تحقیق در مورد آشنایی با ابررسانه

word قابل ویرایش
22 صفحه
8700 تومان
87,000 ریال – خرید و دانلود

آشنایی با ابررسانه

۱-۱ مقدمه
در سال ۱۹۱۱، کامرلینگ اونس هنگام کار کردن در آزمایشگاه دمای پایین خود کشف کرد که در دمای چند درجه بالای صفر مطلق، k 2/4، جریان الکتریسیته می تواند بدون هیچ اتلاف اختلاف پتانسیل در فلز جیوه جریان پیدا کند. او این واقعه منحصر به فرد را ابررسانایی نامید. کامرینگ در سخنرانی نوبل سال ۱۹۱۳ گزارش داد که حالت ابررسانایی می تواند به وسیله اعمال میدان مغناطیسی به اندازه کافی بزرگ از بین رود.

در حالی که یک جریان القاء شده در یک حلقه بسته ابررسانا به مدت زمان فوق العاده زیادی باقی می ماند و از بین نمی رود. او این رخداد را به طور عملی با آغاز یک جریان ابررسانی در یک سیم پیچ در آزمایشگاه لیدن و سپس حمل سیم پیچ همراه با سرد کننده‌ای که آن را سرد نگه می‌داشت، به دانشگاه کمنویج به عموم نشان داد. بعد از کشف، ابررسانایی در بیش از یک هزار فلز، آلیاژ، ترکیبات و حتی شبه رساناها یافت شد. [۱]، اما هیچ نظریه ای برای توضیح ابررسانایی در طول ۴۶ سال بعد از کشف ارائه نگردید. اولین دلیل آن می تواند این باشد که جامعه فیزیک تا حدود ۲۰ سال مبانی علمی لازم برای ارائه راه حل برای این مساله را نداشت: تئوری کوانتم فلزات معمولی. دوم این که تا سال ۱۹۳۳، هیچ آزمایش اساسی در این زمینه انجام نشد.

 

در این سال مایسنو و اوشنفلو گفتند که یک ابررسانا نه تنها در برابر عبور جریان مقاومت صفر دارد،بلکه به‌طور هم‌زمان‌ خاصیت دیامغناطیس‌نیز از خود نشان می‌دهد.در سال۱۹۳۴، گورتر و کایسیمیر مدل دو مشاوره‌ای را ارائه دادند.

طبق این مدل ابررسانا از دو نوع الکترون آزاد تشکیل شده:۱- ابرالکترون (n2) 2- الکترون‌های معمولی(nn)با افزایش دما از صفر تا Tc چگالی الکترون‌های ابررسانشی کاهش و به چگالی الکترون‌های معمولی اضافه می شود و در دمای انتقال تمام الکترون ها به صورت الکترون های معمولی در می آیند.
سوم اینکه، وقتی مبانی علمی لازم بدست آمد، به زودی واضح شد که انرژی مشخصه وابسته به تشکیل ابررسانایی بسیار کوچک می باشد، حدود یک میلیونیم انرژی الکترونی مشخصه حالت عادی، بنابراین نظریه پردازان توجه شان را به توسعه یک تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب کردند. این مسیر را لاندئو رهبری می کرد. کسی که در سال ۱۹۵۳ به همراه گینزبرگ یک تئوری پدیده شناختی را مطرح کردند و یک سری معادلات را فرمول بندی کردند، اما هرگز نتوانستند علت رخ دادن این پدیده را توضیح دهند.[۲]
یک کلید راهنما در سال ۱۹۵۰ میلادی بدست آمد، وقتی که محققان در دانشگاه روتگزر کشف کردند که دمای انتقال به حالت ابررسانایی سرب با عکس M ارتباط دارد. M.M جرم ایزوتوپ سرب است. از آنجا که انرژی الرزشی شبکه همان بستگی را با M دارد، کوانتای پایه آنها، فونون ها، باید نقشی در ظهور حالت ابررسانایی داشته باشند. سرانجام در سال ۱۹۵۷، سه فیزیک دان به نام‌های باردین، کوپر و شیرفر نظریه میکروسکوپی خود را ارائه کردند که بعدا به نام تئوری BCS شناخته شد.

در سال ۱۹۶۵ نقش فونونها در دمای گذار ابررسانایی در اثر ایزوتوپ تاییدی بر نظریه BCS بود. همچنین کوانتش شار و جریان تونلی شاهدان دیگری بر باور این نظریه بودند.
سومین رخداد مهم در تاریخ ابررسانایی در سال ۱۹۸۶ اتفاق افتاد. تا این سال دانشمندان تلاش زیادی را مصروف کشف ابررسانا با دمای انتقال بالاتر کردند. ولی تنها ثمره این تلاش‌ها ماده با k23بود که در سال۱۹۷۳کشف شد. تا اینکه در سال۱۹۸۶، بدنور و مولر در حال کار کردن از آزمایشگاه IBM نزدیک شهر زوریخ سوئیس، مقاله ای با عنوان« امکان در رسانای دمای بالا در سیستم “Ba-La-Cu-O” منتشر کردند.[؟ ]

این کشف باعث ایجاد زمینه ای جدید در علم فیزیک شد: مطالعه ابررساناهای دمای بالا در سال ۱۹۸۷ این دو دانشمند با فرض اینکه مواد با اثر جان تلر مشخص نیز می توانند ابررساناهایی با دمای گذار بالا تولید کنند، اکسید نیکلی را بررسی کردند، که ابررسانایی را نشان نداد سپس آنها اکسیدهای مس را مورد بررسی قرار دادند، واقع در هشت وجهی متشکل از اتمهای اکسیژن، اثر جان تلر بزرگی از خود نشان می داد. آنها نمونه هایی از مس- لانتانیوم- باریم در اختیار داشتند که بر خلاف پیشگویی نظریه BCS اولیه، دماهای گذار بالاتر از K 35 را نشان می دادند. طی مدت زمان کوتاهی

Y-Ba-Cu-O (YBCO یا ۱۲۳Y) با دمای گذار بالای K 80 ساخته شد.[۲و۴]
از آنجایی که کار با نیتروژن مایع راحت تر و کم هزینه تر از کار با هلیم مایع می باشد، کشف این ابررساناها تحول بزرگی در زمینه تحقیقاتی بوجود آورد، مطالعه ابرساناهای دمای بالا چنان گسترش یافته است که محققان بسیاری به دنبال نظریه میکروسکوپی برای توجیه خواص غیر عادی این مواد هستند.

در سال ۱۹۸۸ دو دسته ترکیبات جدید ابررسانایی کشف شدند این ترکیبات عبارت بودند از Bi-Sr-Ca-Cu-O(BSCCO) وTi-Ba-Ca-Cu-O(TBCCO) که مانند۱۲۳Y شامل دسته صفحات بودند. به دنبال آن در سال ۱۹۹۳ ترکیبات اکسید جیوه یافت شدند که دمای گذار آنها برای فازهای مختلف بین ۹۴ تا ۱۶۵ کلوین است. دمای گذار در فشار اتمسفر، K 135 است که در فشار بالاتر به بالای K 60 اهم می رسد[۵ و۲].

ابررساناهای دمای بالا همه در چند خصوصیات اصلی مشترک اند: ناهمسانگردند، ساختار بلوری لایه لایه دارند و در ساختار آنها صفحات نقش اصلی را بازی می کند. بی شک پدیده ابررسانایی یکی از مسائل مهم و مورد علاقه علم فیزیک است که تا کنون هشت جایزه نوبل که به این موضوع اختصاص یافته در هیچ موضوع دیگری سابقه ندارد.

۱-۲ ساختار بلوری سیستم بیسموت(BSCCO)
فازهای اصلی ابررسانایی موجود در سیستم بیسموت عبارتند از : مشهور به ۲۲۰۱، با دمای گذار حدود ، معروف به ۲۲۱۲ با دمای گذار ، یا ۲۲۲۳ با دمای گذار .
این ترکیبات ابرشبکه هایی چارگوشی یا راستگوشی و ساختار لایه ای دارند. در ساختار این ترکیبات مابین صفحات کاتیونهای قلیایی خاکی مانندCa می توانند قرار داشته باشد، این مجموعه صفحات و کاتیونهای بین آنها بوسیله لایه های BiO وSrO از یکدیگر جدا می‌شوند.(شکل۱-۱)

این ترکیبات در دمای اتاق رسانا نیستند، ساختار این ترکیبات بسیار ناهمسانگرد است، ولی در زیر دمای گذارشان ابررسانا می شوند. حامل های بار در این ترکیبات حفره است[۷] و در لایه های Cu-O حرکت می‌کنند که ناشی از کمبود اکسیژن در لایه‌هایBi-O می باشند[۸]، اکنون ساختار بلوری این ترکیبات را به طور مختصر بررسی می کنیم.
ترکیب : ساختار شبه چارگوشی و با ابعاد ۳A 4/24 * 9/3 * 9/3 دارد. اتمهای مس در این ساختار در یک هم آرایی ۸ تایی قرار دارند. اتمهای اکسیژن‌در مکانهای ۱O و ۲O در شکل(۱-۱)، قابل مشاهده است که مس و ۱O در صفحات با فاصله A 9/1 = 1Cu-O در همارایی مربعی قرار دارند و اتمهای ۲O درست بالا و پایین هر اتم مس در فاصله A 6/2 قرار گرفته اند. این مجموعه یک هشت وجهی ۶CuO را تشکیل می دهد. صفحه در میان صفحات SrO قرار گرفته است.
فاصله میانگین A 7/2 = Sr-O و دو لایه ای های ۲O2Bi مجموعه Sr-Cu-Sr را احاطه کرده اند. بیسموت در یک همارایی هشت وجهی واپیچیده قرار دارد. طول چهار پیوند در صفحه بین A2/2 تا A 9/2 و طول شش پیوند که دو لایه سازنده دو لایه ایهای ۲O2Bi را متصل می کنند از A3 بزرگتر است. این پیوند، بلند و ضعیف و به موازات محور C است و در همه فازهای ابررسانای سیستم با پایه بیسموت وجود دارد.[۹]

شکل(۱-۱) ساختار بلوری فازهای مختلف ابررسانای BSCCO
ترکیب :صفحهCu-Oدر ساختار ۲۲۰۱ با مجموعه صفحات در ساختار۲۲۱۲ جایگزین شده است، که فاصله صفحات ۲CuO تا Ca تقریبا A 66/1 است. اتمهای مس در یک هم آرایی۵ تایی با اتم های اکسیژن قرار دارند که این اتمهای اکسیژن در یک هرم مربعی قرار دارند.ساختار شبه‌چهارگوشی‌با ابعاد۳A 8/30 * 9/3 * 9/3برای سلول واحد۲۲۱۲گزارش شده است.[۱۰]

ترکیب : در این ترکیب ساندویچ ، جانشین صفحه ۲CuO در ترکیب ۲۲۰۱ شده است. اتمهای مس در صفحات بیرونی در همارایی هرم مربعی قرار دارند، مانند ترکیب ۲۲۱۲، اما اتمهای مس در صفحه میانی در همارایی صفحه مربعی هستند. ساختار گزارش شده برای ترکیب شبه چهارگوشی با ابعاد ۳A 1/37 * 8/3 * 8/3 است[۱۱].

۱-۳ مفهوم ابررسانایی
درک مفهوم ابررسانایی، درک مفاهیم زیر را در بر دارد.
۱-۳-۱ دمای گذار
دمایی که در آن فلز مقاومتش را از دست داده و به حالت ابررسانایی منتقل می شود. دمای بحرانی ابررسانا می نامند.
۱-۳-۲ معادلات لندن، عمق نفوذ و جریان های پوششی

وقتی یک نمونه ابررسانا در میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرد جریان های سطحی (پوششی) در یک لایه نازک از سطح نمونه به وجود می آیند که جهت آنها به گونه ای است تا شار مغناطیسی درون ابررسانا صفر شود. در نتیجه چگالی شار در مرز نمونه سریعا به صفر تنزل پیدا نمی کند و در داخل این لایه نازک سطحی میرا می شود. عمقی که این جریان ها در آن جاری می شوند عمق نفوذ نامیده می‌شود. عمق نفوذ، کوتاه‌ترین فاصله در یک ابررسانا است که در آن، میدان مغناطیسی به مقدار خود روی سطح می رسد. اگر در فاصله x داخل نمونه چگالی شار مغناطیسی به مقدار B(x) کاهش یابد، می توان عمق نفوذ را توسط رابطه زیر تعیین کرد[۶].

(۱-۱)
که در آن (۰)B چگالی شار مغناطیسی در روی سطح نمونه می باشد. رابطه(۱-۱) نشان می دهد که چگالی شار مغناطیسی در داخل نمونه به صورت نمایی میرا می شود.
۱-۳-۳ اثر مایسنو
ماده ابررسانا یک دیامغناطیس کامل است. وقتی یک نمونه ابررسانا در میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرد. به طور کامل شار مغناطیسی را طرد می کند. طرد شار مغناطیسی نمونه ابررسانا در میدان خارجی بدلیل جریان های سطحی است که برای از بین بردن شار داخل نمونه ابررسانا، روی سطح به وجود می آیند و از نفوذ میدان مغناطیسی به داخل نمونه جلوگیری می کنند.
۱-۳-۴ نظریه BCS :
در سال ۱۹۵۷ باردین، کوپر و شریفر تئوری میکروسکوپی ابررسانشی را مطرح کردند که بسیاری از خواص عناصر ابررسانا را به طور کمی پیش‌بینی می کند.[۶]
۱-۳-۵ اندرکنش الکترون – فونون:
طبق این تئوری، بر هم کنش الکترون – فونون باعث خلق حالت ابررسانایی می شود. همچنین بر هم کنش الکترون- الکترون نیز می شود، که این بر هم کنش از نوع جاذبه است و اگر از دافعه کولنی قوی‌تر باشد،الکترونها به صورت زوج الکترون در می‌آیند. در این حالت، زوج الکترون‌ها که به زوجهای کوپر معروفند، بدون برخورد با مقاومت در داخل فلز حرکت کرده و ابررسانایی را بوجود می آورند. به این ترتیب که اگر در اثر یک فرایند پراکندگی با یک الکترون شبکه، یک فونون خلق یا نابود شود، بلافاصله این فونون توسط یک فرایند پراکندگی با یک الکترون دیگر نابود یا خلق خواهد شد. در نتیجه یک فونون بین دو الکترون مبادله می شود. به عبارت دیگر، دو الکترون توسط یک فونون، باعث پراکندگی یکدیگر شده و در نتیجه با هم بر هم کنش می کنند[۶].
در حقیقت موقعی که یکی از الکترونها با بردار تکانه ۱K مثلا با گسیل یک فونون با بردار تکانه q طبق اصل پایستگی تکانه به حالت مطابق شکل (۱-۲) می رود. باعث نوسان موضعی الکترونها و افزایش چگالی الکترونی(بار منفی)، حالت جدید می شود که در نتیجه یونهای مثبت اطراف را جذب می کند تا افزایش چگالی الکترونی را جبران کند. اما به علت حرکت کند یونها در اثر جرم بزرگشان، یک افزایش چکالی بار مثبت در اطراف الکترون، تولیده شده که باعث جذب یک الکترون دیگر با بردار تکانه ۲k می‌شود. به عبارت دیگر الکترون‌دوم با جذب‌فونون به‌حالت می‌رود.

شکل(۱-۲) برهم کنش الکترون – الکترون توسط گسیل و جذب یک فونون[۱]و
چون الکترون از حالت k به k’ برانگیخته می شود، باید حالت k پر و k’ خالی باشد که در ۰ = T تنها در نزدیک سطح فرمی تمام حالت های درون سطح فرمی اشغال شده اند، در حالی که حالت های خارج از سطح، خالی‌اند این حالت پایه با کمترین انرژی می باشد. بنابراین فقط الکترونهای نزدیک سطح فرمی می توانند به خارج سطح برانگیخته شوند، چون جاذبه بین دو الکترون ناشی از تبادل یک فونون بین آنها است و با توجه به این که انرژی یک فونون می باشد، بنابراین انرژی الکترون ها هنگام برانگیختگی از k به k’ به اندازه تغییر می کند. در نتیجه تنها الکترونهایی یکدیگر را جذب می کنند که اختلاف انرژی آنها از انرژی فرمی کمتر از باشد. الکترونها ذراتی با اسپین هستند. برای این که یک جفت کوپر به صورت یک سیستم، همانند یک ذره تنها فرض شود باید ۰= St پس دو الکترون باید دارای اسپین هایی در خلاف جهت یکدیگر باشند.[۷]

همچنین دو الکترون زوج کوپر، باید دارای اندازه حرکت های مساوی  در خلاف جهت یکدیگر باشند زیرا همان طور که گفتیم، عکس العمل یونها بسیار کند است و در مدت زمان حرکت یونها به سمت الکترون اول، این الکترون از مکان اولیه خود مقداری جابجا شده و از چگالی مثبت حاصل از یونها دور می شود. در نتیجه برای این که الکترون دوم که در اثر چگالی مثبت یونها جذب شده، به طرف الکترون اول حرکت کند باید جابجایی الکترون اول در راستا و در خلاف جهت حرکت یونها و در نتیجه در خلاف جهت الکترون دوم باشد.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 22 صفحه
87,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد