مقدمه

فيزيك حالت جامد به زمينه گسترده‌اي از ويژگيهاي مختلف مواد مي‌پردازد. مواد، بنابر خاصيت الكتريكي يا مغناطيسي كه خود بروز مي‌دهند در يكي از گروههاي سراميكها، نارساناها، نيمرساناها، رساناها، ابر رساناها، و يا مواد مغناطيسي قرار مي‌گيرند. با وجودي كه كتابهاي نوشته شده با عنوان عام فيزيك حالت جامد و يا با عنوانهاي اختصاصي مثل فيزيك نيمرساناها، فيزيك ابر رساناها، فيزيك مواد مغناطيسي، و غيره بسيار زيادند ولي متاسفانه كتابهايي كه در زمينه فيزيك حالت جامد يا هر يك از زير شاخه هاي آن به فارسي برگردانده شده‌اند بسيار كم و حتي به تعداد انگشتان دست هم نمي رسد.70 سال از كشف ابر رسانايي مي‌گذرد ولي تنها در خلال دو دهه گذشته بوده است كه ابررساناها از اجسام مرموز مورد استفاده فيزيكدانها دز آزمايشهايشان به موادي با اهميت كاربردي تغيير ماهيت داده اند. فن آوريهاي تازه اي ظهور كردند كه در آنها از مواد ابر رساناها براي توسعه قطعات الكترونيك با حساسيت و دقت بالا از قبيل تابش سنج ها، تشديد كننده هاي بسامد بالا، مخلوط برخوردار مي‌شوند. اكنون برنامه هاي پژوهشي با هدف توسعه قطعات منطقي و حافظه براي رايانه ها بر پايه ابر رساناها در حال اجراست.

به خاطر اين توسعه ها، تعداد قابل توجهي از متخصصين به طور روزمره با پديده ابر رساناي سرو كار دارند. اكنون دوره هاي آموزشي مناسب در برخي از دانشگاهها و كالجهاي فني ارائه مي‌شود.

در حال حاضر، چند كتاب كاملا عمومي در زمينه ابر رسانايي در دسترس اند. اين كتابها عبارتند از: كتابهاي نوشته شده توسط آ. سي. رز- اينز و اي. اچ ]1[، اي. آ. لينتون ]2[، ام. تينخام ]3[، پي. جي. دجنز ]4[، و دي. آر. تيلي و جر . تيلي ]5[ هر يك از اين كتابها در نوع خود عالي است. ولي برخي از آنها، مثل ]3و4[ نياز به زمينه خوبي در فيزيك نظري دارند در حالي كه كتابهاي ديگر تصويري كاملا به روز از فيزيك ابر رساناها به دست نمي دهند.

بخش اول

معرفي ابر رسانا

فصل اول

ابر رسانايي چيست؟

1-1 .واقعيات تجربي بنيادي

1-1-1 كشف ابر رسانايي

ابر رسانايي در سال 1911 در آزمايشگاه ليدن كشف شد. اچ. كامرلينگ اونس به هنگام مطالعه وابستگي دمايي مقاومت ويژه الكتريك نمونه اي از جيوه، مشاهده كرد كه در دمايT^*نزديك به k4، مقاومت نمونه ناگهان به صفر سقوط مي‌كند و در همه دماهاي دسترس پذير زير T^* مقاومت ديگر قابل اندازه گيري نيست ]6[. نكته مهم اين كه با كاهش دما مقاومت ناگهان به صفر مي‌رسيد نه به تدريج، آشكار بود كه نمونه بايد دستخوش گذاري به حالت جديدي با مقاومت الكتريكي صفر شده باشد كه در آن زمان ناشناخته بوده است. اين پديده را ابررسانايي ناميدند.

هر گونه تلاش براي يافتن كوچكترين اثري از مقاومت در ابررساناهاي كپه اي، راه به جايي نبرد. با توجه به حساسيت وسايل اندازه گيري جديد، مي‌توان گفت كه مقاومت ويژه ابر رساناها، حداقل تا دقت ^10-10، صفر است. در مقايسه، مي‌دانيم كه مرتبه بزرگي مقاومت ويژه مس با خلوص بالا در k2/4 برابر است با ^9-10

مدت كوتاهي پس از كشف ابر رسانايي در جيوه، اين خاصيت در ساير فلزات، مانند: قلع، سرب، اينديم، آلومينيوم، نيوبيم و غيره يافت شد. همچنين معلوم شد كه تعداد زيادي آلياژ و تركيبات بين فلزي نيز ابر رسانا هستند.

دماي گذار از حالت عادي به ابر رسانايي را دماي بحراني T_c مي‌نامند. زمان كوتاهي پس از اين كشف معلوم شد كه نه تنها با گرم كردن نمونه، بلكه با قرار دادن آن در ميدان مغناطيسي نسبتا ضعيف مي‌توان ابر رساناي از بين برد. اين ميدان، H_cm، را ميدان بحراني ماده كپه اي مي‌خوانند.

جدول 1-1 دماهاي بحراني ميدانهاي مغناطيسي بحراني عناصر ابر رسانا [v].

در اكثر نوشتارهاي انگليسي زبان، H_cm را ميدان بحراني ترموديناميكي، H_cth، مي‌نامند.

جدول (1-1) مقادير H_cm،T_c را براي تعدادي از عناصر ابر رسانا نشان مي‌دهد. در اين جا H_cm(0) ميدان بحراني برون يابي شده تا صفر مطلق است. وابستگي دمايي H_cm با رابطه تجربي

H_cm(T)=h_cm(0)[1-(T/T_c)²] (1-1)

سازگاري خوبي دارد. اين وابستگي در شكل 1-1 نشان داده است كه اصولا نمودار فاز H-T حالت ابر رسانش را نشان مي‌دهد. در ناحيه سايه خورده، هر نقطه در صفحه H-T با حالت ابررسانشي همخوان است.

در سالهاي اخير، واژه ابر رسانايي به صورت كلمه اي جادويي در آمده است. تصور نمي شود كه در حال حاضر فناوري جديد ديگري تا اين اندازه توجه عموم را به خود جلب كرده باشد. پس از سالهاي ابهام در مورد اين پديده، اكنون ابر رسانايي در زمينه هاي پزشكي، علوم نظري و تجربي، نظامي، ترابري، برق، الكترونيك و موارد زياد ديگري كاربرد پيدا كرده است.

تقريبا همه روزه رساناهاي عمومي در سرتاسر دنيا مطالب جالب و متنوعي را درباره اين پديده، كه شديدا مورد علاقه خوانندگان و شنوندگان بسياري است، درج و پخش مي‌كنند. اگر چه غالبا تحليهاي و پيش گوييهاي دانشمندان بعد از يك دوران شكوفايي سريعا رو به افول مي‌گذارد، با اين همه تب ابر رسانايي همچنان سازمانهاي مختلف تجاري و دولتي را فرا گرفته است.

در ايالات متحده، عقيده بر اين است كه ابر رسانايي نقش كليدي در آينده فناوري اين كشور بازي خواهد كرد و نيز مي‌تواند به عنوان وسيله اي كار ساز در ميدان رقابت فني با ژاپن مورد استفاده قرار گيرد. ديدگاههاي نظامي در مورد ابر رسانايي با كمي تفاوت، بيشتر بر ساخت سلاحهاي سريع و دقيق تر و نيز ابزار ديده باني متمركز مي‌شود. صرف نظر از موارد كاربردي آن، بسياري از شركتها در زمينه تجاري ابر رساناي با هم رقابت مي‌كنند.

اغلب سازمانهايي كه با مسائل فني سرو كار دارند، از قبيل بل، جنرال الكتريك و آي. بي. ام با اين مساله ارتباط تنگاتنگ دارند و نيز فعاليت اصلي بسياري از شركتهاي جديدتر بر روي اين پديده متمركز است.حتي گفته مي‌شود كه از نظر فناوري، صنعت ابر رسانايي مترادف با صنعت نيمرسانايي است.

به هر حال، ابر رساناي موضوعي بسيار گسترده است. كوشش براي شناخت و يادگيري اين پديده پژوهشگران را با مطالعه و بررسي زمينه هاي بالقوه ديگر آن از قبيل پزشكي، فيزيك ريز اتمي، شيمي سراميك، زير درياييهايي كه عمدتا در امور جنگي از آنها استفاده مي‌شود و حتي مسائل سياسي وامي‌ دارد.

اگر چه ابر رسانايي از سال 1911 براي دانشمندان پديده اي شناخته شده بوده است، اما اهميت آن به عنوان يك عامل بالقوه در سالهاي اخير مشخص و مورد توجه قرار گرفته است. حتي مي‌توان نقش اين پديده را در پيشبرد صنعت و فناوري با نقش ترانزيستور و ليزر در اين زمينه مقايسه كرد.

ابر رسانايي پديده اي چند چهره است كه مزيتهاي بسياري را در ارتباط با فناوري روز ارائه مي‌دهد.

ابر رسانايي داراي جنبه هاي بسياري است كه دانشمندان مختلف به منظور توسعه و پيشرفت اين جنبه ها، فعاليت مي‌كنند. هدف اصلي اين تلاشها به كار گيري عملي ابر رساناها در صنعت و فناوري است. همان گونه كه با قرار گرفتن تعدادي ترانزيستور در كنار قطعات ديگر وسيله اي الكترونيكي (مثلا راديو) ساخته مي‌شود، اثر كامل ابر رسانا ها نيز زماني ظاهر مي‌شود كه به شكلي عملي مورد استفاده قرار گيرند. براي رسيدن به چنين هدفي تلاش گسترده، به شكل رقابت جهاني، آغاز شده است.

ابر رسانايي چيست؟

ابر رسانايي براي نخستين بار در سال 1911 توسط يك فيزيكدان هلندي به نام هيك كامرلينگ انس[1] كشف گرديد. انس روي اثر دماهاي خيلي پايين بر خواص فلزات مطالعه مي‌كرد. او در حين آزمايشهايش متوجه شد كه اگر جيوه تا دماي k4 سر شود، مقاومتش را در مقابل عبور الكتريسيته از دست مي‌دهد (k معرف درجه كلوين است، كه در آن صفر كلوين تقريبا برابر 460- درجه فارنهايت و يا 273- درجه سانتي گراد است.)

به منظور فهم كامل اين كشف و پي بردن به اهميت آن نياز به اين است كه در مورد الكتريسيته و جريان الكتريكي اطلاعاتي از قبل داشته باشيم. به شكل خيلي ساده، الكتريسيته حركت الكترونهاست كه جريان الكتريكي ناميده مي‌شود.دليل ايجاد چنين جرياني را در فصل بعد مطالعه خواهيم كرد، اما در حال حاضر فرض مي‌كنيم كه جرياني از الكترونها وجود داشته باشد. معمولا ماده اي را كه در آن الكترونها مي‌توانند جريان پيدا كنند رسانا مي‌نامند. براي مثال اغلب وسايل الكتريكي داراي سيمي متصل به يك دو شاخه هستند. معمولا اين سيم كه رساناست از ماده اي فلزي مانند مس ساخته شده است. زماني كه دو شاخه داخل پريز قرار مي‌گيرد جريان الكتريكي در داخل سيم برقرار مي‌شود. پريزها توسط سيمهاي ديگر به جعبه فيوز متصلند و جعبه فيوز نيز توسط سيمهاي رسانا به خطوط قدرت كه برق ساختمان را تامين مي‌كنند وصل مي‌شود.

بنابراين يك رسانا ماده است كه مي‌تواند جريان الكتريكي را به خوبي از خود عبور دهد. مس رساناي بسيار خوبي است كه معمولا سيمها و كابلهاي انتقال را از آن مي‌سازند. آلومينيوم، نقره و طلا هم رساناهاي خوبي هستند. موادي از قبيل شيشه، جير و چوب كه جريان الكتريكي را هدايت نمي كنند، نارسانا يا عايق ناميده مي‌شوند. مواد ديگري كه جريان الكتريكي را تا اندازه اي هدايت مي‌كنند (نه به خوبي رساناهايي مثل مس) نيمرسانا نام دارند. به هر حال، بايد توجه داشت كه حتي بهترين رساناها (مانند مس) رساناهاي كاملي نيستند زيرا، به علت داشتن مقاومت الكتريكي، درصدي از انرژي الكتريكي عبوري از خود را هدر مي‌دهند. مقاومت مانعي در سر راه جريان الكترييسيته است و عايقها به علت داشتن مقاومت بالا جريان الكتريكي را به خوبي از خود عبور نمي دهند. اگر چه مقاومت الكتريكي نيمرسانا ها تا حدي زياد است اما آن قدر زياد نيست كه مانع عبور جريان الكتريسيته شود. مقاومت رساناها در مقابل عبور جريان كم است. علت وجود مقاومت در مواد مربوط به خواص اتمي آنها مي‌شود كه در فصل بعد مورد بحث قرار مي‌گيرد و اين اساس ظاهر شدن پديده ابر رسانايي است.

قبل از سال 1911، حذف مقاومت الكتريكي حتي در بهترين رساناها امكان پذير نبود. در اين سال با كشف پديده ابررسانايي گونه اي جديد از رسانا كه (ابر رسانا) ناميده مي‌شوند تولد يافتند. به طور ساده ابر رساناها، موادي هستند كه عملا الكتريسيته را بدون هيچ مقاومتي از خود عبور مي‌دهند و در نتيجه انرژي الكتريكي به هيچ وجه تلف نمي شود . جدول 1-1 مشخصات 4 دسته از مواد را از نظر رسانايي نشان مي‌دهد.

جدول 1-1 دسته بندي مواد از نظر رسانايي الكتريكي

آونگي (مثلا يك تاب) را در نظر بگيريد. چنانچه به اين آونگ نيرو وارد شود و آن را از حالت تعادل خارج كند، آونگ شروع به نوسان خواهد كرد و پس از مدتي از حركت مي‌ايستد. دليل توقف آونگ آن است كه به علت وجود مقاومت هوا و نيز اصطكاك، انرژي منتقل شده به تاب از بين مي‌رود. حال آونگ يا تابي را در نظر بگيريد كه هيچ گاه متوقف نمي شود و زماني كه به نوسان در آيد براي هميشه با همان دامنه اوليه به نوسان ادامه دهد. اين مثال را مي‌تواند براي حالت ابررسانايي نيز به كار برد. همان طور كه قبلا گفته شد، در يك رسانا به سبب وجود مقاومت، انرژي الكتريكي سريعا كاهش پيدا مي‌كند، در حال كه در يك ابر رسانا جريان الكتريكي بدون هيچ گونه تغييراتي براي هميشه پايدار باقي مي‌ماند، زيرا هيچ عاملي كه بخواهد آن را متوقف سازد وجود ندارد.

[1]Heike kamerlingh Onnes