የሱፐር ምግባር ክስተት ምንድነው? Superconductivity ዜሮ የኤሌክትሪክ የመቋቋም እና መግነጢሳዊ ፍሉክስ መስኮች የሚለቀቁትን አንዳንድ ቁሳቁሶች ውስጥ ሱፐርኮንዳክተሮች ተብለው, ባሕርይ ወሳኝ የሙቀት መጠን በታች ሲቀዘቅዙ ያለው ክስተት ነው.
ክስተቱ የተገኘው በሆላንዳዊው የፊዚክስ ሊቅ ሄይክ ካመርሊንግ-ኦነስ በሚያዝያ 8፣ 1911 በላይደን ነው። ልክ እንደ ፌሮማግኔቲዝም እና አቶሚክ ስፔክትራል መስመሮች፣ ሱፐርኮንዳክሽን የኳንተም ሜካኒካል ክስተት ነው። በ Meissner ተጽእኖ ይገለጻል - ወደ ሱፐርኮንዳክተር በሚሸጋገርበት ጊዜ የማግኔቲክ መስክ መስመሮችን ሙሉ በሙሉ ማስወጣት.
ይህ የሱፐር ምግባር ክስተት ፍሬ ነገር ነው። የMeissner ተጽእኖ ብቅ ማለት ሱፐር-ኮንዳክቲቭን እንደ ክላሲካል ፊዚክስ ሃሳባዊ conductivity ሃሳባዊነት ብቻ ሊረዳ እንደማይችል ያሳያል።
የልዕለ-ኮንዳክቲቭነት ክስተት ምንድን ነው
የብረታ ብረት ማስተላለፊያ ኤሌክትሪክ መከላከያ ቀስ በቀስ እየቀነሰ ይሄዳልየሙቀት መጠኑን ዝቅ ማድረግ. እንደ መዳብ ወይም ብር ባሉ የጋራ መቆጣጠሪያዎች ውስጥ, ይህ ቅነሳ በቆሻሻ እና ሌሎች ጉድለቶች የተገደበ ነው. ወደ ፍፁም ዜሮ እንኳን ሳይቀር፣ የመደበኛ መሪው እውነተኛ ናሙና የተወሰነ ተቃውሞ ያሳያል። በሱፐርኮንዳክተር ውስጥ, ቁሱ ወሳኝ ከሆነው የሙቀት መጠን በታች በሚቀዘቅዝበት ጊዜ መከላከያው በከፍተኛ ሁኔታ ወደ ዜሮ ይቀንሳል. የኤሌክትሪክ ጅረት በሱፐር ኮንዳክተር ሽቦ ዑደት በኩል ያለ የኃይል ምንጭ ላልተወሰነ ጊዜ ሊቆይ ይችላል። ይህ የጥያቄው መልስ ነው፣ የሱፐር ምግባር ክስተት ምንድነው።
ታሪክ
በ1911፣ በጣም ዝቅተኛ በሆነ የሙቀት መጠን የቁስ አካላትን ባህሪያት በማጥናት ላይ እያሉ፣ ሆላንዳዊው የፊዚክስ ሊቅ ሄይክ ካመርሊንግ ኦነስ እና ቡድኑ የሜርኩሪ ኤሌክትሪክ የመቋቋም አቅም ከ4.2 ኪ (-269°C) በታች ወደ ዜሮ እንደሚወርድ አረጋግጠዋል። ይህ የሱፐርኮንዳክቲቭነት ክስተት የመጀመሪያ ምልከታ ነበር። አብዛኛዎቹ ኬሚካላዊ ንጥረ ነገሮች በዝቅተኛ የሙቀት መጠን እጅግ በጣም ጥሩ ይሆናሉ።
ከተወሰነ የሙቀት መጠን በታች ቁሶች ወደ ልዕለ-ኮንዳክሽን ሁኔታ ያልፋሉ፣ በሁለት ዋና ዋና ባህሪያት ተለይተው ይታወቃሉ፡ በመጀመሪያ የኤሌክትሪክ ጅረት ማለፍን አይቃወሙም። የመቋቋም አቅም ወደ ዜሮ ሲወርድ፣ ያለ ሃይል ብክንት የአሁኑ ቁስ ውስጥ ሊሰራጭ ይችላል።
በሁለተኛ ደረጃ፣ በበቂ ሁኔታ ደካማ ከሆኑ፣ ውጫዊ መግነጢሳዊ መስኮች በሱፐርኮንዳክተሩ ውስጥ አይገቡም፣ ነገር ግን በላዩ ላይ ይቆያሉ። ይህ የመስክ የማባረር ክስተት በ1933 የፊዚክስ ሊቅ ለመጀመሪያ ጊዜ ከታየ በኋላ የሜይስነር ተጽእኖ በመባል ይታወቃል።
ሶስት ስሞች፣ ሶስት ፊደሎች እና ያልተሟላ ቲዎሪ
ተራ ፊዚክስ በቂ አይሰጥምየሱፐር-ኮንዳክሽን ሁኔታ ማብራሪያዎች፣ እንዲሁም የጠንካራ ግዛት ኤለመንታሪ ኳንተም ቲዎሪ፣ የኤሌክትሮኖች ባህሪን ከክሪስታል ጥልፍልፍ ውስጥ ካሉት ionዎች ባህሪ በተለየ ሁኔታ ይመለከታል።
በ1957 ብቻ፣ ሶስት አሜሪካውያን ተመራማሪዎች - ጆን ባርዲን፣ ሊዮን ኩፐር እና ጆን ሽሪፈር በአጉሊ መነጽር የሱፐርኮንዳክቲቭ ንድፈ ሃሳብ ፈጠሩ። እንደ BCS ንድፈ ሀሳባቸው፣ ኤሌክትሮኖች ከላቲስ ንዝረት ("ፎኖኖች" የሚባሉት) ጋር በመገናኘት ጥንድ ሆነው ይጣመራሉ፣ በዚህም በጠጣር ውስጥ ያለ ግጭት የሚንቀሳቀሱ ኩፐር ጥንዶችን ይፈጥራሉ። ጠጣር በኤሌክትሮኖች ደመና ውስጥ የተጠመቁ አዎንታዊ ionዎች ጥልፍልፍ ተደርጎ ሊታይ ይችላል። ኤሌክትሮን በዚህ ጥልፍልፍ ውስጥ ሲያልፍ፣ ionዎቹ በትንሹ ይንቀሳቀሳሉ፣ በኤሌክትሮን አሉታዊ ክፍያ ይሳባሉ። ይህ እንቅስቃሴ በኤሌክትሪካዊ አወንታዊ ክልል ያመነጫል፣ ይህ ደግሞ ሌላ ኤሌክትሮን ይስባል።
የኤሌክትሮኒካዊ መስተጋብር ሃይል በጣም ደካማ ነው፣እናም በትነት በሙቀት ሃይል በቀላሉ ሊበታተን ይችላል -ስለዚህ ሱፐርኮንዳክሽን አብዛኛውን ጊዜ የሚከሰተው በጣም ዝቅተኛ በሆነ የሙቀት መጠን ነው። ሆኖም የቢሲኤስ ቲዎሪ በ 80 K (-193 ዲግሪ ሴንቲ ግሬድ) እና ከዚያ በላይ ከፍተኛ ሙቀት ያላቸው ሱፐርኮንዳክተሮች መኖራቸውን አይገልጽም, ለዚህም ሌሎች ኤሌክትሮኖች-ማያያዣ ዘዴዎች መሳተፍ አለባቸው. የሱፐር ምግባር ክስተት አተገባበር ከላይ ባለው ሂደት ላይ የተመሰረተ ነው።
ሙቀት
በ1986፣ አንዳንድ የኩፕሬት-ፔሮቭስኪት ሴራሚክ ቁሶች ከ90 ኪ (-183 ዲግሪ ሴንቲግሬድ) በላይ የሆነ የሙቀት መጠን አግኝተዋል። ይህ ከፍተኛ የመገናኛ ሙቀት በንድፈ ሀሳብ ነውለተለመደው ሱፐርኮንዳክተር የማይቻል, ወደ ቁሳቁሶች የሚያመራው ከፍተኛ ሙቀት ከፍተኛ ሙቀት ሰጪዎች ተብለው ይጠራሉ. የሚገኘው የማቀዝቀዝ ፈሳሽ ናይትሮጅን በ 77 ኪ.ሜ, እና ከሱ በላይ የሆነ የሙቀት መጠን ዝቅተኛ የሙቀት መጠኖች ብዙ ሙከራዎችን እና አፕሊኬሽኖችን ያመቻቻል. የሱፐርኮንዳክቲቭነት ክስተት በምን አይነት የሙቀት መጠን ይከሰታል ለሚለው ጥያቄ መልሱ ነው።
መመደብ
ሱፐርኮንዳክተሮች ለአካላዊ ንብረታችን ባለን ፍላጎት ፣ስለእነሱ ባለን ግንዛቤ ፣እነሱን ለማቀዝቀዝ ምን ያህል ውድ እንደሆነ ወይም በተሰሩት ቁሳቁስ ላይ በሚወሰኑ መመዘኛዎች ሊመደቡ ይችላሉ።
በመግነጢሳዊ ባህሪያቱ
አይነት I ሱፐርኮንዳክተሮች፡ አንድ ወሳኝ መስክ ብቻ ያላቸው፣ ኤች.ሲ.ሲ እና ሲደርሱ በድንገት ከአንዱ ግዛት ወደ ሌላ የሚሸጋገሩት።
የሁለተኛው አይነት ሱፐርኮንዳክተሮች፡- ሁለት ወሳኝ መስኮች Hc1 እና Hc2 ያላቸው፣በታችኛው ወሳኝ መስክ (Hc1) ስር ፍፁም ሱፐርኮንዳክተሮች መሆን እና ሙሉ ለሙሉ ከፍተኛውን ወሳኝ መስክ (Hc2) በላይ ያለውን ሱፐርኮንዳክተር በመተው፣ በመካከላቸው ድብልቅልቅ ያለ ሁኔታ ውስጥ መሆን ወሳኝ መስኮች።
ስለእነሱ እንደምንረዳቸው
ተራ ሱፐርኮንዳክተሮች፡ ሙሉ በሙሉ በቢሲኤስ ቲዎሪ ወይም ተዛማጅ ንድፈ ሃሳቦች ሊብራሩ የሚችሉ።
ያልተለመዱ ሱፐርኮንዳክተሮች፡ እንደዚህ አይነት ንድፈ ሃሳቦችን በመጠቀም ሊብራሩ የማይችሉት ለምሳሌ፡ ከባድ ፌርሚዮኒክሱፐርኮንዳክተሮች።
ይህ መስፈርት አስፈላጊ ነው ምክንያቱም የቢሲኤስ ቲዎሪ ከ1957 ዓ.ም ጀምሮ የመደበኛ ሱፐርኮንዳክተሮችን ባህሪያት እያብራራ ነው ነገርግን በሌላ በኩል ሙሉ ለሙሉ ያልተለመዱ ሱፐርኮንዳክተሮችን ለማብራራት አጥጋቢ ንድፈ ሃሳብ አልተገኘም። በአብዛኛዎቹ አጋጣሚዎች የ I አይነት ሱፐርኮንዳክተሮች የተለመዱ ናቸው ነገርግን ከጥቂቶቹ የተለዩ አሉ ለምሳሌ ኒዮቢየም ሁለቱም የተለመደ እና ዓይነት II።
በአስጊ ሙቀታቸው
ዝቅተኛ የሙቀት መጠን ሱፐርኮንዳክተሮች፣ ወይም LTS፡ ወሳኝ የሙቀት መጠኑ ከ30 ኪ.ወ።
ከፍተኛ የሙቀት መጠን ሱፐርኮንዳክተሮች ወይም ኤችቲኤስ፡- ወሳኝ የሙቀት መጠኑ ከ30 ኪ.ሜ በላይ የሆነ።አንዳንዶች አሁን 77K ን እንደ መለያየት ተጠቅመው ናሙናውን በፈሳሽ ናይትሮጅን ማቀዝቀዝ እንደምንችል አፅንዖት ይሰጣሉ (የማፍላቱ ነጥብ 77 ኪ) ከፈሳሽ ሂሊየም (አነስተኛ የሙቀት መጠን ሱፐርኮንዳክተሮችን ለማምረት የሚፈለገውን የሙቀት መጠን ለመድረስ አማራጭ) ከማለት የበለጠ የሚቻል ነው።
ሌሎች ዝርዝሮች
አንድ ሱፐርኮንዳክተር ዓይነት I ሊሆን ይችላል ይህም ማለት አንድ ወሳኝ መስክ አለው ከሱ በላይ ሁሉም ሱፐርኮንዳክተሮች ጠፍቷል እና ከዚህ በታች ማግኔቲክ ፊልዱ ከሱፐርኮንዳክተሩ ሙሉ በሙሉ ይወገዳል. ዓይነት II፣ ማለትም ሁለት ወሳኝ መስኮች ያሉት ሲሆን በመካከላቸውም መግነጢሳዊ መስክን በገለልተኛ ነጥቦች ውስጥ ከፊል ዘልቆ ለመግባት ያስችላል። እነዚህ ነጥቦች ሽክርክሪት ይባላሉ. በተጨማሪም, በ multicomponent superconductors ውስጥ, የሁለት ባህሪያት ጥምረት ይቻላል. በዚህ አጋጣሚ ሱፐርኮንዳክተሩ አይነት 1፣ 5 ነው። ነው።
ንብረቶች
አብዛኛዎቹ የሱፐርኮንዳክተሮች አካላዊ ባህሪያት እንደ ሙቀት አቅም እና ወሳኝ የሙቀት መጠን፣የወሳኝ መስክ እና ከፍተኛ ብቃት የሚፈርስበት ወሳኝ የአሁን ጥግግት ካሉ ቁሳቁሶች ወደ ቁሳቁስ ይለያያሉ።
በሌላ በኩል፣ ከመሠረታዊ ማቴሪያል ነጻ የሆኑ የንብረት ክፍል አለ። ለምሳሌ፣ ሁሉም ሱፐርኮንዳክተሮች በዝቅተኛ በተተገበሩ ጅረቶች፣ መግነጢሳዊ መስክ በሌሉበት ወይም የተተገበረው መስክ ከወሳኝ እሴት በማይበልጥበት ጊዜ ፍፁም ዜሮ የመቋቋም አቅም አላቸው።
የእነዚህ ሁለንተናዊ ንብረቶች መገኘት ሱፐር ኮንዳክሽን ቴርሞዳይናሚክስ ምዕራፍ መሆኑን ያሳያል ስለዚህም ከጥቃቅን ዝርዝሮች ነጻ የሆኑ የተወሰኑ ልዩ ባህሪያት አሉት።
ሁኔታው በሱፐርኮንዳክተሩ ውስጥ የተለየ ነው። በተለመደው ሱፐርኮንዳክተር ውስጥ የኤሌክትሮን ፈሳሽ ወደ ግለሰብ ኤሌክትሮኖች ሊለያይ አይችልም. በምትኩ፣ እሱ ኩፐር ጥንዶች በመባል የሚታወቁትን የታሰሩ ኤሌክትሮኖችን ያካትታል። ይህ ጥንዶች በኤሌክትሮኖች መካከል ባለው ማራኪ ሃይል በፎኖኖች መለዋወጥ ምክንያት የሚከሰት ነው። በኳንተም ሜካኒክስ ምክንያት የዚህ ኩፐር ጥንድ ሃይል ስፔክትረም የሃይል ክፍተት አለው ማለትም ፈሳሹን ለማነሳሳት መቅረብ ያለበት ዝቅተኛው የኢነርጂ ΔE አለ።
ስለዚህ ΔE በኬቲ ከሚሰጠው የግሪቲንግ የሙቀት ኃይል የሚበልጥ ከሆነ፣ k የቦልትማን ቋሚ እና ቲ የሙቀት መጠኑ ከሆነ፣ ፈሳሹ በፍርግርግ አይበተንም። ስለዚህስለዚህም የኩፐር ትነት ፈሳሽ ሱፐርፍሉይድ ነው፡ ይህም ማለት ሃይል ሳያባክን ሊፈስ ይችላል።
የላቁ ባህሪያት
በሱፐርኮንዳክሽን ቁሶች ውስጥ፣የሙቀት መጠን T ከወሳኙ የሙቀት መጠን Tc በታች ሲቀንስ የሱፐርኮንዳክሽን ባህሪያት ይታያሉ። የዚህ ወሳኝ ሙቀት ዋጋ ከቁስ ወደ ቁሳቁስ ይለያያል. የተለመዱ ሱፐርኮንዳክተሮች በተለምዶ ከ 20 ኪ እስከ 1 ኪ.የሚደርስ ወሳኝ የሙቀት መጠን አላቸው።
ለምሳሌ ድፍን ሜርኩሪ በጣም ወሳኝ የሆነ የሙቀት መጠን 4.2 ኪ.ሰ. ከ 2015 ጀምሮ ለተለመደው ሱፐርኮንዳክተር የተገኘው ከፍተኛው ወሳኝ የሙቀት መጠን 203 K ለ H2S ነው, ምንም እንኳን ወደ 90 ጊጋፓስካል ከፍተኛ ግፊት ቢያስፈልግም. የኩፕሬት ሱፐርኮንዳክተሮች በጣም ከፍ ያለ ወሳኝ የሙቀት መጠን ሊኖራቸው ይችላል፡- YBa2Cu3O7 ከተገኙት የመጀመሪያዎቹ የኩፕሬት ሱፐርኮንዳክተሮች አንዱ የሆነው ወሳኝ የሙቀት መጠን 92 ኪ እና በሜርኩሪ ላይ የተመሰረተ ወሳኝ የሙቀት መጠን ከ130 ኪ. ያልታወቀ።
በፎኖን ልውውጦች ምክንያት ኤሌክትሮን ማጣመር በተለመዱት ሱፐርኮንዳክተሮች ውስጥ ያለውን ልዕለ-ኮንዳክሽን ያብራራል፣ነገር ግን በጣም ከፍተኛ ወሳኝ የሙቀት መጠን ባላቸው አዳዲስ ሱፐርኮንዳክተሮች ላይ ያለውን ልዕለ ምግባር አያብራራም።
መግነጢሳዊ መስኮች
በተመሣሣይ ሁኔታ፣ ከወሳኙ የሙቀት መጠን በታች በሆነ ቋሚ የሙቀት መጠን፣ ከሱፐር ኮንዳክተሮች በላይ የሆኑ ውጫዊ መግነጢሳዊ መስክ ሲተገበር ልዕለ-ኮንዳክሽን ያቆማሉ።ወሳኝ መግነጢሳዊ መስክ. ምክንያቱም የሱፐርኮንዳክሽን ምዕራፍ ጊብስ ነፃ ኢነርጂ ከማግኔቲክ ፊልዱ ጋር በአራት እጥፍ ይጨምራል፣ የመደበኛው ዙር ነፃ ኢነርጂ ደግሞ ከመግነጢሳዊ መስክ በግምት ነፃ ነው።
ቁሱ በመስክ ላይ በሌለበት ሁኔታ እጅግ የላቀ ከሆነ፣ የሱፐርኮንዳክሽን ምዕራፍ ነፃ ሃይል ከመደበኛው ምእራፍ ያነሰ ነው፣ እና ስለዚህ፣ ለተወሰነ የማግኔቲክ ፊልድ ውሱን ዋጋ (ከካሬው ጋር የሚመጣጠን)። የነፃ ሃይሎች ልዩነት ስር በዜሮ)፣ ሁለቱ ነፃ ሀይሎች እኩል ይሆናሉ፣ እና ወደ መደበኛው ደረጃ የደረጃ ሽግግር ይኖራል። በአጠቃላይ ፣ ከፍ ያለ የሙቀት መጠን እና ጠንካራ መግነጢሳዊ መስክ አነስተኛ መጠን ያለው እጅግ በጣም ጥሩ ኤሌክትሮኖች ያስገኛል እናም ወደ ለንደን ውጫዊ መግነጢሳዊ መስኮች እና ሞገዶች የበለጠ ጥልቀት ዘልቆ እንዲገባ ያደርጋል። የመግባቱ ጥልቀት በደረጃ ሽግግር ማለቂያ የለውም።
አካላዊ
የሱፐር ምግባር ጅምር በተለያዩ አካላዊ ባህሪያት ላይ ድንገተኛ ለውጦች አብሮ ይመጣል፣ይህም የምዕራፍ ሽግግር መለያ ነው። ለምሳሌ, የኤሌክትሮን የሙቀት አቅም በተለመደው (ሱፐር-ኮንዳክሽን) አገዛዝ ውስጥ ካለው የሙቀት መጠን ጋር ተመጣጣኝ ነው. በሱፐርኮንዳክሽን ሽግግር ላይ, መዝለል ያጋጥመዋል እና ከዚያ በኋላ መስመራዊ መሆን ያቆማል. በዝቅተኛ የሙቀት መጠን፣ ለአንዳንድ ቋሚ α ከ e-α/T ይልቅ ይለወጣል። ይህ ገላጭ ባህሪ የኃይል ክፍተት መኖሩን ከሚያሳዩት ማስረጃዎች አንዱ ነው።
የደረጃ ሽግግር
የሱፐር ምግባር ክስተት ማብራሪያው በጣም ነው።በግልፅ። የሱፐርኮንዳክሽን ደረጃ ሽግግር ቅደም ተከተል ለረዥም ጊዜ ተብራርቷል. ሙከራዎች እንደሚያሳዩት የሁለተኛ ደረጃ ሽግግር የለም, ማለትም, ድብቅ ሙቀት. ነገር ግን፣ ውጫዊ መግነጢሳዊ መስክ ሲኖር፣ የሱፐርኮንዳክሽን ደረጃ ዝቅተኛ ኢንትሮፒይ፣ ከወሳኙ የሙቀት መጠን ያነሰ፣ ከመደበኛው ደረጃ ያነሰ ስለሆነ ድብቅ ሙቀት አለ።
በሙከራ የሚከተለውን አሳይቷል፡ መግነጢሳዊ መስኩ ሲጨምር እና ከወሳኙ መስክ በላይ ሲያልፍ፣የሚያመጣው የምዕራፍ ሽግግር የሱፐርኮንዳክሽን ቁስ የሙቀት መጠን እንዲቀንስ ያደርጋል። የሱፐር-ኮንዳክቲዝም ክስተት ከዚህ በላይ በአጭሩ ተብራርቷል፣ አሁን ስለዚህ ጠቃሚ ተጽእኖ ምንነት አንድ ነገር ለመንገር ጊዜው አሁን ነው።
በ1970ዎቹ የተደረጉ ስሌቶች እንደሚያሳዩት በኤሌክትሮማግኔቲክ መስክ የረዥም ርቀት ውጣ ውረድ በመኖሩ ምክንያት ከመጀመሪያው ትዕዛዝ ደካማ ሊሆን ይችላል። እ.ኤ.አ. በ 1980 ዎቹ ውስጥ ፣ በንድፈ ሀሳብ የዲስኦርደር መስክ ንድፈ ሀሳብን በመጠቀም የሱፐርኮንዳክተር አዙሪት መስመሮች ትልቅ ሚና የሚጫወቱት ፣ ሽግግሩ በሁለተኛው ዓይነት II ሞድ እና የመጀመሪያ ደረጃ (ማለትም ፣ ድብቅ ሙቀት) በ I ሞድ እና ሁለቱ ክልሎች በወሳኝ ነጥብ መለያየታቸው።
ውጤቶቹ በሞንቴ ካርሎ በኮምፒዩተር ማስመሰያዎች በጥብቅ ተረጋግጠዋል። ይህ የሱፐርኮንዳክቲቭነት ክስተት ጥናት ውስጥ ትልቅ ሚና ተጫውቷል. ስራው በአሁኑ ጊዜ ቀጥሏል. የሱፐር-ኮንዳክቲቭነት ክስተት ምንነት ከዘመናዊ ሳይንስ አንፃር ሙሉ በሙሉ አልተረዳም እና አልተብራራም።
