منبع پایان نامه ارشد درمورد سرمایه گذاری، دماهای بحرانی، دانشگاه ها

و سیال93 شهرت یافت، الکترونها به دو گروه عادی ابرالکترونها تقسیم می شوند که ابرالکترونها عامل اصلی ابررسانایی بشمار می روند و در دماهای کمتر از دمای گذار، عمل هدایت الکتریکی را بعهده دارند]49[.
در همان سال با معرفی دو معادله در رابطه با شتابدار شدن الکترونها در یک ابررسانا در میدان خارجی، بوسیله برادران لندن گامی دیگر در جهت توجیه پدیده ابررسانایی برداشته شد]50[.
در سال 1935 مندلسن94 و همکارانش پدیده ناکامل مایسنر را در آلیاژهایی که به ابررسانا تبدیل می شوند، مشاهده نمودند. در این نوع ابررساناها با افزایش دما میدان مغناطیسی به داخل بخشهایی از جسم نفوذ کرده و سبب می شود که این بخشها به حالت عادی برگردند و حال آنکه بخشهای دیگر جسم در حالت ابررسانایی باقی می مانند]51[.
در سال 1950 فریتزلندن پیش بینی کرد که شار مغناطیسی عبوری از یک حلقه ابررسانا نظیر بار الکتریکی، اسپین و … کوانتیده است و این اولین گامی بود که در جهت استفاده از مفاهیم مکانیک کوانتومی در ابررسانایی برداشته می شد]52[.
در ادامه کوشش برای شناخت ماهیت ابررسانایی، در همان سال توسط گینزبرگ و لاندائو نظریه ای مدون گردید که بعدها به نظریه گینزبرگ – لاندائو معروف گردید ]53[.
در سال 1954 آلیاژی از قلع – نایوبیوم (Nb3Sn) که در دمای K˚ 18 ابررساناست، کشف شد]54[.
هرچند نظریه کلاسیکی لندن و نظریه های کوانتومی گینزبرگ – لاندائو کمک بسیار زیادی در جهت درک و شناخت هرچه بیشتر ابررسانا نمود ولیکن اولین نظریه مبتنی بر خواص میکروسکوپی ابررسانا در سال 1957 بوسیله باردین، کوپر و شریفر عنوان گردید و به نظریه BCS شهرت یافت. براساس این نظریه برهم کنش بین الکترونها و فونونها (کوانتای انرژی ارتعاشی شبکه) سبب جذب دوبدوی الکترونهایی می شود که در حالت عادی یکدیگر را دفع می کنند، زوجهای مذکور که به زوج کوپر95 مشهورند، در دمای کمتر از Tc بدون مقاومت، در عمل هدایت الکتریکی شرکت می کنند و در دماهای بیشتر از Tc پیوند بین دو الکترون زوج کوپر شکسته می شود و این الکترونها به الکترونهای عادی تبدیل می شوند]55[.
گایور در سال 1960 به منظور اثبات وجود شکاف انرژی در نمودار انرژی ابررسانا، پدیده تونل زنی الکترونهای عادی بین دو ابررسانا را مورد مطالعه قرار داد. در آزمایشی که به این منظور طراحی گردید، گایور از پیوند دو قطعه ابررسانا که بوسیله یک لایه عایق با ضخامت حدود 9-10 متر از هم جدا شده اند استفاده نمود. از بررسی منحنی مشخصه ولت – آمپر پیوند مزبور، او توانست وجود گاف انرژی را به اثبات رساند]56[.
موفقیت گایور، جوزفسون را بر آن داشت که در سال 1962 پدیده تونل زنی را به زوج های کوپر تعمیم دهد. او بر اساس مطالعات نظری ثابت نمود که زوج های کوپر نظیر الکترونهای عادی در پدیده تونل زنی شرکت می کنند و پیش بینی نمود که دو لایه ابررسانا بین آنها یک لایه نازک عایق وجود دارد دارای یک اتصال الکتریکی شوند، خاصیت الکترومغناطیسی برجسته ای بروز می دهند. این ویژگی که به اثر جوزفسون مشهور است در پیوندگاه جوزفسون مورد استفاده قرار می گیرد]57[.
پیش بینی جوزفسون در سال 1963 با آزمایشی که آندرسون96 و راول97 انجام دادند به تحقق پیوست ]58[.
در سال 1968 آلیاژی از نایوبیوم – آلومینیوم – ژرمانیوم ساخته شد که در دمای K˚21 ابررساناست. در سال 1972 باردین و همکاران جایزه نوبل فیزیک را برای ارائه نظریه BCS دریافت نمودند. در سال 1973 آلیاژ جدیدی از نایوبیوم – ژرمانیوم (Nb3Ge) با دمای بحرانی K˚ 3/23 تهیه شد]59 و 60[.
گایور و جوزفسون در سال 1974 جایزه نوبل را به خود اختصاص دادند، پیش بینی جوزفسون که بعدها به پدیده تونل زنی جوزفسون و یا پیوند جوزفسون معروف شد در بسیاری از کاربردهای ابررسانایی مورد استفاده واقع شده است.
75 سال بعد از کشف اونس، در سال 1986 مولر و بدنورز برای رسیدن به دمای گذار بالاتر، مواد سرامیکی اکسیدهای فلزی98 را مورد بررسی قرار دادند و با کشف یک ترکیب سرامیکی با ساختار La – Ba – Cu – O در دمای بسیار بالاتر از نقطه جوش هلیوم، یعنی در دمای K˚ 35، همان پدیده را در اجسامی به نام ابررساناهای سرامیکی مشاهده نمودند]61[.
یک سال بعد، پل چو99 پدیده مزبور را در نوع تغیر یافته ای از همان سرامیک (Y1Ba2Cu3O7) اما در دمایK˚ 93 مشاهده نمود. دمای مزبور بیشتر از دمای نقطه جوش ازت مایع یعنی K˚ 77 است. در سال 1987 نیز جایزه نوبل فیزیک به آنها بخاطر کشف خانواده جدید مواد ابررسانا تعلق گرفت]62[.
در سالهای 1988 و 1993 و 1994 ترکیبات جدید ابررسانایی با دماهای بحرانی جدید کشف شدند. در سال 1998 با اضافه کردن نقره به ابررساناهای سرامیکی با دمای بحرانی بالا، تهیه سیمهای انعطاف پذیر با پوشش نقره امکانپذیر و بزودی جایگزین کابلهای مسی، به منظور انتقال برق خواهند شد.
نینگ لو100 و الکسی بذریادین101 از دانشگاه هاروارد، در سال 1999 سیمی بسیار ظریف از مواد ابررسانا ساختند. ضخامت این سیم که باریکترین سیم موجود در جهان می باشد کمتر از 10 نانومتر (ضخامت حدود 20 اتم) است. پیش بینی می شود که تولید چنین سیم هایی، سرآغازی برای جایگزین شدن صنعت نانوالکتریک به جای میکروالکترونیک خواهد بود. علاوه بر این موارد، مرور تاریخی جالبی از پدیده ابررسانایی توسط کازیمیر102 ارائه شده است]63[.
با شروع سال 2000 تلاش پژوهشگران و نیز سرمایه گذاری دولتها و شرکتهای خصوصی برای اجرای طرحهای ابررسانایی بازهم افزایش یافته است، بویژه در ارتباط با ساخت کابل های ابررسانایی، مبدل های برق و موتورهای الکتریکی ابررسانایی فعالیت های زیادی در حال انجام است.
2-4- ابررساناها و خواص آنها
هنگامی که برخی فلزات و آلیاژها را تا دمای بسیار پایینی که غالبا در گستره دمای هلیوم مایع است سرد کنیم، مقاومت ویژه الکتریکی آنها در دمای بحرانی بطور ناگهانی صفر می شود، دمای گذار تا حدودی به درجه خلوص شیمیایی و نیز کامل بودن متالوژیکی نمونه بستگی دارد. در واقع ناهمگنی های شبکه بلوری و ناخالصی آن، باعث افزایش پهنای گذار بین حالت عادی و ابررسانایی می شود]8[.
بیش از 20 عنصر فلزی از عناصر جدول تناوبی (جدول2-1) می توانند خاصیت ابررسانایی از خود نشان دهن. نیمرساناهایی نیز وجود دارند که در شرایط مناسب ابررسانا می شوند.
جدول 2-1- عناصر ابررسانای جدول مندلیف
تعدادی از عناصر خالص نظیر Eu، Si، Cr وLi فقط وقتی بصورت لایه نازک تهیه می شوند ابررسانا بوده و حال آنکه بعضی از لایه های نازک وقتی با ذرات پر انرژی نظیر α بمباران می شوند تبدیل به ابررسانامی گردند، نظیر Pb ]64[.محلول رقیق شده بعضی از عناصر مانند Au، Ag، Cu، In، Al و Gd نیز خاصیت ابررسانایی دارند]65[.تعداد زیادی از عناصر مانند As، Ge، P و Si و تعدادی از فلزات مانند Ba، Cs و Y تحت فشار تبدیل به ابررسانا می شوند. عناصر فلزی واسطه نظیر Ga، Ni، Fe و Co که دارای اربیتال ناکامل d یا f هستند، تبدیل به ابررسانا نمی شوند. بیشتر فلزات خالص در دماهای بسیار پایین تبدیل به ابررسانا می شوند و دمای گذار برای آنها کمتر از K˚ 10 است. با ناخالص کردن بعضی از فلزات خالص نظیر مولیبدنیم و ایریدیم می توان از گذار آنها به فاز ابررسانایی در دماهای پایین جلوگیری نمود، از طرف دیگر وارد کردن ناخالصی در یک عنصر سبب پهن شدن گستره دامیی شود که جسم در آن دما از حالت عادی به حالت ابررسانایی می رسد.
یک ماده ابررسانا خواص بسیاری داردکه در این قسمت به سه موارد مهم آنها اشاره می کنیم:
1- یک جسم ابررسانا بگونه ای عمل می کند که گویی هیچ مقاومت الکتریکی DC ندارد. اونس آزمایشهایی ترتیب داد که بعضی از این آزمایشها دو سال ونیم طول کشید و افتی در جریان مشاهده نشد. لذا در غیاب میدان خارجی در جریان هایی که در یک ابررسانا برقرار می شوند هیچ گونه افتی مشاهده نمی شوند. مقاومت صفر و توانایی عبور چگالی جریان بالا در زمینه تولید و انتقال انرژی تاثیر بسزایی دارد]47[.
2- یک ابررسانا مانند یک دیامغناطیس103 کامل عمل می کند. در نمونه ای که در تعادل گرمایی است، به شرط آنکه شدت میدان مغناطیسی خارجی کم باشد مطابق شکل (2-1) جریانهای سطحی بوجود می آیند که این جریانها از نفوذ میدان مغناطیسی به داخل نمونه جلوگیری می کنند]66[. پدیده رانش میدان مغناطیسی توسط ابررسانا را اثر مایسنر – اوکسنفلد104 گویند. این اثر دلیل دیگری است که می توان بر اساس آن، پدیده ابررسانایی را یک گذار فاز در نظر گرفت . باید توجه داشت که پدیده طرد کامل شار، یک مفهوم ایده آل است. زیرا شار مغناطیسی در لایه نازکی در سطح ابررسانا و تا عمقی به نام عمق نفوذ105 پیش می رود. عمق نفوذ (λ) فاصله ایست که در آن میدان به e̸ 1 مقدار اولیه اش در سطح جسم کاهش می یابد و تابع دما بوده و با افزایش مقدار آن افزایش می یابد.در دمای T=Tc عمق نفوذ برابر ∞ است و ابررسانا تبدیل به یک جسم عادی می شود و میدان مغناطیسی کاملا به داخل آن نفوذ می کند]67[. یکی از توضیحاتی که در مورد دلیل وقوع پدیده مایسنر داده می شود، معادله لندن (∇^2 H=λ^(-2) H) است که پیش گویی می کند جدا از میدان موجود در سطح، میدان مغناطیسی در داخل ابررسانا بصورت تابع نمایی کاهش می یابد و در فاصله حدود 20 تا 40 نانومتری (λ) به صفر می رسد. اثر مایسنر در میدان های مغناطیسی بزرگ دیده نمی شود]48[.
شکل -2-1- ابررسانا در میدان خارجی، جریانهای پوششی و میدان مغناطیسی حاصل از آنها
3- رفتار الکترونهای فلزی بگونه ای است که یک گاف انرژی با پهنای Δ2 حول انرژی فرمی بوجود می آورند. یک الکترون با انرژی ε از یک ابررسانا می تواند برانگیخته شود. گاف انرژی با کاهش دما تا مقدار بیشینه اش در دمای صفر افزایش می یابد]7[.
علاوه بر موارد اشاره شده، هدایت گرمایی فلزات نیز در شرایط عادی و ابررسانایی متفاوت است. در حالت ابررسانایی الکترونها هیچ برخوردی با شبکه بصورت تبادل انرژی نخواهند داشت ونمی توانند گرما را بسوی دیگر منتقل کنند در نتیجه اگر فلزی به حالت ابررسانایی برود هدایت گرمایی کاهش پیدا می کند. خاصیت تونل زنی نیز از خواص ابررساناهاست که به انتقال جریان الکتریکی از یک ابررسانا به ابررسانای دیگر درصورتیکه نزدیک هم باشند گفته می شود، این انتقال انرژی درصورتی است که ولتاژِ وجود ندارد ولی به میدان مغناطیسی وابسته است.
شروط لازم برای تحقیق یک ابررسانا عبارتند از: مقاومت الکتریکی صفر و ایجاد خاصیت دیا مغناطیسی در ماده.حال آنکه در مورد یک رسانای کامل، نفوذ خطوط مغناطیسی به نحوه گذار جسم از حالت عادی به حالت رسانش کامل بستگی دارد.
امروزه از مواد ابررسانا به وفور در صنعت و تکنولوژی استفاده می شود. مهمترین مشخصه و عامل استفاده از این مواد داشتن چگالی جریانهای زیاد در دماهای کمتر از دمای بحرانی آنهاست. تحقیقات برروی مواد ابررسانا عمدتا حول سه محور: 1- افزایش دمای بحرانی106 2- بالا بردن چگالی جریانهای بحرانی107 3- بررسی و استفاده از خواص مغناطیسی، آنها استوار است.
2-4-1- گاف انرژی
برخلاف الکترون آزاد، الکترونهای یک جسم جامد فقط انرژی هایی را اختیار می کنند که در داخل نوارهای مجاز انرژی که بوسیله گاف هایی از انرژی های ممنوعه از یکدیگر جدا شده اند، قرار دارند. گاف انرژی یک مفهوم کاملا کوانتومی است و برای اولین بار وجود آن در نیمرساناها به اثبات رسیده است. در شکل (2-2) نحوه اشغال نوارهای مجاز انرژی بوسیله الکترونها نشان داده شده، در این شکل نواحی مجاز اشغال شده توسط الکترونها با هاشور مشخص گردیده است.
اگرچه الکترونهای یک نوار کاملا پر نمی توانند در عمل

مطلب مرتبط :   منبع تحقیق با موضوعپژوهشگران، انگیزه پیشرفت، انگیزش پیشرفت

دیدگاهتان را بنویسید