ابررسانایی و پدیده مایسنر

تهیه و تنظیم: پروین رحیمی توشنق دبیر فیزیک‌

ابررسانایی 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 هیچ‌گاه به صفر نمی‌رسد. ولی در مواد ابررسانا (مانند جیوه، آلومینیوم و بعضی از آلیاژهای فلزی) اگر دما از مقدار مشخص ‌ ‌cT(که دمای بحرانی نام دارد) کمتر شود، مقاومت الکتریکی ناگهان صفر می‌شود. دمای بحرانی معمولاً کمتر از 20 درجه کلوین است (کمتر از 253- درجه سلسیوس) و به ماده مورد نظر بستگی دارد. دمای بحرانی جیوه 2/4 کلوین (8 و 268- درجه سلسیوس) است.‌

در سال 1986 ابررسانایی دمای بالا کشف شد. دمای بحرانی این ابررساناها بیش از 90 کلوین است. نظریه‌های کنونی ابررسانایی نمی‌توانند ابررسانایی دمای بالا را، که به ابررسانایی نوع2‌‌ ‌‌(Type II) معروف است، توضیح دهند. از نظر عملی ابررساناهای 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.‌



ویژگی مواد ابررسانا

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



مقاومت الکتریکی صفر

ساده‌ترین راه برای اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی یک ماده قرار دادن 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 رابطه 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.‌

ابررساناها 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.‌



‌<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 مرتبه‌01 ‌nm 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؛ ابررسانا 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.‌



ابررسانایی نوع 1 و 2

اگر میدان مغناطیسی خیلی قوی باشد، اثر مایسنر از بین می‌رود. همین پدیده ابررساناها را به دو نوع تقسیم می‌کند: در ابررساناهای نوع‌1‌ ‌‌(Type I) اگر میدان مغناطیسی از یک حد آستانه‌‌ ‌‌(cH) بیشتر شود، ابررسانایی 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 ابررسانا (که میدان درون‌شان صفر است) همزمان وجودداشته باشند. در ابررساناهای نوع 2‌‌‌‌(Type II) اگر میدان مغناطیسی از حد‌‌1cH بیشتر شود، حالت مخلوطی ایجاد می‌شود که در آن شارژ مغناطیسی رو به افزایشی از ماده می‌گذرد، ولی مقاومت ماده، اگر جریان خیلی زیاد نباشد، همچنان صفر باقی می‌ماند. در حد دوم از میدان مغناطیسی‌ ‌2cH ابررسانایی از بین می‌رود. بیشتر ابررساناهایی که عنصر ساده هستند (به جز نیوبیوم، تکنوتیوم، و اندالیوم و نانولوله‌های کربنی) نوع 1 هستند و تقریباً همه ابررساناهای ناخالص و ترکیبی نوع 2 هستند.‌



نظریه‌های ابررسانایی‌

هنوز هیچ نظریه‌ای که بتواند همه انواع مشاهده شده ابررسانایی را توصیف کند، وجود ندارد. اصول پایه‌ای ابررسانایی در سال 1957 توسط سه فیزیکدان آمریکایی (جان باردین، رابرت شریفر و لئون کویر) توضیح داده شد و به نام این سه فیزیکدان نظریه‌ ‌BCS نام گرفت.



تاریخچه ابررسانایی‌

ابررسانایی را در سال 1911 هایک کمرلینگ اونز هلندی از دانشگاه لیدن کشف کرد. وی مقاومت الکتریکی جیوه جامد را در دماهای پایین بررسی می‌کرد و از هلیوم مایع که تازه کشف شده بود به عنوان سردکننده استفاده می‌کرد. او فهمید که در دمای‌‌4,‌2 k مقاومت ناگهان به صفر می‌رسد. جایزه نوبل فیزیک در سال 1913 به همین خاطر به او اعطا شد.‌

در دهه‌های بعد، خاصیت ابررسانایی در مواد دیگری نیز دیده شد. در سال 1913 دیده شد که سرب (در دمای)‌ 7‌k و در سال 1941 نیترید نیوبیوم (در دمای)‌ 61‌k ابررسانا می‌شوند.‌

گام مهم بعدی در فهم ابررسانایی در سال 1933 اتفاق افتاد. در این سال مایسنر و اوخنفلد دریافتند که ابررساناها میدان مغناطیسی خارجی را طرد می‌کنند؛ پدیده‌ای که امروزه اثر مایسنر نامیده می‌شود. در سال 1935 فریتز و هاینز لندن نشان دادند که اثر مایسنر نتیجه‌ای از کمینه بودن انرژی آزاد الکترومغناطیسی حمل شده توسط جریان‌های ابررسانا است.

اطلاعات۱۱/۹