ابررسانایی چیست

از كشف ابررسانایی در سال ۱۹۱۱ میلادی تا سال ۱۹۸۶ , باور عموم بر آن بود كه ابررسانایی فقط می تواند در فلزاتی در دماهای بسیار پایین وجود داشته باشد, كه فقط در دماهای حداكثر ۲۵ درجه بالای صفر مطلق اتفاق می افتاد

از كشف ابررسانایی در سال ۱۹۱۱ میلادی تا سال ۱۹۸۶ ، باور عموم بر آن بود كه ابررسانایی فقط می تواند در فلزاتی در دماهای بسیار پایین وجود داشته باشد، كه فقط در دماهای حداكثر ۲۵ درجه بالای صفر مطلق اتفاق می افتاد. با كشف ابررسانایی در دماهای بالاتر در سال ۱۹۸۶ ، در موادی كه تقریبا ضد فرو مغناطیسی بودند، و در هواپیماهای شامل a nearly square array of اتم های مس و اكسیژن، فصل جدیدی در علم فیزیك باز كرد. حقیقتا، درك ظاهر شدن ابررسانایی در دماهای بالا (حداكثر دمای ۱۶۰ كلوین) یك مساله ی بزرگ برای بحث كردن می باشد. تا آن جا كه امروزه بیش از ده هزار محقق روی این موضوع تحقیق و بررسی انجام می دهند.

پس از مقدمه ای بر مفاهیم پایه ی فلزات معمولی و مرسوم، دمای پایین، و ابررسانایی، مروری بر نتایج مشاهدات انجام شده در دهه ی گذشته خواهم داشت ، كه نشان می دهند ابررساناهای دمای بالا فلزات عجیبی با خواص غیرعادی بسیار بالای ابررسانایی می باشند. سپس، پیشرفت های نظری اخیری را شرح خواهم داد كه طبیعت چنین فلزات عجیب را آشكار می سازد، و به شدت این پیشنهاد را كه "تعامل مغناطیسی بین تحریكات ذره ی quasi مسطح است كه رفتار حالت عادی آن ها را به هم می زند و باعث روی دادن حالت ابررسانایی در دماهای بالا می شود" پشتیبانی و تایید می كنند.

مقدمه :

در سال ۱۹۱۱ ، H. Kamerlingh-Onnes هنگام كار كردن در آزمایشگاه دمای پایین خود كشف كرد كه در دمای چند درجه بالای صفر مطلق، جریان الكتریسیته می تواند بدون هیچ اتلاف اختلاف پتانسیل در فلز جیوه جریان پیدا كند. او این واقعه ی منحصر به فرد را "ابررسانایی" (Superconductivity) نامید. هیچ نظریه ای برای توضیح این رخداد در طول پنجاه و شش سال بعد از كشف ارائه نگردید. تا وقتی كه در ۱۹۵۷ ، در دانشگاه الینویس ، سه فیزیكدان : John Bardeen ، Leon Cooper ، و Robert Schrieffer نظریه ی میكروسكوپی خود ارائه كردن كه بعدا با نام تئوری BCS (حروف ابتدایی نام محققان ) شناخته شد. سومین رخداد مهم در تاریخ ابررسانایی در سال ۱۹۸۶ اتفاق افتاد، وقتی كه George Bednorz و Alex Mueller ، در حال كار كردن در آزمایشگاه IBM نزدیك شهر زوریخ سوئیس، یك كشف مهم دیگر كردند : ابررسانایی در دماهای بالاتر از دماهایی كه قبلا برای ابررسانایی شناخته شده بودند در فلزاتی كاملا متفاوت از آنچه قبلا فلز ابررسانا شناخته می شود. این كشف باعث ایجاد زمینه ی جدید ی در علم فیزیك شد : مطالعه ابررسانایی دمای بالا، یا . در این مقاله، كه برای غیر متخصص ها تنظیم گشته است، این را كه ما چقدر در فهم دمای بالا پیشرفت كرده ایم را توضیح خواهم داد و درباره چشم انداز های آینده ی توسعه ی یك نظریه ی میكروسكوپی بحث خواهم كرد. من با مروری بر برخی مفاهیم پایه ی نظریه ی فلزات شروع می كنم؛ برخی اقدامات كه منجر به ارائه ی نظریه BCS گشت را توضیح می دهم؛ و كمی در باره ی تئوری BCS بحث خواهم كرد و آن را توضیح خواهم داد. سپس مختصرا در باره ی پیشرفت هایی كه به فهم ما از ابررسانایی و ابرسیالی، در جهان ارائه شده است، بحث خواهم كرد، پیشرفت هایی كه بوسیله الهام از تئوری BCS بدست آمده اند. كه شامل كشف رده های زیادی از مواد ابرسیال می باشد، از هلیوم ۳ مایع كه چند میلی درجه بالاتر از صفر مطلق به حالت ابرسیالی در می آید تا ماده ی نوترون موجود در پوسته ی سیاره ی نوترون، كه در چند میلیون درجه به حالت ابرسیالی در می آید. سپس درباره ی تاثیرات كشف مواد ابررسانای دمای بالا بحث خواهم كرد ، و برخی نتایج تجربی كلیدی را جمع بندی خواهم كرد. سپس یك مدل برای ابررسانایی دمای بالا ارائه خواهم داد ، نزدیك به نظریه ی ضد فرومغناطیسی مایع فرمی ، كه به نظر دارای توانایی ارائه ی مقدار زیادی از خواص غیرعادی حالت معمولی مواد ابررسانای سطح بالا می باشد. من با یك توضیح تجربی برای خواص جالب توجه حالت عادی ابررساناهای پیش بینی شده و در دست بررسی جمع بندی و نتیجه گیری می كنم، كه یك رده جالب از مواد را معرفی می كند : مواد قابل تطبیق پیچیده . كه در آن بازخورد غیرخطی طبیعی، چه مثبت و چه منفی، نقشی حیاتی در تعیین رفتار سیستم باز ی می كنند.

ابررساناهای مرسوم : از كشف تا درك ...

در سخنرانی نوبل خود در سال ۱۹۱۳ ، Kammerlingh-Onnes گزارش داد كه "جیوه در ۴.۲ درجه كلوین به حالت جدیدی وارد می شود، حالتی كه با توجه به خواص الكتریكی آن، می تواند ابررسانایی نام بگیرد. او گزارش داد كه این حالت می تواند به وسیله ی اعمال میدان مغناطیسی به اندازه ی كافی بزرگی از بین برود. در حالی كه یك جریان القاء شده در یك حلقه بسته ابررسانا به مدت زمان فوق العاده زیادی باقی می ماند و از بین نمی رود. او این رخداد را به طور عملی با آغاز یك جریان ابررسانایی در یك سیم پیچ در آزمایشگاه لیدن، و سپس حمل سیم پیچ همراه با سرد كننده ای كه آن را سرد نگه می داشت به دانشگاه كمبریج به عموم نشان داد.

این موضوع كه ابررسانایی مساله ای به این مشكلی ارائه كرد كه ۴۶ سال طول كشید تا حل شود، خیلی شگفت آور می باشد. دلیل اول این می تواند باشد كه جامعه ی فیزیك تا حدود بیست سال مبانی علمی لازم برای ارائه ی راه حل برای این مسئله را نداشت : تئوری كوانتوم فلزات معمولی. دوم اینكه، تا سال ۱۹۳۴ هیچ آزمایش اساسی در این زمینه انجام نشد. سوم اینكه، وقتی مبانی عملی لازم بدست آمد، به زودی واضح شد انرژی مشخصه وابسته به تشكیل ابررسانایی بسیار كوچك می باشد، حدود یك میلیونیم انرژی الكترونیكی مشخصه ی حالت عادی. بنابراین، نظریه پردازان توجه شان را به توسعه ی یك تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب كردند. این مسیر را Fritz London رهبری می كرد. كسی كه در سال ۱۹۵۳ به نكته ی زیر اشاره كرد :‌ "ابررسانایی یك پدیده كوانتومی در مقیاس ماكروسكوپی می باشد ... با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریك شده بوسیله ی وقفه های زمانی." و اینكه "diamagntesim یك مشخصه بنیادی می باشد."

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

یك كلید راهنمای بسیار لازم در سال ۱۹۵۰ میلادی بدست آمد، وقتی محققان در Nationa Bearue of Standards و دانشگاه روتگرز كشف كردند كه دمای انتقال به حالت ابررسانایی سرب بستگی به جرم ایزوتوپ آن، یعنی M ، دارد ، و رابطه ی عكس با M۱/۲ دارد. از آنجایی كه انرژی لرزشی شبكه ای همان بستگی را با M۱/۲ دارد، كوانتای پایه ی آنها، فونون ها ، باید نقشی در ظهور و ایجاد حالت ابررسانایی بازی كند. در سال های بعدی، Herber Frohlich ، كه از پوردو از دانشگاه لیورپول بازدید می كرد، و John Bardeen كسی كه آن زمان در آزمایشگاه های بل كار می كرد، تلاش كردند نظریه ای با استفاده از تعامل الكترون ها و فونون ها ارائه بدهند، ولی شكست خوردند و موفق نشدند. كار انجام شده توسط آن ها را می توان به كمك دیاگرام های معرفی شده توسط ریچارد فاینمن (Richar Feynman) به تصویر كشید، كه در قسمت (a) تصویر زیر نشان داده شده است. در تصویر زیر می توان یك الكترون را مشاهده كرد كه یك فونون را آزاد می كند و سپس آن را جذب می كند. خواص آن بوسیله جفت شدن پویا با شبكه تغییر می یابند و تغییر در انرژی آن نسبت عكس با M۱/۲ دارد . اما این quasiparticle ها به حالت ابررسانایی در نمی آیند.

سپس Frohlich احتمال دوم را در نظر گرفت، حالتی كه در تصویر بالا قسمت (b) نشان داده شده است، كه در آن یك الكترون یك فونون را آزاد می كند و الكترون دومی آن فونون را جذب می كند. این تعامل فونون القایی می تواند برای الكترون ها ی نزدیك سطح فرمی جذاب باشد. این یك معادله فلزی waterbed می باشد : دو شخص كه یك waterbed را به اشتراك می گذارند، تمایل دارند تا به مركز آن جذب شوند، همان طوری كه روند القاء الكترون ها را جذب می كند. (یك شخص تورفتگی را در waterbed القاء می كند، تورفتگیی كه شخص دوم را جذب می كند.) تعامل مطالعه شده توسط Frohlich در نگاه جذاب و زیبا به نظر می رسد، كه هم جدید بود و هم ذاتا تناسب درستی با جرم ایزوتوپی، M ، داشت. اگر چه مشكلی بزرگ در درك چگونگی نقش بازی كردن آن وجود داشت، از آن جا كه تعامل پایه ای كلمب (Coulomb) بین الكترون ها دفع كننده می باشد، و خیلی قوی تر می باشد. همانطور كه لاندو (Laundau) قرار داد : "شما نمی توانید قانون كولمب را لغو كنید." این اشكالی بود كه John Bardeen و نویسنده ی این مقاله، دیوید پاینس (David Pines) (هنگامی كه اولین دانشجوی دكترا در دانشگاه ایلیونیس در سال های ۱۹۵۲-۱۹۵۵ بود) ، آن را مورد انتقاد قرار دادند. چیزی كه آن ها پیدا كردند، به وسیله ی توسعه ی یك راهبرد كه David Bohm و David Pines قبلا برای فهم تعامل های جفت الكترون ها در فلزات توسعه داده بودند، این بود كه "پیام ، متوسط است ." ("The Medium is the message") . وقتی آن ها اثر رویه ی به پرده در آوردن الكترونیكی (Electronic Screening) روی هر دو تعامل الكترون-الكترون و الكترون-آهن را در نظر گرفتند، فهمیدند كه حضور جزء تشكیل دهنده ی دومی، یونها ، یك تعامل جذاب شبكه ای را بین یك جفت الكترون كه تفاوت انرژی آن ها از انرژی یك فونون بنیادین كمتر می باشد، ممكن می سازد .

---