پایان نامه ابر رسانا ها

مقدمه

فیزیک حالت جامد به زمینه گسترده‌ای از ویژگیهای مختلف مواد می‌پردازد. مواد، بنابر خاصیت الکتریکی یا مغناطیسی که خود بروز می‌دهند در یکی از گروههای سرامیکها، نارساناها، نیمرساناها، رساناها، ابر رساناها، و یا مواد مغناطیسی قرار می‌گیرند. با وجودی که کتابهای نوشته شده با عنوان عام فیزیک حالت جامد و یا با عنوانهای اختصاصی مثل فیزیک نیمرساناها، فیزیک ابر رساناها، فیزیک مواد مغناطیسی، و غیره بسیار زیادند ولی متاسفانه کتابهایی که در زمینه فیزیک حالت جامد یا هر یک از زیر شاخه های آن به فارسی برگردانده شده‌اند بسیار کم و حتی به تعداد انگشتان دست هم نمی رسد.70 سال از کشف ابر رسانایی می‌گذرد ولی تنها در خلال دو دهه گذشته بوده است که ابررساناها از اجسام مرموز مورد استفاده فیزیکدانها دز آزمایشهایشان به موادی با اهمیت کاربردی تغییر ماهیت داده اند. فن آوریهای تازه ای ظهور کردند که در آنها از مواد ابر رساناها برای توسعه قطعات الکترونیک با حساسیت و دقت بالا از قبیل تابش سنج ها، تشدید کننده های بسامد بالا، مخلوط برخوردار می‌شوند. اکنون برنامه های پژوهشی با هدف توسعه قطعات منطقی و حافظه برای رایانه ها بر پایه ابر رساناها در حال اجراست.

به خاطر این توسعه ها، تعداد قابل توجهی از متخصصین به طور روزمره با پدیده ابر رسانای سرو کار دارند. اکنون دوره های آموزشی مناسب در برخی از دانشگاهها و کالجهای فنی ارائه می‌شود.

در حال حاضر، چند کتاب کاملا عمومی در زمینه ابر رسانایی در دسترس اند. این کتابها عبارتند از: کتابهای نوشته شده توسط آ. سی. رز- اینز و ای. اچ ]1[، ای. آ. لینتون ]2[، ام. تینخام ]3[، پی. جی. دجنز ]4[، و دی. آر. تیلی و جر . تیلی ]5[ هر یک از این کتابها در نوع خود عالی است. ولی برخی از آنها، مثل ]3و4[ نیاز به زمینه خوبی در فیزیک نظری دارند در حالی که کتابهای دیگر تصویری کاملا به روز از فیزیک ابر رساناها به دست نمی دهند.

بخش اول

معرفی ابر رسانا

فصل اول

ابر رسانایی چیست؟

1-1 .واقعیات تجربی بنیادی

1-1-1 کشف ابر رسانایی

ابر رسانایی در سال 1911 در آزمایشگاه لیدن کشف شد. اچ. کامرلینگ اونس به هنگام مطالعه وابستگی دمایی مقاومت ویژه الکتریک نمونه ای از جیوه، مشاهده کرد که در دمای T* نزدیک به k4، مقاومت نمونه ناگهان به صفر سقوط می‌کند و در همه دماهای دسترس پذیر زیر T* مقاومت دیگر قابل اندازه گیری نیست ]6[. نکته مهم این که با کاهش دما مقاومت ناگهان به صفر می‌رسید نه به تدریج، آشکار بود که نمونه باید دستخوش گذاری به حالت جدیدی با مقاومت الکتریکی صفر شده باشد که در آن زمان ناشناخته بوده است. این پدیده را ابررسانایی نامیدند.

هر گونه تلاش برای یافتن کوچکترین اثری از مقاومت در ابررساناهای کپه ای، راه به جایی نبرد. با توجه به حساسیت وسایل اندازه گیری جدید، می‌توان گفت که مقاومت ویژه ابر رساناها، حداقل تا دقت  10-10، صفر است. در مقایسه، می‌دانیم که مرتبه بزرگی مقاومت ویژه مس با خلوص بالا در k2/4 برابر است با  9-10

مدت کوتاهی پس از کشف ابر رسانایی در جیوه، این خاصیت در سایر فلزات، مانند: قلع، سرب، ایندیم، آلومینیوم، نیوبیم و غیره یافت شد. همچنین معلوم شد که تعداد زیادی آلیاژ و ترکیبات بین فلزی نیز ابر رسانا هستند.

دمای گذار از حالت عادی به ابر رسانایی را دمای بحرانی Tc می‌نامند. زمان کوتاهی پس از این کشف معلوم شد که نه تنها با گرم کردن نمونه، بلکه با قرار دادن آن در میدان مغناطیسی نسبتا ضعیف می‌توان ابر رسانای از بین برد. این میدان، Hcm، را میدان بحرانی ماده کپه ای می‌خوانند.

(نمودار و جداول دز فایل اصلی موجود است)

در اکثر نوشتارهای انگلیسی زبان، Hcm را میدان بحرانی ترمودینامیکی، Hcth، می‌نامند.

جدول (1-1) مقادیر Hcm،Tc را برای تعدادی از عناصر ابر رسانا نشان می‌دهد. در این جا Hcm(0) میدان بحرانی برون یابی شده تا صفر مطلق است. وابستگی دمایی Hcm با رابطه تجربی

Hcm(T)=hcm(0)[1-(T/Tc)2]                                            (1-1)

سازگاری خوبی دارد. این وابستگی در شکل 1-1 نشان داده است که اصولا نمودار فاز H-T حالت ابر رسانش را نشان می‌دهد. در ناحیه سایه خورده، هر نقطه در صفحه H-T با حالت ابررسانشی همخوان است.

در سالهای اخیر، واژه ابر رسانایی به صورت کلمه ای جادویی در آمده است. تصور نمی شود که در حال حاضر فناوری جدید دیگری تا این اندازه توجه عموم را به خود جلب کرده باشد. پس از سالهای ابهام در مورد این پدیده، اکنون ابر رسانایی در زمینه های پزشکی، علوم نظری و تجربی، نظامی، ترابری، برق، الکترونیک و موارد زیاد دیگری کاربرد پیدا کرده است.

تقریبا همه روزه رساناهای عمومی در سرتاسر دنیا مطالب جالب و متنوعی را درباره این پدیده، که شدیدا مورد علاقه خوانندگان و شنوندگان بسیاری است، درج و پخش می‌کنند. اگر چه غالبا تحلیهای و پیش گوییهای دانشمندان بعد از یک دوران شکوفایی سریعا رو به افول می‌گذارد، با این همه تب ابر رسانایی همچنان سازمانهای مختلف تجاری و دولتی را فرا گرفته است.

در ایالات متحده، عقیده بر این است که ابر رسانایی نقش کلیدی در آینده فناوری این کشور بازی خواهد کرد و نیز می‌تواند به عنوان وسیله ای کار ساز در میدان رقابت فنی با ژاپن مورد استفاده قرار گیرد. دیدگاههای نظامی در مورد ابر رسانایی با کمی تفاوت، بیشتر بر ساخت سلاحهای سریع و دقیق تر و نیز ابزار دیده بانی متمرکز می‌شود. صرف نظر از موارد کاربردی آن، بسیاری از شرکتها در زمینه تجاری ابر رسانای با هم رقابت می‌کنند.

اغلب سازمانهایی که با مسائل فنی سرو کار دارند، از قبیل بل، جنرال الکتریک و آی. بی. ام با این مساله ارتباط تنگاتنگ دارند و نیز فعالیت اصلی بسیاری از شرکتهای جدیدتر بر روی این پدیده متمرکز است.حتی گفته می‌شود که از نظر فناوری، صنعت ابر رسانایی مترادف با صنعت نیمرسانایی است.

به هر حال، ابر رسانای موضوعی بسیار گسترده است. کوشش برای شناخت و یادگیری این پدیده پژوهشگران را با مطالعه و بررسی زمینه های بالقوه دیگر آن از قبیل پزشکی، فیزیک ریز اتمی، شیمی سرامیک، زیر دریاییهایی که عمدتا در امور جنگی از آنها استفاده می‌شود و حتی مسائل سیاسی وامی‌ دارد.

اگر چه ابر رسانایی از سال 1911 برای دانشمندان پدیده ای شناخته شده بوده است، اما اهمیت آن به عنوان یک عامل بالقوه در سالهای اخیر مشخص و مورد توجه قرار گرفته است. حتی می‌توان نقش این پدیده را در پیشبرد صنعت و فناوری با نقش ترانزیستور و لیزر در این زمینه مقایسه کرد.

ابر رسانایی پدیده ای چند چهره است که مزیتهای بسیاری را در ارتباط با فناوری روز ارائه می‌دهد.

ابر رسانایی دارای جنبه های بسیاری است که دانشمندان مختلف به منظور توسعه و پیشرفت این جنبه ها، فعالیت می‌کنند. هدف اصلی این تلاشها به کار گیری عملی ابر رساناها در صنعت و فناوری است. همان گونه که با قرار گرفتن تعدادی ترانزیستور در کنار قطعات دیگر وسیله ای الکترونیکی (مثلا رادیو) ساخته می‌شود، اثر کامل ابر رسانا ها نیز زمانی ظاهر می‌شود که به شکلی عملی مورد استفاده قرار گیرند. برای رسیدن به چنین هدفی تلاش گسترده، به شکل رقابت جهانی، آغاز شده است.

ابر رسانایی چیست؟

ابر رسانایی برای نخستین بار در سال 1911 توسط یک فیزیکدان هلندی به نام هیک کامرلینگ انس[1] کشف گردید. انس روی اثر دماهای خیلی پایین بر خواص فلزات مطالعه می‌کرد. او در حین آزمایشهایش متوجه شد که اگر جیوه تا دمای k4 سر شود، مقاومتش را در مقابل عبور الکتریسیته از دست می‌دهد (k معرف درجه کلوین است، که در آن صفر کلوین تقریبا برابر 460- درجه فارنهایت و یا 273- درجه سانتی گراد است.)

به منظور فهم کامل این کشف و پی بردن به اهمیت آن نیاز به این است که در مورد الکتریسیته و جریان الکتریکی اطلاعاتی از قبل داشته باشیم. به شکل خیلی ساده، الکتریسیته حرکت الکترونهاست که جریان الکتریکی نامیده می‌شود.دلیل ایجاد چنین جریانی را در فصل بعد مطالعه خواهیم کرد، اما در حال حاضر فرض می‌کنیم که جریانی از الکترونها وجود داشته باشد. معمولا ماده ای را که در آن الکترونها می‌توانند جریان پیدا کنند رسانا می‌نامند. برای مثال اغلب وسایل الکتریکی دارای سیمی متصل به یک دو شاخه هستند. معمولا این سیم که رساناست از ماده ای فلزی مانند مس ساخته شده است. زمانی که دو شاخه داخل پریز قرار می‌گیرد جریان الکتریکی در داخل سیم برقرار می‌شود. پریزها توسط سیمهای دیگر به جعبه فیوز متصلند و جعبه فیوز نیز توسط سیمهای رسانا به خطوط قدرت که برق ساختمان را تامین می‌کنند وصل می‌شود.

بنابراین یک رسانا ماده است که می‌تواند جریان الکتریکی را به خوبی از خود عبور دهد. مس رسانای بسیار خوبی است که معمولا سیمها و کابلهای انتقال را از آن می‌سازند. آلومینیوم، نقره و طلا هم رساناهای خوبی هستند. موادی از قبیل شیشه، جیر و چوب که جریان الکتریکی را هدایت نمی کنند، نارسانا یا عایق نامیده می‌شوند. مواد دیگری که جریان الکتریکی را تا اندازه ای هدایت می‌کنند (نه به خوبی رساناهایی مثل مس) نیمرسانا نام دارند. به هر حال، باید توجه داشت که حتی بهترین رساناها (مانند مس) رساناهای کاملی نیستند زیرا، به علت داشتن مقاومت الکتریکی، درصدی از انرژی الکتریکی عبوری از خود را هدر می‌دهند. مقاومت مانعی در سر راه جریان الکترییسیته است و عایقها به علت داشتن مقاومت بالا جریان الکتریکی را به خوبی از خود عبور نمی دهند. اگر چه مقاومت الکتریکی نیمرسانا ها تا حدی زیاد است اما آن قدر زیاد نیست که مانع عبور جریان الکتریسیته شود. مقاومت رساناها در مقابل عبور جریان کم است. علت وجود مقاومت در مواد مربوط به خواص اتمی آنها می‌شود که در فصل بعد مورد بحث قرار می‌گیرد و این اساس ظاهر شدن پدیده ابر رسانایی است.

قبل از سال 1911، حذف مقاومت الکتریکی حتی در بهترین رساناها امکان پذیر نبود. در این سال با کشف پدیده ابررسانایی گونه ای جدید از رسانا که (ابر رسانا) نامیده می‌شوند تولد یافتند. به طور ساده ابر رساناها، موادی هستند که عملا الکتریسیته را بدون هیچ مقاومتی از خود عبور می‌دهند و در نتیجه انرژی الکتریکی به هیچ وجه تلف نمی شود . جدول 1-1 مشخصات 4 دسته از مواد را از نظر رسانایی نشان می‌دهد.

(نمودار و جداول در فایل اصلی موجود است)