ابررساناهاي دماي بالا
زمينه اي جديد در علم فيزيك آغاز شد هنگامي كه در 27 ژانويه 1986 ميلادي، Bednorz و Mueller يك افت مقاومت تيز را در La2-mBamCuO4 در دماي حدود 30 درجه ي كلوين مشاهده كردند. آن ها مقاله اي در اين باره به يكي از روزنامه هاي معتبر اروپائي، ZeitSchrift fur Physik فرستادند و مطالعه ي خود را برروي اين ماده ي جديد ادامه دادند تا اطمينان حاصل كنند كه تغيير مقاومت ناگهاني، تبديل به يك حالت ابررسانايي بوده. تا ماه اكتبر، آن ها اثر مايزنر (The Meissner Effect) را مشاهده كرده بودند ، بنابراين يك ماده ابررساناي جديد را به ثبت رساندند. نتايج آن ها در دنيا پخش شد، يك ماه بعد، Tanaka و همكاران وي در توكيو نتايج Bednorz-Muller را تأييد نمودند (يك تأييديه در يكي از روزنامه هاي ژاپني چاپ شد) در حالي كه كار آن ها در پكن توسط Zou و همكارانش پشتيباني و حمايت شد. (كار آنها در دسامبر در يكي از روزنامه ها توضيح داده شد.) در ماه بعد، در نتيجه ي يك تلاش همكارانه بين Paul Chu از دانشگاه هوستون و Mang-Kang Wu از دانشگاه آلاباما، عضو جديدي از خانواده مواد ابررساناهاي دما بالا كشف شد ، YBa2Cu3O7 كه داراي بالاي 70 درجه ي كلوين بود. بنابراين فقط در طي يك سال از كشف اصلي، دماي انتقال به حالت ابررسانايي افزايش سه برابر داشت. و واضح بود كه انقلاب ابررسانا ها هنوز شروع شده است. يك جشن براي بوجود آمدن اين فصل در علم فيزيك طي يك جلسه در نيويورك توسط انجمن فيزيك دانان آمريكايي در يك بعد از ظهر يكي از روزهاي مارس 1987 برگزار شد. اين جشن 3000 شركت كننده داشت و 3000 نفر نيز اين جشن را از طريق تلويزيون مشاهده مي كردند ...
در طول شش سال بعد، چند خانواده ي ديگر از ابررسانا ها كشف شدند، كه شامل سيستمهاي مبني بر -Tl و -Hg مي باشند، كه به ترتيب داراي حداكثر 120 كلوين و 160 كلوين مي باشند. همگي آنها يك ويژگي كه موجب روي دادن ابررسانايي دماي بالا بود، داشتند، وجود پلين هاي (planes) شامل اتم هاي O و Cu ي كه جدا شده بوسيله ي مواد پل كننده اي كه به عنوان حامل بار عمل مي كنند هستند. در طي اين مدت، حدود چند هزار مقاله در رابطه با ابررسانا ها منتشر گشت (و در زمان حاضر هم منتشر مي شود) بديهي گشت كه ابررسانايي دماي بالا وابسته به مسائل بزرگ فيزيك بسياري در طول دهه ي گذشته ي اين قرن بود. حداقل چهار دليل براي علاقه ي شديد به بالا وجود دارد : يك علاقه ي علمي ذاتي و باطني، طبيعت انتقال نظم و ترتيبي، (اين به حدود جدا كننده ي دانشمندان و شيمي دان هاي مواد از طريق فيزيكدان هاي نظري و تجربي مي رسد) ؛ كاربردهاي بالقوه براي مواد ي كه دردماهاي بالاتر از 77 كلوين (دمايي كه نيتروژن مايع مي شود) به عنوان ابررسانا عمل مي كنند، كاربردهايي كه مي توان در سيستم هاي تلفن سلولي اعمال كرد، خطوط انتقال ابررسانايي، ماشين هاي MRI استفاده كنند از مغناطيس هاي بالا، ميكروويو هاي استفاده كننده از مواد ابررساناي جديد، سيستم هاي ابررسانا/ نيمه رساناي هيبريدي؛ و در آخر پيدا كردن ابررساناي دماي اتاق.
برخي مشخصه ها و خواص ابررسانا هاي جديد عبارتند از اينكه آن ها سراميك، و اكسيد هاي ورقه ورقه مي باشند كه در دماي اتاق فلزات ضعيف و بي ارزشي هستند، و مواد متفاوتي براي كار كردن هستند. شامل كمي حامل بار در مقايسه با فلزات معمولي هستند، و خواص انيسوتوروپيك (Anisotropic) الكتريكي و مغناطيسي هستند كه بطور قابل ملاحظه اي حساس به محتواي اكسيژن مي باشند. در حالي كه، نمونه هاي ابررساناي مواد 1-2-3 ، Yba2Cu3O7 ، را يك دانش آموز دبيرستاني نيز مي تواند در يك اجاق ميكروويو توليد كند، كريستال هاي يكتاي داراي درجه ي خلوص بالا براي تشخيص خواص فيزيكي ذاتي موادي كه ساختن آن ها به طور خيلي زيادي سخت است، لازم است.
در ادامه ي يك دهه كار، يك وفاق عمومي بر سر اين موضوع وجود دارد كه رفتار تحريكات ابتدائي در پلين هاي (planes) ، Cu-O يك كليد براي درك خواص حالت عادي اين ابررساناها ارائه مي دهد، و اينكه آن خاصيت غير حالت عادي شبيه به حالت عادي ابررساناهاي معمولي و دماي پايين مي باشند.
علاوه بر اين، اساسا هيچ يك از خواص حالت ابررسانايي ، با خواص يك ابررساناي عادي يكي نيست، كه در آن جفت كردنتئوري BCS در حالت خط واحد اتفاق مي افتد و شكاف انرژي ذرات quasi در دماهاي پائين و ايزوتپريك، هنگامي كه يكي حول سطح فرمي حركت مي كند، محدود مي باشد. علي رغم اين حقيقت كه چيزي نسبتا جديد و متفاوت نياز است تا رفتار حالت عادي را درك كنيم، يك توافق و اجماع وجود دارد كه تئوري BCS ، اگر بطور مناسبي تغيير يابد، يك توضيح راضي كننده براي انتقال به حالت ابررسانايي و خواص مواد در آن حالت، مي دهد .
يك توافق تقريبي همچنين در رابطه با اجزاي سازنده ي پايه ي لازم براي درك ابررساناهاي دماي بالا وجود دارد. آن ها را مي توان به صورت زير خلاصه كرد :
عمل ابتدا در پلين هاي Cu-O رخ مي دهد، پس در تخمين اول، براي متمركز كردن هم توجه نظري و هم عملي روي رفتار تحريكات پلانار، و همچنين براي متمركز كردن بر روي دو سيستم مطالعه شده ، سيستم 1-2-3 (YBa2Cu3O7-m) و سيستم 2-1-4 (La2-mSrmCuO4) ، كفايت مي كند.
در دماهاي پائين هر دو سيستم عايق هاي آنتي فرو مغناطيس مي باشند با يك آرايه ي محلي +Cu2 كه علامت آن در داخل شبكه متناوبا عوض مي شود .
شخصي سوراخ هايي را بر روي پلين هاي Cu-O سيستم 1-2-3 با تزريق اكسيژن ايجاد مي كند، براي سيستم 2-1-4 اين كار با تزريق استرونتيوم انجام مي گيرد. سوراخ هاي حاصل روي مقر پلانار اكسيژن ، با اسپين هاي نزديك +Cu2 پيوند پيدا مي كنند، و حركت را براي ديگر اسپين هاي +Cu2 آسان مي سازد، و در روند، نابود كردن همبستگي هاي AF طولاني برد در عايق.
اگر كسي حفره هاي كافي را ايجاد كند، سيستم حالات پايه ي خود را از يك عايق به يك ابررسانا تغيير مي دهد.
در حالت عادي مواد ابررسانا ، اسپين هاي +Cu2 سيار، اما محلي يك مايع فرمي غير مرسوم را تشكيل مي دهند ، با اسپين هاي quasiparticle هاي نشان دهنده ي ارتباطات AF قوي، حتي براي سيستم هاي در سطح تخدير كه از حدي كه ماكزيمم مي باشد، تجاوز مي كند ، موادي كه با نام فرا-تخدير شناخته مي شوند. اگر چه هيچ توافقي بين تئوريسين ها بر سر اين كه چگونه يك توضيح نظريه اي داراي جزئيات براي curpate ها ارائه كنند. راهكرد هايي كه براي اينكار امتحان شد، را مي توان به از پايين به بالا- يا از بالا به پايين رده بندي كرد. در راهكرد از بالا به پائين، يكي مدلي را كه از قبل وجود داشته را انتخاب مي كند و راه حل هايي براي انتخاب هاي ديگر پارامترهاي مدل را توسعه مي دهد ، سپس تست مي كند كه آيا اين راه حل به نتايج منطبق بر شواهد و تجربيات رسيده اند يا نه. در يك راهكرد از پائين به بالا، يك از نتايج تجربي آغاز مي كند و تلاش مي كند تا يك توضيح پديده اي از يك زير مجموعه از نتايج تجربي را بدست آورد. سپس چند آزمايش ديگر را متناسب با توضيح بدست آمده انجام مي دهد ، با ترتيب ميكروسكوپي براي هر آزمايش، تا اينكه به نتايج مورد انتظار از محاسبات و مشاهدات دست بيابد. و فقط آن وقت، بدنبال يك مدل هميلتوني كه راه حلش ممكن است تئوري ميكروسكوپي كامل را ارائه دهد، بگردد و جستجو كند. Jonh Bardeen از اين راهكرد دوم براي كار كردن بر روي ابررساناهاي عادي و مرسوم استفاده كرد ، و در دانشگاه اوربانا از روش و راهكرد او براي كار برروي ابررساناي دماي بالا استفاده كردند.
زمينه اي جديد در علم فيزيك آغاز شد هنگامي كه در 27 ژانويه 1986 ميلادي، Bednorz و Mueller يك افت مقاومت تيز را در La2-mBamCuO4 در دماي حدود 30 درجه ي كلوين مشاهده كردند. آن ها مقاله اي در اين باره به يكي از روزنامه هاي معتبر اروپائي، ZeitSchrift fur Physik فرستادند و مطالعه ي خود را برروي اين ماده ي جديد ادامه دادند تا اطمينان حاصل كنند كه تغيير مقاومت ناگهاني، تبديل به يك حالت ابررسانايي بوده. تا ماه اكتبر، آن ها اثر مايزنر (The Meissner Effect) را مشاهده كرده بودند ، بنابراين يك ماده ابررساناي جديد را به ثبت رساندند. نتايج آن ها در دنيا پخش شد، يك ماه بعد، Tanaka و همكاران وي در توكيو نتايج Bednorz-Muller را تأييد نمودند (يك تأييديه در يكي از روزنامه هاي ژاپني چاپ شد) در حالي كه كار آن ها در پكن توسط Zou و همكارانش پشتيباني و حمايت شد. (كار آنها در دسامبر در يكي از روزنامه ها توضيح داده شد.) در ماه بعد، در نتيجه ي يك تلاش همكارانه بين Paul Chu از دانشگاه هوستون و Mang-Kang Wu از دانشگاه آلاباما، عضو جديدي از خانواده مواد ابررساناهاي دما بالا كشف شد ، YBa2Cu3O7 كه داراي بالاي 70 درجه ي كلوين بود. بنابراين فقط در طي يك سال از كشف اصلي، دماي انتقال به حالت ابررسانايي افزايش سه برابر داشت. و واضح بود كه انقلاب ابررسانا ها هنوز شروع شده است. يك جشن براي بوجود آمدن اين فصل در علم فيزيك طي يك جلسه در نيويورك توسط انجمن فيزيك دانان آمريكايي در يك بعد از ظهر يكي از روزهاي مارس 1987 برگزار شد. اين جشن 3000 شركت كننده داشت و 3000 نفر نيز اين جشن را از طريق تلويزيون مشاهده مي كردند ...
در طول شش سال بعد، چند خانواده ي ديگر از ابررسانا ها كشف شدند، كه شامل سيستمهاي مبني بر -Tl و -Hg مي باشند، كه به ترتيب داراي حداكثر 120 كلوين و 160 كلوين مي باشند. همگي آنها يك ويژگي كه موجب روي دادن ابررسانايي دماي بالا بود، داشتند، وجود پلين هاي (planes) شامل اتم هاي O و Cu ي كه جدا شده بوسيله ي مواد پل كننده اي كه به عنوان حامل بار عمل مي كنند هستند. در طي اين مدت، حدود چند هزار مقاله در رابطه با ابررسانا ها منتشر گشت (و در زمان حاضر هم منتشر مي شود) بديهي گشت كه ابررسانايي دماي بالا وابسته به مسائل بزرگ فيزيك بسياري در طول دهه ي گذشته ي اين قرن بود. حداقل چهار دليل براي علاقه ي شديد به بالا وجود دارد : يك علاقه ي علمي ذاتي و باطني، طبيعت انتقال نظم و ترتيبي، (اين به حدود جدا كننده ي دانشمندان و شيمي دان هاي مواد از طريق فيزيكدان هاي نظري و تجربي مي رسد) ؛ كاربردهاي بالقوه براي مواد ي كه دردماهاي بالاتر از 77 كلوين (دمايي كه نيتروژن مايع مي شود) به عنوان ابررسانا عمل مي كنند، كاربردهايي كه مي توان در سيستم هاي تلفن سلولي اعمال كرد، خطوط انتقال ابررسانايي، ماشين هاي MRI استفاده كنند از مغناطيس هاي بالا، ميكروويو هاي استفاده كننده از مواد ابررساناي جديد، سيستم هاي ابررسانا/ نيمه رساناي هيبريدي؛ و در آخر پيدا كردن ابررساناي دماي اتاق.
برخي مشخصه ها و خواص ابررسانا هاي جديد عبارتند از اينكه آن ها سراميك، و اكسيد هاي ورقه ورقه مي باشند كه در دماي اتاق فلزات ضعيف و بي ارزشي هستند، و مواد متفاوتي براي كار كردن هستند. شامل كمي حامل بار در مقايسه با فلزات معمولي هستند، و خواص انيسوتوروپيك (Anisotropic) الكتريكي و مغناطيسي هستند كه بطور قابل ملاحظه اي حساس به محتواي اكسيژن مي باشند. در حالي كه، نمونه هاي ابررساناي مواد 1-2-3 ، Yba2Cu3O7 ، را يك دانش آموز دبيرستاني نيز مي تواند در يك اجاق ميكروويو توليد كند، كريستال هاي يكتاي داراي درجه ي خلوص بالا براي تشخيص خواص فيزيكي ذاتي موادي كه ساختن آن ها به طور خيلي زيادي سخت است، لازم است.
در ادامه ي يك دهه كار، يك وفاق عمومي بر سر اين موضوع وجود دارد كه رفتار تحريكات ابتدائي در پلين هاي (planes) ، Cu-O يك كليد براي درك خواص حالت عادي اين ابررساناها ارائه مي دهد، و اينكه آن خاصيت غير حالت عادي شبيه به حالت عادي ابررساناهاي معمولي و دماي پايين مي باشند.
علاوه بر اين، اساسا هيچ يك از خواص حالت ابررسانايي ، با خواص يك ابررساناي عادي يكي نيست، كه در آن جفت كردنتئوري BCS در حالت خط واحد اتفاق مي افتد و شكاف انرژي ذرات quasi در دماهاي پائين و ايزوتپريك، هنگامي كه يكي حول سطح فرمي حركت مي كند، محدود مي باشد. علي رغم اين حقيقت كه چيزي نسبتا جديد و متفاوت نياز است تا رفتار حالت عادي را درك كنيم، يك توافق و اجماع وجود دارد كه تئوري BCS ، اگر بطور مناسبي تغيير يابد، يك توضيح راضي كننده براي انتقال به حالت ابررسانايي و خواص مواد در آن حالت، مي دهد .
يك توافق تقريبي همچنين در رابطه با اجزاي سازنده ي پايه ي لازم براي درك ابررساناهاي دماي بالا وجود دارد. آن ها را مي توان به صورت زير خلاصه كرد :
عمل ابتدا در پلين هاي Cu-O رخ مي دهد، پس در تخمين اول، براي متمركز كردن هم توجه نظري و هم عملي روي رفتار تحريكات پلانار، و همچنين براي متمركز كردن بر روي دو سيستم مطالعه شده ، سيستم 1-2-3 (YBa2Cu3O7-m) و سيستم 2-1-4 (La2-mSrmCuO4) ، كفايت مي كند.
در دماهاي پائين هر دو سيستم عايق هاي آنتي فرو مغناطيس مي باشند با يك آرايه ي محلي +Cu2 كه علامت آن در داخل شبكه متناوبا عوض مي شود .
شخصي سوراخ هايي را بر روي پلين هاي Cu-O سيستم 1-2-3 با تزريق اكسيژن ايجاد مي كند، براي سيستم 2-1-4 اين كار با تزريق استرونتيوم انجام مي گيرد. سوراخ هاي حاصل روي مقر پلانار اكسيژن ، با اسپين هاي نزديك +Cu2 پيوند پيدا مي كنند، و حركت را براي ديگر اسپين هاي +Cu2 آسان مي سازد، و در روند، نابود كردن همبستگي هاي AF طولاني برد در عايق.
اگر كسي حفره هاي كافي را ايجاد كند، سيستم حالات پايه ي خود را از يك عايق به يك ابررسانا تغيير مي دهد.
در حالت عادي مواد ابررسانا ، اسپين هاي +Cu2 سيار، اما محلي يك مايع فرمي غير مرسوم را تشكيل مي دهند ، با اسپين هاي quasiparticle هاي نشان دهنده ي ارتباطات AF قوي، حتي براي سيستم هاي در سطح تخدير كه از حدي كه ماكزيمم مي باشد، تجاوز مي كند ، موادي كه با نام فرا-تخدير شناخته مي شوند. اگر چه هيچ توافقي بين تئوريسين ها بر سر اين كه چگونه يك توضيح نظريه اي داراي جزئيات براي curpate ها ارائه كنند. راهكرد هايي كه براي اينكار امتحان شد، را مي توان به از پايين به بالا- يا از بالا به پايين رده بندي كرد. در راهكرد از بالا به پائين، يكي مدلي را كه از قبل وجود داشته را انتخاب مي كند و راه حل هايي براي انتخاب هاي ديگر پارامترهاي مدل را توسعه مي دهد ، سپس تست مي كند كه آيا اين راه حل به نتايج منطبق بر شواهد و تجربيات رسيده اند يا نه. در يك راهكرد از پائين به بالا، يك از نتايج تجربي آغاز مي كند و تلاش مي كند تا يك توضيح پديده اي از يك زير مجموعه از نتايج تجربي را بدست آورد. سپس چند آزمايش ديگر را متناسب با توضيح بدست آمده انجام مي دهد ، با ترتيب ميكروسكوپي براي هر آزمايش، تا اينكه به نتايج مورد انتظار از محاسبات و مشاهدات دست بيابد. و فقط آن وقت، بدنبال يك مدل هميلتوني كه راه حلش ممكن است تئوري ميكروسكوپي كامل را ارائه دهد، بگردد و جستجو كند. Jonh Bardeen از اين راهكرد دوم براي كار كردن بر روي ابررساناهاي عادي و مرسوم استفاده كرد ، و در دانشگاه اوربانا از روش و راهكرد او براي كار برروي ابررساناي دماي بالا استفاده كردند.
منبع : دانشنامه رشد
| | | | | |