ابررسانایی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد.

اثر مایسنر سبب می‌شود که دوقطبی مغناطیسی در بالای ابررسانا (که حالت دیامغناطیسی) پیدا کرده است، شناور در هوا باقی بماند.
اثر مایسنر سبب می‌شود که دوقطبی مغناطیسی در بالای ابررسانا (که حالت دیامغناطیسی) پیدا کرده است، شناور در هوا باقی بماند.

اَبَررسانایی پدیده‌ای است که در دماهای بسیار پایین برای برخی از مواد رخ می‌دهد. در حالت ابررسانایی مقاومت الکتریکی ماده صفر می‌شود و ماده خاصیت دیامغناطیس کامل پیدا می‌کند، یعنی میدان مغناطیسی را از درون خود طرد می‌کند. و این تنها تفاوت اصلی ابررسانا با رسانای کامل است، زیرا در رسانای کامل انتظار می‌رود میدان مغناطیسی ثابت بماند، در حالی که در ابررسانا میدان مغناطیسی همواره صفر است.

در اصل ابررسانایی چیزی جز استحاله فازی ماده نیست، مانند تغییر حالت آب از مایع به گاز و یا برعکس.

در رساناهای عادی مقاومت الکتریکی با کاهش دما کم می‌شود، ولی هیچ گاه به صفر نمی‌رسد. ولی در مواد ابررسانا (مانند جیوه، آلومینیوم و بعضی از آلیاژهای فلزی) اگر دما از مقدار مشخص Tc (که دمای بحرانی نام دارد) کمتر شود، مقاومت الکتریکی ناگهان صفر می‌شود. دمای بحرانی معمولاً کمتر از ۲۰ درجهٔ کلوین است (کمتر از ۲۵۳- درجهٔ سلسیوس) و به مادهٔ مورد نظر بستگی دارد. دمای بحرانی جیوه ۴٫۲ کلوین (۲۶۸٫۸- درجهٔ سلسیوس) است.

در سال ۱۹۸۶ ابررسانایی دمای بالا کشف شد. دمای بحرانی این ابررساناها بیش از ۹۰ کلوین است. نظریه‌های کنونی ابررسانایی نمی‌توانند ابررسانایی دمای بالا را، که به ابررسانایی نوع ۲ (Type II) معروف است، توضیح دهند. از نظر عملی ابرساناهای دمای بالا کاربردهای بسیار بیشتری دارند، زیرا در دماهایی ابررسانا می‌شوند که راحت‌تر قابل ایجاد هستند. پژوهش برای یافتن موادی که دمای بحرانی آن‌ها باز هم بیشتر باشد، و همچنین برای یافتن نظریه‌ای برای توضیح ابررسانایی دمای بالا همچنان ادامه دارد.

فهرست مندرجات

[ویرایش] ویژگی‌های مواد ابررسانا

در حالت ابررسانایی مادهٔ ابررسانا ویژگی‌های خاصی پیدا می‌کند. ناپدیدشدن مقاومت الکتریکی، دیامغناطیس شدن (اثر مایسنر) و سایر ویژگی‌های غیرعادی مغناطیسی، تغییر عمده در ویژگی‌های گرمایی و سایر پدیده‌های کوانتومی که به جز این فقط در سطح اتمی و زیراتمی دیده می‌شوند، از جمله ویژگی‌های مواد ابررسانا هستند.

[ویرایش] مقاومت الکتریکی صفر

ساده‌ترین راه برای اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی یک ماده قراردادن آن در یک مدار الکتریکی است. اگر ماده را به طور متوالی در یک مدار شامل منبع ولتاژ یا منبع جریان قرار دهیم، با اندازه‌گیری افت ولتاژ (اختلاف پتانسیل الکتریکی) در دو سر ماده (V) و دانستن جریان گذرنده از مدار (I) می‌توانیم مقاومت آن را از رابطهٔ R=\frac{V}{I} (قانون اهم) به دست آوریم. اگر افت ولتاژ در دو سر ماده صفر باشد، معلوم می‌شود که مقاومت ماده هم صفر است و ماده در حالت ابررسانایی قرار دارد.

ابرساناها می‌توانند جریان را بدون نیاز به هیچ ولتاژی در یک حلقه نگه دارند. از این ویژگی در آهنرباهای الکتریکی ابررسانا، مثلاً در دستگاه‌های MRI استفاده می‌شود. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که جریان در سیم‌پیچ‌های ابررسانا می‌توانند بی هیچ اتلاف قابل مشاهده‌ای، سال‌ها باقی بماند.

[ویرایش] اثر مایسنر

اگر ابررسانا را در یک میدان مغناطیسی خارجی ضعیف قرار دهیم، میدان فقط تا مسافت کمی در ابررسانا پیشروی می‌کند که عمق نفوذ لندن نامیده می‌شود. پس از این مسافت میدان به سرعت به صفر میل می‌کند. این پدیده اثر مایسنر (Meissner effect) نام دارد و یکی از مشخصه‌های اصلی مواد ابررسانا است. برای بیشتر ابررساناها عمق نفوذ لندن از مرتبهٔ ۱۰nm است.

اثر مایسنر گاهی با نوعی از خاصیت دیامغناطیس که در رساناهای کامل وجود دارد اشتباه گرفته می‌شود: طبق قانون لنز اگر یک میدان مغناطیسی متغیر به یک رسانا اعمال شود، جریانی در رسانا به وجود می‌آید که میدان حاصل از آن با تغییر میدان خارجی مخالفت می‌کند. در یک رسانای کامل، این جریان می‌تواند بسیار بزرگ باشد، و در نتیجه میدان مغناطیسی را کاملاً خنثی کند.

اثر مایسنر با این پدیده متفاوت است؛ ابرسانا هرگونه میدان مغناطیسی‌ای را طرد می‌کند، نه فقط میدان‌های متغیر را. فرض کنید ماده‌ای داریم که درونش یک میدان مغناطیسی وجود دارد. اگر ماده را تا زیر دمای بحرانی‌اش سرد کنیم، خواهیم دید که میدان مغناطیسی درونی ناگهان از بین می‌رود. این پدیده با قانون لنز قابل پیش‌بینی نیست.

[ویرایش] ابرسانایی نوع ۱ و نوع ۲

اگر میدان مغناطیسی خیلی قوی باشد، اثر مایسنر از بین می‌رود. همین پدیده ابررساناها را به دو نوع تقسیم می‌کند: در ابررساناهای نوع ۱ (Type I) اگر میدان مغناطیسی از یک حد آستانه (Hc) بیشتر شود، ابرسانایی ناگهان از بین می‌رود. بسته به شکل هندسی نمونه، ممکن است حالت‌های میانی‌ای هم ایجاد شوند که در آن ناحیه‌های عادی (که در آن‌ها میدان وجود دارد) و ناحیه‌های ابرسانا (که میدان درون‌شان صفر است) همزمان وجود داشته باشند. در ابررساناهای نوع ۲ (Type II) اگر میدان مغناطیسی از حد Hc1 بیشتر شود، حالت مخلوطی ایجاد می‌شود که در آن شار مغناطیسی روبه‌افزایشی از ماده می‌گذرد، ولی مقاومت ماده، اگر جریان خیلی زیاد نباشد، همچنان صفر باقی می‌ماند. در حد دوم از میدان مغناطیسی Hc2 ابررسانایی از بین می‌رود.

بیشتر ابررساناهایی که عنصر ساده هستند (به جز نیوبیوم، تکنوتیوم، واندالیوم و نانولوله‌های کربنی) نوع ۱ هستند، و تقریباً همهٔ ابررساناهای ناخالص و ترکیبی نوع ۲ هستند.

[ویرایش] نظریه‌های ابررسانایی

هنوز هیچ نظریه‌ای که بتواند همهٔ انواع مشاهده‌شدهٔ ابررسانایی را توصیف کند، وجود ندارد. اصول پایه‌ای ابررسانایی در سال ۱۹۵۷ توسط سه فیزیکدان امریکایی (جان باردین، رابرت شریفر و لئون کوپر) توضیح داده شد و به نام این سه فیزیکدان نظریهٔ BCS نام گرفت.