازه‌گیری شده بود (اینها الکترون‌هایی هستند که رسانایی در یک ابررسانا را فراهم می‌کنند) و همان جرم به‌دست‌آمده روی کاغذ را توضیح می‌دهد - طبق محاسبات نظریه کوانتومی. .

محققان اثر گرانشی کشف شده تجربی را "لحظه گرانشی لندن" نامیدند، به قیاس با اثر مغناطیسی مشابه: ظهور یک میدان مغناطیسی در طول چرخش یک ابررسانا، به نام "لحظه لندن".

میدان ایجاد شده به این ترتیب 100 میلیون بار ضعیف تر از میدان گرانشی زمین بود. و اگرچه این اثر توسط نظریه نسبیت عام پیش‌بینی شده بود، این قدرت میدان 20 مرتبه قدر قوی‌تر از مقدار محاسبه‌شده بود.

توضیح نظری اثر ابررسانایی

یک نظریه میکروسکوپی کاملاً رضایت‌بخش در مورد ابررسانایی در حال حاضر وجود ندارد.

قبلاً در مراحل نسبتاً اولیه مطالعه ابررسانایی، حداقل پس از ایجاد نظریه گینزبورگ-لانداو، آشکار شد که ابررسانایی نتیجه اتحاد تعداد ماکروسکوپی الکترون های رسانا در یک حالت مکانیکی کوانتومی منفرد است. ویژگی الکترون‌های محدود شده در چنین مجموعه‌ای این است که نمی‌توانند انرژی را با شبکه در بخش‌های کوچک مبادله کنند، کمتر از انرژی پیوندشان در مجموعه. به این معنی که وقتی الکترون ها در یک شبکه کریستالی حرکت می کنند، انرژی الکترون ها تغییر نمی کند و این ماده مانند یک ابررسانا با مقاومت صفر رفتار می کند. تجزیه و تحلیل مکانیک کوانتومی نشان می دهد که در این مورد هیچ پراکندگی امواج الکترونی توسط ارتعاشات حرارتی شبکه یا ناخالصی ها وجود ندارد. و این به معنای عدم وجود مقاومت الکتریکی است. چنین ترکیبی از ذرات در مجموعه ای از فرمیون ها غیرممکن است. این مشخصه مجموعه ای از بوزون های یکسان است. این واقعیت که الکترون‌ها در ابررساناها در جفت‌های بوزونی ترکیب می‌شوند، از آزمایش‌های اندازه‌گیری مقدار کوانتوم شار مغناطیسی که در استوانه‌های ابررسانای توخالی «یخ زده» است، ناشی می‌شود. بنابراین، در اواسط قرن بیستم، وظیفه اصلی ایجاد نظریه ابررسانایی، توسعه مکانیزمی برای جفت شدن الکترون بود. اولین نظریه ای که مدعی ارائه توضیح میکروسکوپی از علل ابررسانایی بود، نظریه Bardeen - Cooper - Schrieffer بود که توسط آنها در دهه 50 قرن بیستم ایجاد شد. این نظریه با نام BCS به رسمیت شناخته شد و در سال 1972 جایزه نوبل را دریافت کرد. هنگام ایجاد نظریه خود، نویسندگان بر اثر ایزوتوپی، یعنی تأثیر جرم ایزوتوپ بر دمای بحرانی ابررسانا تکیه کردند. اعتقاد بر این بود که وجود آن به طور مستقیم نشان دهنده تشکیل یک حالت ابررسانا به دلیل عملکرد مکانیسم فونون است.

تئوری BCS برخی از سوالات را بی پاسخ گذاشت. بر اساس آن، حل مشکل اصلی غیرممکن است - توضیح اینکه چرا ابررساناهای خاص یک یا آن دمای بحرانی دارند. علاوه بر این، آزمایش‌های بیشتر با جایگزین‌های ایزوتوپی نشان داد که به دلیل ناهماهنگی ارتعاشات نقطه صفر یون‌ها در فلزات، تأثیر مستقیم جرم یون بر فواصل بین یونی در شبکه و بنابراین مستقیماً بر انرژی فرمی وجود دارد. فلز بنابراین، مشخص شد که وجود اثر ایزوتوپی دلیلی بر مکانیسم فونون نیست، زیرا تنها عامل ممکن برای جفت شدن الکترون‌ها و وقوع ابررسانایی است. نارضایتی از نظریه BCS در سال‌های بعد به تلاش برای ایجاد مدل‌های دیگری مانند مدل نوسانات اسپین و مدل دوقطبی منجر شد. با این حال، اگرچه آنها مکانیسم های مختلفی را برای ترکیب الکترون ها به صورت جفت در نظر گرفتند، اما این پیشرفت ها همچنین منجر به پیشرفت در درک پدیده ابررسانایی نشد.

مشکل اصلی نظریه BCS وجود . است که با این نظریه قابل توصیف نیست.

کاربردهای ابررسانایی

پیشرفت قابل توجهی در دستیابی به ابررسانایی در دمای بالا صورت گرفته است. بر اساس سرامیک های فلزی، به عنوان مثال، ترکیب YBa 2 Cu 3 O x، موادی به دست آمده اند که دمای آنها تی سیانتقال به حالت ابررسانا بیش از 77 K (دمای مایع نیتروژن) است. متأسفانه، تقریباً همه ابررساناهای با دمای بالا از نظر فناوری پیشرفته نیستند (شکننده، فاقد خواص پایدار و غیره) هستند، در نتیجه ابررساناهای مبتنی بر آلیاژهای نیوبیوم هنوز عمدتاً در فناوری استفاده می شوند.

پدیده ابررسانایی برای تولید میدان های مغناطیسی قوی (مثلاً در سیکلوترون ها) استفاده می شود، زیرا در هنگام عبور جریان های قوی از ابررسانا، تلفات حرارتی وجود ندارد و میدان های مغناطیسی قوی ایجاد می کند. اما با توجه به اینکه میدان مغناطیسی حالت ابررسانایی را از بین می برد، برای به دست آوردن میدان های مغناطیسی قوی از میدان های به اصطلاح مغناطیسی استفاده می شود. ابررساناهای نوع دوم که در آنها همزیستی ابررسانایی و میدان مغناطیسی امکان پذیر است. در چنین ابررساناهایی، یک میدان مغناطیسی باعث پیدایش رشته‌های نازکی از فلز معمولی می‌شود که در نمونه نفوذ می‌کنند، که هر کدام حامل یک کوانتوم شار مغناطیسی هستند (گرداب‌های آبریکوسوف). ماده بین رشته ها ابررسانا باقی می ماند. از آنجایی که هیچ اثر کامل مایسنر در ابررسانای نوع II وجود ندارد، ابررسانایی تا مقادیر میدان مغناطیسی بسیار بالاتر وجود دارد. اچ ج 2. ابررساناهای زیر عمدتاً در فناوری استفاده می شوند:

دستگاه های حلقه ابررسانای مینیاتوری - SQUIDS که عملکرد آنها بر اساس ارتباط بین تغییرات شار مغناطیسی و ولتاژ است، در کاربردهای مهم یافت می شوند. آنها بخشی از مغناطیس‌سنج‌های فوق حساس هستند که میدان مغناطیسی زمین را اندازه‌گیری می‌کنند و همچنین در پزشکی برای به دست آوردن مگنتوگرام‌های اندام‌های مختلف استفاده می‌شوند.

از ابررساناها در مگلوها نیز استفاده می شود.

پدیده وابستگی دمای انتقال به حالت ابررسانا به بزرگی میدان مغناطیسی در کرایوترون ها - مقاومت های کنترل شده استفاده می شود.

همچنین ببینید

یادداشت

کشف ابررسانایی - فصلی از کتاب جی. تریگ "فیزیک قرن بیستم: آزمایش های کلیدی"
دیرک ون دلفت و پیتر کز.

ابررسانایی

ابررسانایی- خاصیت برخی مواد داشتن کاملاً صفرمقاومت الکتریکی زمانی که به دمای زیر یک مقدار معین (دمای بحرانی) برسند. چندین ده عنصر خالص، آلیاژ و سرامیک شناخته شده است که به حالت ابررسانا تبدیل می شوند. ابررسانایی یک پدیده کوانتومی است. همچنین با اثر مایسنر مشخص می شود که شامل جابجایی کامل میدان مغناطیسی از حجم ابررسانا است. وجود این اثر نشان می دهد که نمی توان ابررسانایی را به سادگی توصیف کرد هدایت کاملبه معنای کلاسیک

در سال 1893، فیزیکدان هلندی Heike Kamerlingh Onnes شروع به مطالعه مشکل دمای بسیار پایین کرد. او موفق به ایجاد بهترین آزمایشگاه برودتی در جهان شد که در آن هلیوم مایع را در 10 ژوئیه 1908 به دست آورد. بعداً او توانست دمای آن را به 1 کلوین برساند. Kamerlingh Onnes از هلیوم مایع برای مطالعه خواص فلزات، به ویژه برای اندازه گیری وابستگی مقاومت الکتریکی آنها به دما استفاده کرد. بر اساس تئوری های کلاسیکی که در آن زمان وجود داشت، مقاومت باید به تدریج با کاهش دما کاهش یابد، اما این عقیده نیز وجود داشت که در دماهای خیلی پایین، الکترون ها عملاً متوقف می شوند و به طور کلی جریان را متوقف می کنند. آزمایش‌هایی که کامرلینگ اونس با دستیارانش کورنلیس دورسمن و ژیل هولست انجام داد، در ابتدا نتیجه‌گیری در مورد کاهش آرام مقاومت را تأیید کرد. با این حال، در 8 آوریل 1911، او به طور غیرمنتظره ای کشف کرد که در 3 کلوین (حدود -270 درجه سانتیگراد) مقاومت الکتریکی عملاً صفر است. آزمایش بعدی که در 11 می انجام شد، نشان داد که یک جهش شدید در مقاومت به صفر در دمای حدود 4.2 کلوین رخ می دهد (بعداً اندازه گیری های دقیق تر نشان داد که این دما 4.15 کلوین است). این تأثیر کاملاً غیرمنتظره بود و با نظریه های موجود در آن زمان قابل توضیح نبود.

مقاومت صفر تنها ویژگی متمایز ابررساناها نیست. یکی از تفاوت های اصلی بین ابررساناها و هادی های ایده آل، اثر مایسنر است که توسط والتر مایسنر و رابرت اوکسنفلد در سال 1933 کشف شد.

کشف ابررساناهایی که قادر به مقاومت در برابر میدان های مغناطیسی قوی و حمل چگالی جریان بالا در دهه 1950 بودند، برای کاربردهای عملی در مغناطیس های الکتریکی پرقدرت اهمیت زیادی داشت. بنابراین، در سال 1960، تحت رهبری J. Künzler، ماده Nb 3 Sn کشف شد، سیمی که از آن قادر به عبور جریانی با چگالی تا 100 کیلو آمپر بر سانتی متر مربع در دمای 4.2 کلوین است. میدان مغناطیسی 8.8 T

خواص ابررساناها

مقاومت الکتریکی صفر

ابررساناها در یک میدان فرکانس بالا

به بیان دقیق، این جمله که مقاومت ابررساناها صفر است، فقط برای جریان الکتریکی مستقیم صادق است. در میدان الکتریکی متناوب، مقاومت یک ابررسانا غیر صفر است و با افزایش فرکانس میدان افزایش می یابد. این اثر، به زبان مدل دو سیال یک ابررسانا، با حضور، همراه با کسر ابررسانای الکترون‌ها، الکترون‌های معمولی توضیح داده می‌شود که تعداد آنها، اما، کم است. هنگامی که یک ابررسانا در یک میدان ثابت قرار می گیرد، این میدان در داخل ابررسانا صفر می شود، زیرا در غیر این صورت الکترون های ابررسانا تا بی نهایت شتاب می گیرند که غیرممکن است. با این حال، در مورد یک میدان متناوب، میدان داخل ابررسانا غیر صفر است و همچنین الکترون های معمولی را شتاب می دهد، که هر دو مقاومت الکتریکی محدود و تلفات حرارتی ژول با آن مرتبط هستند. این اثر به ویژه برای فرکانس‌هایی از نور که انرژی کوانتومی برای انتقال یک الکترون ابررسانا به گروه الکترون‌های عادی کافی است، مشخص است. این فرکانس معمولاً در ناحیه مادون قرمز (حدود 10 11 هرتز) قرار دارد، بنابراین، در محدوده مرئی، ابررساناها عملاً تفاوتی با فلزات معمولی ندارند.

انتقال فاز به حالت ابررسانا

ماهیت تغییر ظرفیت گرمایی (cv، نمودار آبی) و مقاومت (ρ، سبز) در طول انتقال فاز به حالت ابررسانا

محدوده دمایی انتقال به حالت ابررسانا برای نمونه های خالص از هزارم کلوین تجاوز نمی کند و بنابراین یک مقدار معین منطقی است. تی اس- دمای انتقال به حالت ابررسانا. این مقدار نامیده می شود دمای انتقال بحرانی. عرض فاصله انتقال به ناهمگنی فلز، در درجه اول به وجود ناخالصی ها و تنش های داخلی بستگی دارد. دمای شناخته شده فعلی تی اساز 0.0005 K برای منیزیم (Mg) تا 23.2 K برای ترکیب بین فلزی نیوبیم و ژرمانیوم (Nb 3 Ge، در فیلم) و 39 K برای دیبورید منیزیم (2) برای ابررساناهای با دمای پایین تغییر می کند. تی اسزیر 77 کلوین، نقطه جوش نیتروژن مایع، تا حدود 135 کلوین برای ابررساناهای با دمای بالا حاوی جیوه. در حال حاضر، فاز HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 + d (Hg-1223) دارای بالاترین مقدار شناخته شده دمای بحرانی - 135 K است و در فشار خارجی 350 هزار اتمسفر دمای انتقال به 164 کلوین افزایش می یابد. تنها 19 کلوین کمتر از حداقل دمای ثبت شده در شرایط طبیعی در سطح زمین است. بنابراین، ابررساناها در توسعه خود از جیوه فلزی (4.15 K) به ابررساناهای دارای جیوه با دمای بالا (164 K) تبدیل شده اند.

انتقال یک ماده به حالت ابررسانا با تغییر در خواص حرارتی آن همراه است. با این حال، این تغییر به نوع ابررساناهای مورد نظر بستگی دارد. بنابراین، برای ابررسانای نوع I در غیاب میدان مغناطیسی در دمای انتقال تی سیگرمای انتقال (جذب یا رهاسازی) صفر می شود و در نتیجه دچار جهش در ظرفیت گرمایی می شود که مشخصه یک انتقال فاز از نوع ΙΙ است. این وابستگی دمایی ظرفیت گرمایی زیرسیستم الکترونیکی یک ابررسانا نشان دهنده وجود شکاف انرژی در توزیع الکترون ها بین حالت پایه ابررسانا و سطح تحریکات اولیه است. هنگامی که انتقال از حالت ابررسانا به حالت عادی با تغییر میدان مغناطیسی اعمال شده انجام می شود، گرما باید جذب شود (به عنوان مثال، اگر نمونه از نظر حرارتی عایق باشد، دمای آن کاهش می یابد). و این مربوط به یک انتقال فاز از مرتبه 1 است. برای ابررسانای نوع II، انتقال از حالت ابررسانا به حالت عادی تحت هر شرایطی، انتقال فاز نوع II خواهد بود.

اثر مایسنر

یکی از ویژگی‌های مهم‌تر از یک ابررسانا نسبت به مقاومت الکتریکی صفر، به اصطلاح اثر مایسنر است که شامل بیرون راندن شار مغناطیسی توسط ابررسانا است. از این مشاهدات تجربی به این نتیجه می‌رسد که جریان‌های مداومی در داخل ابررسانا وجود دارد که میدان مغناطیسی داخلی ایجاد می‌کند که مخالف میدان مغناطیسی اعمال‌شده خارجی است و آن را جبران می‌کند.

اثر ایزوتوپی

اثر ایزوتوپیبرای ابررساناها این دما است تی اسبا ریشه های مربع جرم اتمی ایزوتوپ های همان عنصر ابررسانا نسبت معکوس دارند.

لحظه لندن

ابررسانای دوار میدان مغناطیسی درستی با محور چرخش ایجاد می کند، گشتاور مغناطیسی حاصل را «لمان لندن» می نامند. این به ویژه در ماهواره علمی "Gvity Probe B" استفاده شد، جایی که میدان های مغناطیسی چهار ژیروسکوپ ابررسانا برای تعیین محورهای چرخش آنها اندازه گیری شد. از آنجایی که روتورهای ژیروسکوپ کره‌هایی تقریباً کاملاً صاف بودند، استفاده از لحظه لندن یکی از معدود راه‌ها برای تعیین محور چرخش آنها بود.

توضیح نظری اثر ابررسانایی

قبلاً در مراحل نسبتاً اولیه مطالعه ابررسانایی، حداقل پس از ایجاد نظریه گینزبورگ-لانداو، آشکار شد که ابررسانایی نتیجه اتحاد تعداد ماکروسکوپی الکترون های رسانا در یک حالت مکانیکی کوانتومی منفرد است. ویژگی الکترون‌های محدود شده در چنین مجموعه‌ای این است که نمی‌توانند انرژی را با شبکه در بخش‌های کوچک مبادله کنند، کمتر از انرژی پیوندشان در مجموعه. به این معنی که وقتی الکترون ها در یک شبکه کریستالی حرکت می کنند، انرژی الکترون ها تغییر نمی کند و این ماده مانند یک ابررسانا با مقاومت صفر رفتار می کند. تجزیه و تحلیل مکانیک کوانتومی نشان می دهد که در این مورد هیچ پراکندگی امواج الکترونی توسط ارتعاشات حرارتی شبکه یا ناخالصی ها وجود ندارد. و این به معنای عدم وجود مقاومت الکتریکی است. چنین ترکیبی از ذرات در مجموعه ای از فرمیون ها غیرممکن است. این مشخصه مجموعه ای از بوزون های یکسان است. این واقعیت که الکترون‌ها در ابررساناها در جفت‌های بوزونی ترکیب می‌شوند، از آزمایش‌های اندازه‌گیری مقدار کوانتوم شار مغناطیسی که در استوانه‌های ابررسانای توخالی «یخ زده» است، ناشی می‌شود. بنابراین، در اواسط قرن گذشته، وظیفه اصلی ایجاد نظریه ابررسانایی، توسعه مکانیزمی برای جفت شدن الکترون بود. اولین نظریه ای که مدعی ارائه توضیح میکروسکوپی از علل ابررسانایی بود، نظریه باردین-کوپر-شریفر بود که توسط آنها در دهه 50 قرن گذشته ایجاد شد. این نظریه با نام BCS به رسمیت شناخته شد و در سال 1972 جایزه نوبل را دریافت کرد. هنگام ایجاد نظریه خود، نویسندگان بر اثر ایزوتوپ، یعنی تأثیر جرم ایزوتوپ بر دمای بحرانی ابررسانا تکیه کردند. اعتقاد بر این بود که وجود آن به طور مستقیم نشان دهنده تشکیل یک حالت ابررسانا به دلیل عملکرد مکانیسم فونون است.

مقایسه مقادیر محاسبه شده دماهای بحرانی ابررساناها با داده های اندازه گیری.

بر اساس یکی از آخرین نظریه های ارائه شده توسط B.V. Vasiliev، جفت شدن الکترون شرط لازم اما کافی برای وجود یک حالت ابررسانا نیست. علاوه بر این، مکانیسم خاصی که منجر به چنین جفت شدن می شود چندان مهم نیست. مهم است که چنین مکانیزمی وجود داشته باشد و در کل محدوده دمایی که حالت ابررسانا وجود دارد، فعال باشد.

دلیل این امر به شرح زیر است: با ترکیب شدن به صورت جفت، الکترون ها بوزون هایی ایجاد می کنند که در یک مجموعه یکسان ترکیب نمی شوند. آنها با نوسانات صفر غیرهمبسته متمایز می شوند. برای انتقال بوزون ها به حالت یکسان، باید ارتعاشات نقطه صفر آنها را مرتب کرد. به همین دلیل، پارامترهای مشخص کننده مکانیسم ترتیب نوسانات نقطه صفر در یک گاز الکترونی برای خواص ابررساناها تعیین کننده هستند.

کاربردهای ابررسانایی

پدیده ابررسانایی برای تولید میدان‌های مغناطیسی قوی استفاده می‌شود، زیرا هنگام عبور جریان‌های قوی از یک ابررسانا، اتلاف حرارتی وجود ندارد و میدان‌های مغناطیسی قوی ایجاد می‌کند. اما با توجه به اینکه میدان مغناطیسی حالت ابررسانایی را از بین می برد، برای به دست آوردن میدان های مغناطیسی قوی از میدان های به اصطلاح مغناطیسی استفاده می شود. ابررساناهای نوع دوم که در آنها همزیستی ابررسانایی و میدان مغناطیسی امکان پذیر است. در چنین ابررساناهایی، یک میدان مغناطیسی باعث پیدایش رشته‌های نازکی از فلز معمولی می‌شود که در نمونه نفوذ می‌کنند، که هر کدام حامل یک کوانتوم شار مغناطیسی هستند. ماده بین رشته ها ابررسانا باقی می ماند. از آنجایی که هیچ اثر کامل مایسنر در ابررسانای نوع II وجود ندارد، ابررسانایی تا مقادیر میدان مغناطیسی بسیار بالاتر وجود دارد. اچ ج 2. ابررساناهای زیر عمدتاً در فناوری استفاده می شوند:

همچنین ببینید

ابررسانایی و نوسانات نقطه صفر

یادداشت

دیرک ون دلفت و پیتر کزکشف ابررسانایی (انگلیسی) // فیزیک امروز. - 2010. - جلد. 63. - صص 38-43.
الکسی لوینابررسانایی صدمین سالگرد خود را جشن می گیرد. Elements.ru (8 آوریل 2011). بایگانی شده از نسخه اصلی در 23 اوت 2011. بازیابی شده در 8 آوریل 2011.
V. L. Ginzburg، E. A. Andryushinفصل 1. کشف ابررسانایی // ابررسانایی. - ویرایش دوم، اصلاح و گسترش یافته است. - آلفا-م، 2006. - 112 ص. - 3000 نسخه. - شابک 5-98281-088-6

شاید خواندن آن مفید باشد: