ما هي ظاهرة الموصلية الفائقة؟ الموصلية الفائقة هي ظاهرة ذات مقاومة كهربائية صفرية وإطلاق مجالات تدفق مغناطيسي تحدث في مواد معينة ، تسمى الموصلات الفائقة ، عند تبريدها تحت درجة حرارة حرجة مميزة.
تم اكتشاف هذه الظاهرة من قبل الفيزيائي الهولندي هايك كامرلينغ أونز في 8 أبريل 1911 في ليدن. مثل المغناطيسية الحديدية والخطوط الطيفية الذرية ، فإن الموصلية الفائقة هي ظاهرة ميكانيكية كمومية. يتميز بتأثير مايسنر - طرد كامل لخطوط المجال المغناطيسي من داخل الموصل الفائق أثناء انتقاله إلى حالة التوصيل الفائق.
هذا هو جوهر ظاهرة الموصلية الفائقة. يشير ظهور تأثير مايسنر إلى أن الموصلية الفائقة لا يمكن فهمها ببساطة على أنها مثالية للتوصيل المثالي في الفيزياء الكلاسيكية.
ما هي ظاهرة الموصلية الفائقة
المقاومة الكهربائية للموصل المعدني تتناقص تدريجياً كماخفض درجة الحرارة. في الموصلات الشائعة مثل النحاس أو الفضة ، يكون هذا الانخفاض محدودًا بالشوائب والعيوب الأخرى. حتى بالقرب من الصفر المطلق ، تظهر عينة حقيقية من موصل عادي بعض المقاومة. في الموصل الفائق ، تنخفض المقاومة بشكل حاد إلى الصفر عندما يتم تبريد المادة إلى ما دون درجة حرارتها الحرجة. يمكن الحفاظ على التيار الكهربائي عبر حلقة من الأسلاك فائقة التوصيل إلى أجل غير مسمى بدون مصدر طاقة. هذا هو إجابة السؤال ما هي ظاهرة الموصلية الفائقة.
التاريخ
في عام 1911 ، أثناء دراسة خصائص المادة في درجات حرارة منخفضة للغاية ، اكتشف الفيزيائي الهولندي هايك كامرلينج أونز وفريقه أن المقاومة الكهربائية للزئبق تنخفض إلى صفر دون 4.2 كلفن (-269 درجة مئوية). كانت هذه هي الملاحظة الأولى لظاهرة الموصلية الفائقة. تصبح معظم العناصر الكيميائية فائقة التوصيل عند درجات حرارة منخفضة بدرجة كافية.
تحت درجة حرارة حرجة معينة ، تنتقل المواد إلى حالة فائقة التوصيل ، تتميز بخاصيتين رئيسيتين: أولاً ، لا تقاوم مرور التيار الكهربائي. عندما تنخفض المقاومة إلى الصفر ، يمكن للتيار أن ينتشر داخل المادة بدون تبديد للطاقة.
ثانيًا ، بشرط أن تكون المجالات المغناطيسية الخارجية ضعيفة بما فيه الكفاية ، لا تخترق الموصل الفائق ، ولكنها تظل على سطحه. أصبحت ظاهرة الطرد الميداني هذه تُعرف باسم تأثير ميسنر بعد أن لاحظها الفيزيائي لأول مرة في عام 1933.
ثلاثة أسماء وثلاثة أحرف ونظرية ناقصة
الفيزياء العادية لا تعطي ما يكفيتفسيرات حالة التوصيل الفائق ، وكذلك نظرية الكم الأولية للحالة الصلبة ، والتي تنظر في سلوك الإلكترونات بشكل منفصل عن سلوك الأيونات في الشبكة البلورية.
فقط في عام 1957 ، ابتكر ثلاثة باحثين أمريكيين - جون باردين وليون كوبر وجون شريفير النظرية المجهرية للموصلية الفائقة. وفقًا لنظرية BCS الخاصة بهم ، تتجمع الإلكترونات في أزواج من خلال التفاعل مع الاهتزازات الشبكية (ما يسمى بـ "الفونونات") ، وبالتالي تشكل أزواج كوبر التي تتحرك دون احتكاك داخل مادة صلبة. يمكن النظر إلى المادة الصلبة على أنها شبكة من الأيونات الموجبة مغمورة في سحابة من الإلكترونات. عندما يمر إلكترون عبر هذه الشبكة ، تتحرك الأيونات قليلاً ، تنجذب بواسطة الشحنة السالبة للإلكترون. تولد هذه الحركة منطقة موجبة كهربائيًا ، والتي بدورها تجذب إلكترونًا آخر.
طاقة التفاعل الإلكتروني ضعيفة جدًا ، ويمكن تفتيت الأبخرة بسهولة بواسطة الطاقة الحرارية - لذلك تحدث الموصلية الفائقة عادةً في درجات حرارة منخفضة جدًا. ومع ذلك ، لا تقدم نظرية BCS تفسيرًا لوجود موصلات فائقة عالية الحرارة عند حوالي 80 كلفن (-193 درجة مئوية) وما فوق ، والتي يجب إشراك آليات ربط الإلكترون الأخرى فيها. يعتمد تطبيق ظاهرة الموصلية الفائقة على العملية المذكورة أعلاه.
درجة الحرارة
في عام 1986 ، وجد أن بعض المواد الخزفية المصنوعة من النحاس والبيروفسكايت تحتوي على درجات حرارة حرجة أعلى من 90 كلفن (-183 درجة مئوية). هذه درجة حرارة التقاطع العالية من الناحية النظريةمستحيل بالنسبة للموصل الفائق التقليدي ، مما يؤدي إلى الإشارة إلى المواد على أنها موصلات فائقة عالية الحرارة. يغلي النيتروجين السائل المتوفر عند 77 كلفن ، وبالتالي فإن الموصلية الفائقة عند درجات حرارة أعلى من هذه تسهل العديد من التجارب والتطبيقات التي تكون أقل عملية في درجات الحرارة المنخفضة. هذا هو إجابة السؤال في أي درجة حرارة تحدث ظاهرة الموصلية الفائقة.
التصنيف
يمكن تصنيف الموصلات الفائقة وفقًا لعدة معايير تعتمد على اهتمامنا بخصائصها الفيزيائية ، أو على أساس الفهم الذي لدينا عنها ، أو على مدى تكلفة تبريدها ، أو على المواد التي صنعت منها.
بخصائصه المغناطيسية
الموصلات الفائقة من النوع الأول: تلك التي تحتوي على حقل حرج واحد فقط ، Hc ، وتنتقل فجأة من حالة إلى أخرى عند الوصول إليها.
الموصلات الفائقة من النوع الثاني: وجود مجالين حاسمين ، Hc1 و Hc2 ، كونهما موصلات فائقة ممتازة تحت الحقل الحرج السفلي (Hc1) وترك حالة الموصلية الفائقة فوق الحقل الحرج العلوي (Hc2) ، في حالة مختلطة بين المجالات الحرجة.
كما نفهمهم عنهم
الموصلات الفائقة العادية: تلك التي يمكن تفسيرها بالكامل من خلال نظرية BCS أو النظريات ذات الصلة.
الموصلات الفائقة غير التقليدية: تلك التي لا يمكن تفسيرها باستخدام مثل هذه النظريات ، على سبيل المثال: الفرميونية الثقيلةموصلات فائقة.
هذا المعيار مهم لأن نظرية BCS كانت تشرح خصائص الموصلات الفائقة التقليدية منذ عام 1957 ، ولكن من ناحية أخرى ، لم تكن هناك نظرية مرضية لشرح الموصلات الفائقة غير التقليدية تمامًا. في معظم الحالات ، تكون الموصلات الفائقة من النوع الأول شائعة ، ولكن هناك استثناءات قليلة ، مثل النيوبيوم ، وهو شائع والنوع الثاني.
حسب درجة حرارتها الحرجة
الموصلات الفائقة لدرجات الحرارة المنخفضة أو LTS: تلك التي تكون درجة حرارتها الحرجة أقل من 30 كلفن
الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة المرتفعة ، أو HTS: تلك التي تزيد درجة حرارتها الحرجة عن 30 كلفن ، يستخدم البعض الآن 77 كلفن كالفصل للتأكيد على ما إذا كان بإمكاننا تبريد العينة بالنيتروجين السائل (نقطة غليانه 77 كلفن) ، والتي أكثر جدوى من الهيليوم السائل (بديل للوصول إلى درجات الحرارة اللازمة لإنتاج موصلات فائقة منخفضة الحرارة).
تفاصيل أخرى
يمكن أن يكون الموصل الفائق من النوع الأول ، مما يعني أنه يحتوي على حقل حرج واحد ، وفوقه تُفقد كل الموصلية الفائقة ، وتحته يتم التخلص تمامًا من الحقل المغناطيسي من الموصل الفائق. النوع الثاني ، بمعنى أنه يحتوي على مجالين حاسمين يسمح بينهما بالاختراق الجزئي للمجال المغناطيسي من خلال نقاط معزولة. تسمى هذه النقاط بالدوامات. بالإضافة إلى ذلك ، في الموصلات الفائقة متعددة المكونات ، يمكن الجمع بين سلوكين. في هذه الحالة ، يكون الموصل الفائق من النوع 1 ، 5.
خصائص
تختلف معظم الخصائص الفيزيائية للموصلات الفائقة من مادة إلى أخرى ، مثل السعة الحرارية ودرجة الحرارة الحرجة والحقل الحرج وكثافة التيار الحرج التي تتفكك فيها الموصلية الفائقة.
من ناحية أخرى ، هناك فئة من الخصائص مستقلة عن المادة الأساسية. على سبيل المثال ، جميع الموصلات الفائقة لها مقاومة صفرية تمامًا عند التيارات المطبقة المنخفضة ، عندما لا يكون هناك مجال مغناطيسي ، أو عندما لا يتجاوز المجال المطبق قيمة حرجة.
يشير وجود هذه الخصائص العالمية إلى أن الموصلية الفائقة هي مرحلة ديناميكية حرارية وبالتالي لها خصائص مميزة معينة مستقلة إلى حد كبير عن التفاصيل المجهرية.
الوضع مختلف في الموصل الفائق. في الموصل الفائق التقليدي ، لا يمكن فصل سائل الإلكترون إلى إلكترونات فردية. بدلاً من ذلك ، يتكون من أزواج مرتبطة من الإلكترونات تعرف باسم أزواج كوبر. يحدث هذا الاقتران بسبب القوة الجاذبة بين الإلكترونات الناتجة عن تبادل الفونونات. بسبب ميكانيكا الكم ، فإن طيف الطاقة لهذا السائل لزوج Cooper به فجوة طاقة ، أي أن هناك حدًا أدنى من الطاقة ΔE التي يجب توفيرها لإثارة السائل.
لذلك ، إذا كانت ΔE أكبر من الطاقة الحرارية للشبكة المعطاة بواسطة kT ، حيث k هي ثابت بولتزمان و T هي درجة الحرارة ، فلن يتشتت السائل بواسطة الشبكة. لذاوبالتالي ، فإن سائل بخار Cooper هو سائل فائق ، مما يعني أنه يمكن أن يتدفق دون تبديد الطاقة.
خصائص الموصلية الفائقة
في المواد فائقة التوصيل ، تظهر خصائص الموصلية الفائقة عندما تنخفض درجة الحرارة T إلى ما دون درجة الحرارة الحرجة Tc. تختلف قيمة درجة الحرارة الحرجة هذه من مادة إلى أخرى. تحتوي الموصلات الفائقة التقليدية عادةً على درجات حرارة حرجة تتراوح من حوالي 20 كلفن إلى أقل من 1 كلفن
على سبيل المثال ، يحتوي الزئبق الصلب على درجة حرارة حرجة تبلغ 4.2 كلفن اعتبارًا من عام 2015 ، أعلى درجة حرارة حرجة تم العثور عليها للموصل الفائق التقليدي هي 203 كلفن لـ H2S ، على الرغم من الحاجة إلى ضغط مرتفع يبلغ حوالي 90 جيجا باسكال. يمكن أن يكون للموصلات الفائقة Cuprate درجات حرارة حرجة أعلى بكثير: YBa2Cu3O7 ، أحد أول الموصلات الفائقة النحاسية التي تم اكتشافها ، لديه درجة حرارة حرجة تبلغ 92 كلفن ، وقد تم العثور على نحاسات من الزئبق مع درجات حرارة حرجة تتجاوز 130 كلفن. لا يزال التفسير لهذه درجات الحرارة العالية الحرجة غير معروف.
إقران الإلكترون الناتج عن تبادل الفونون يفسر الموصلية الفائقة في الموصلات الفائقة التقليدية ، لكنه لا يفسر الموصلية الفائقة في الموصلات الفائقة الأحدث التي لها درجة حرارة حرجة عالية جدًا.
المجالات المغناطيسية
وبالمثل ، عند درجة حرارة ثابتة أقل من درجة الحرارة الحرجة ، تتوقف المواد فائقة التوصيل عن التوصيل الفائق عند تطبيق مجال مغناطيسي خارجي أكبر منالمجال المغناطيسي الحرج. وذلك لأن طاقة جيبس الحرة لمرحلة الموصلية الفائقة تزداد تربيعًا مع المجال المغناطيسي ، في حين أن الطاقة الحرة للمرحلة العادية تكون مستقلة تقريبًا عن المجال المغناطيسي.
إذا كانت المادة فائقة التوصيل في حالة عدم وجود مجال ، فإن الطاقة الحرة لمرحلة التوصيل الفائق تكون أقل من تلك الموجودة في المرحلة العادية ، وبالتالي ، بالنسبة لبعض القيمة المحدودة للحقل المغناطيسي (متناسب مع المربع) جذر الاختلاف في الطاقات الحرة عند الصفر) ، ستكون الطاقتان الحرتان متساويتين ، وسيكون هناك انتقال طوري إلى الطور الطبيعي. بشكل عام ، تؤدي درجة الحرارة المرتفعة والحقل المغناطيسي الأقوى إلى نسبة أصغر من الإلكترونات فائقة التوصيل وبالتالي عمق أكبر لاختراق المجالات المغناطيسية الخارجية والتيارات في لندن. يصبح عمق الاختراق لانهائي في مرحلة الانتقال
المادي
بداية الموصلية الفائقة مصحوبة بتغيرات مفاجئة في الخصائص الفيزيائية المختلفة ، وهي السمة المميزة لانتقال الطور. على سبيل المثال ، تتناسب السعة الحرارية للإلكترون مع درجة الحرارة في النظام العادي (غير الموصل الفائق). في الانتقال فائق التوصيل ، يواجه قفزة وبعد ذلك يتوقف عن كونه خطيًا. في درجات الحرارة المنخفضة ، يتغير بدلاً من e − α / T لبعض ثابت α. هذا السلوك الأسي هو أحد الأدلة على وجود فجوة في الطاقة.
المرحلة الانتقالية
تفسير ظاهرة الموصلية الفائقة تمامًابشكل ملحوظ. تمت مناقشة ترتيب انتقال المرحلة فائقة التوصيل لفترة طويلة. تظهر التجارب أنه لا يوجد انتقال من الدرجة الثانية ، أي الحرارة الكامنة. ومع ذلك ، في وجود مجال مغناطيسي خارجي ، هناك حرارة كامنة لأن مرحلة الموصلية الفائقة لها إنتروبيا أقل ، أقل من درجة الحرارة الحرجة ، من المرحلة العادية.
أظهر تجريبياً ما يلي: عندما يزداد المجال المغناطيسي ويتجاوز المجال الحرج ، يؤدي انتقال الطور الناتج إلى انخفاض درجة حرارة المادة فائقة التوصيل. تم وصف ظاهرة الموصلية الفائقة بإيجاز أعلاه ، والآن حان الوقت لإخبارك بشيء عن الفروق الدقيقة لهذا التأثير المهم.
أظهرت الحسابات التي تم إجراؤها في السبعينيات أنه قد يكون في الواقع أضعف من الدرجة الأولى بسبب تأثير التقلبات بعيدة المدى في المجال الكهرومغناطيسي. في الثمانينيات ، تم عرضه نظريًا باستخدام نظرية المجال الفوضوي ، حيث تلعب خطوط دوامة الموصل الفائق دورًا رئيسيًا ، وأن الانتقال هو الترتيب الثاني في وضع النوع الثاني والترتيب الأول (أي الحرارة الكامنة) في وضع النوع الأول ، و أن المنطقتين مفصولة بنقطة ثلاثية الحرجة.
تم تأكيد النتائج بقوة من خلال محاكاة الكمبيوتر في مونت كارلو. لعب هذا دورًا مهمًا في دراسة ظاهرة الموصلية الفائقة. يستمر العمل في الوقت الحاضر. لم يتم فهم جوهر ظاهرة الموصلية الفائقة ولم يتم شرحه بالكامل من وجهة نظر العلم الحديث.
