بس رسانا ها

ابررسانایی به جریان الکتریکی در ماده ای با مقاومت صفر اطلاق می شود. چنین موادی برای استفاده در آهن ربا بسیار مهم هستند ، به عنوان مثال ، در دستگاه های تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) و رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) ، زیرا وقتی جریان در سیم پیچ های این آهن ربا شروع به جریان کند ، متوقف نمی شود. آسانسور مغناطیسی با استفاده از ابررساناها – که زیر مقاومت میدان حیاتی ، آهن ربا های کاملی هستند که توسط خطوط شار مغناطیسی نفوذ نمی کنند – همچنین به طور بالقوه به فناوری های آینده مانند قطارهای دارای مغناطیس مغناطیسی مربوط است.
پدیده ابررسانایی ، که برای اولین بار در فلز جیوه در سال 1911 توسط اونس کشف شد ، همچنان فقط تا حدی قابل درک است. این مورد توجه فیزیکدانان به عنوان یک پدیده کوانتومی ماکروسکوپی و دانشمندان شیمی و مواد است که سعی در ایجاد ابررساناهای بهتر (به ویژه مواردی که در دمای بالاتر ابررسانا هستند) و دستگاههای مشتق شده از آنها مانند دستگاههای تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUID) ، که مغناطیس سنج های بسیار حساسی هستند.
آهن ربائی که در بالای ابررسانای دمای بالا قرار دارد و با نیتروژن مایع خنک می شود. جریان الکتریکی مداوم بر روی سطح ابررسانا جریان دارد ، به استثنای میدان مغناطیسی آهنربا. این جریان به طور م anثر یک آهنربای الکتریکی را تشکیل می دهد که آهن ربا را دفع می کند

جفت چرخش و مقاومت صفر
انتقال از حالت فلزی به ابررسانا مربوط به پدیده های کوانتومی چگالش و ابر سیالیت بوز- اینشتین است. الکترونهای فردی دارای چرخش = 2/1 هستند و به همین ترتیب فرمیونها) ذراتی با چرخش نیم عدد صحیح(هستند. به دلیل اصل حذف Pauli ، بیش از دو فرمیون نمی تواند حالت کوانتومی یکسانی را اشغال کند (مانند یک اوربیتال در یک مولکول یا یک جامد)
نتیجه آشنای این قانون ، پر کردن اوربیتالها با الکترونهای جفت شده در هر سطح انرژی است. در مقابل ، ذرات با چرخش عدد صحیح – که بوزون نامیده می شوند – این محدودیت را ندارند و هر تعداد بوزون می تواند همان سطح انرژی کوانتیزه را اشغال کند.

ابررسانایی هنگامی اتفاق می افتد که الکترونها به هم می ریزند و به اصطلاح جفت کوپر می چرخند ، که می توانند از طریق شبکه با هم حرکت کنند. الکترونهای یک جفت کوپر ، اگرچه به صورت اسپین زوج هستند ، اما رابطه ای از راه دور دارند: میزان فضایی یک جفت کوپر در ابررساناهای کاپرات ، چند نانومتر و در ابررساناهای Tc پایین مانند آلومینیوم ، تا یک میکرون است. از آنجا که حرکت کلی زاویه ای چرخش آن صفر است ، یک جفت کوپر یک بوزون است. هنگامی که دما به اندازه کافی پایین است ، جفت کوپر “متراکم” می شود و به کمترین سطح انرژی می رسد. دومین سطح پایین انرژی – که به طور معمول چند مگا ولت بالاتر از سطح زمین است – تا زمانی که شکاف انرژی بیشتر از انرژی گرمایی kT باشد ، برای آنها قابل دسترسی نیست. سپس پراکندگی الکترون ها توسط شبکه با حفظ انرژی ممنوع می شود زیرا پراکندگی باعث اتلاف انرژی می شود و جفت کوپر نمی تواند حالت انرژی خود را تغییر دهد. بنابراین مقاومت (که از پراکندگی ناشی می شود ، همانطور که در بخش 6 آموخته ایم) ناگهان به زیر صفر رسیده و به صفر می رسد. با این حال ، جفت کوپر می تواند از هم جدا شود که سریع حرکت کند ، و بنابراین ابررساناها دوباره به فلزات نرمال (حتی زیر Tc) بالاتر از برخی از چگالی جریان بحرانی jc تبدیل می شوند. این پدیده همچنین مربوط به میدان مغناطیسی حیاتی ، Hc است که ابررسانایی را فرو می نشاند.

ترامپولین برای الکترون ها
چه عواملی باعث می شود الکترون هایی که به دلیل بار منفی یکدیگر را دفع می کنند ، جفت شوند و در ابررساناها با هم حرکت کنند؟ مکانیسم – که باید نوعی تعامل جذاب بین الکترونها را در بر داشته باشد – برای ابررساناهای “معمولی” که دمای انتقال نسبتاً کمی دارند به خوبی قابل درک است ، اما هنوز برای ابررساناهای اکسید با درجه حرارت بالا با قطعیت شناخته نشده است. در ابررساناهای معمولی یا BCS ، جفت چرخش توسط شبکه واسطه است که در شکل سمت چپ نشان داده شده است. یک فعل و انفعال قوی الکترون و شبکه باعث ایجاد تحریف در شبکه در هنگام حرکت الکترون می شود. این تغییر شکل الاستیک توسط یک الکترون دوم که در جهت مخالف حرکت می کند ، به عنوان یک نیروی جذاب احساس می شود. این را می توان مشابه تعامل دو نفر در حال پریدن روی ترامپولین دانست. وزن نفر اول روی ترامپولین یک “چاه” ایجاد می کند که نفر دوم را جذب می کند ، و آنها تمایل دارند با هم حرکت کنند (حتی اگر یکدیگر را دوست نداشته باشند). این تعامل عجیب به نظر می رسد ، اما با اثرات ایزوتوپ بر روی Tc و با پیش بینی کمی مقادیر Tc در ابررساناهای معمولی پشتیبانی می شود.
فلزات بد ابررساناهای خوبی ایجاد می کنند.
همه ابررساناها فلزات “عادی” هستند – با مقاومت الکتریکی محدود – بالاتر از دمای انتقال بحرانی خود ، Tc. اگر بپرسید در جدول تناوبی کجا می تواند به دنبال ابررساناها باشد ، پاسخ تعجب آور است. رساناترین فلزات (Ag ، Au ، Cu ، Cs و …) بدترین ابررساناها را تولید می کنند ، یعنی کمترین دمای انتقال ابررسانا را دارند ، در بسیاری از موارد کمتر از 01/0 K. برعکس فلزات “بد” مانند آلیاژهای نیوبیوم مشخص اکسیدهای مس ، KxBa1-xBiO3 ، MgB2 ، FeSe و نمک های قلیایی آنیون های C60n ، می توانند انتقال نسبتاً بالایی داشته باشند

جدول زمانی مواد ابررسانا ، نشانگر Tc در مقابل سال کشف.

مشاهده می کنیم که بیشتر ابررساناهای خوب در فضای ترکیب بسیار نزدیک به یک انتقال عایق فلزی ظاهر می شوند. از نظر تصویر میکروسکوپی ما ، همپوشانی مداری در ابررساناها ضعیف است ، فقط کافی است که بتواند آنها را به عنوان فلزات (Δ ≈ U) بالاتر از Tc عمل کند. در حالت عادی ، ابررساناهای با Tc بالا – که می توانند تا 150 K هم برسند – به طور معمول فلزات “بد” هستند. مشخصه مهم این گونه فلزات این است که میانگین مسیر آزاد الکترونها (در حالت عادی ، بالاتر از Tc) به ترتیب فاصله شبکه است ، یعنی فقط چند. در مقابل ، ما در Ch یاد گرفتیم. 6 که فلزات خوب مانند Au ، Ag و Cu دارای مسیرهای الکترونیکی آزاد هستند که دارای دو مرتبه بزرگتر هستند (حدود 40 نانومتر). در یک فلز بد ، الکترون شبکه را کاملاً “احساس” می کند ، در حالی که در یک فلز خوب ، الکترون نسبت به تغییرات کوچک در فاصله بین اتم فلزات حساس نیست.
تصویر گروه برای فلز بد چگونه است؟ نکته اصلی این است که چون همپوشانی مداری ضعیف است ، فلز دارای چگالی زیادی از حالت ها در سطح فرمی است. این ویژگی جهانی ابررساناها با درجه حرارت بالا است و سرنخی از محل جستجوی مواد ابررسانای جدید و بهبود یافته فراهم می کند. به یاد بیاورید که عناصر انتقالی در وسط سری 3 بعدی (Cr ، Fe ، Co ، Ni) به دلیل همپوشانی مداری ضعیف و پیوند ضعیف d-d مغناطیسی بودند. عناصر زیر این عناصر – به ویژه Nb ، Ta و W – به سختی هم کف مدار d-d می شوند تا بتوانند در سمت فلز انتقال عایق فلز قرار بگیرند و فلزات “بد” باشند. کاربیدها و نیتریدهای این عناصر به طور معمول ابررسانا هستند ، در حالی که اتم های کربن و نیتروژن برای تنظیم تراکم الکترون ظرفیت کار می کنند ، همانطور که در جدول زیر نشان داده شده است.

ابررساناهای High Tc
ابررساناهای دمای بالا علاوه بر داشتن همپوشانی مداری ضعیف در حالت فلزی – همچنین دارای ابر عناصر در حالت اکسیداسیون مخلوط (به عنوان مثال ، Cu2 + / 3 + یا Bi3 + / 5 +) هستند که نزدیک به هم هستند انرژی به زوج O2- / O- در شبکه. در فشار محیط ، ابررساناهای کاپراته بالاترین مقادیر Tc شناخته شده را دارند که در حدود 35 تا 150 K. متغیر است. ساختارهای بلوری این مواد تقریباً همه انواع شبکه پروسکیت هستند ، همانطور که در سمت راست برای ابررسانای 1-2-3 YBa2Cu3O7 نشان داده شده -δ یک شبکه ایده آل پروسکیت دارای فرمول ABO3 = A3B3O9 است. در YBa2Cu3O7-δ ، Y و Ba سایت های کاتیون A را اشغال می کنند ، Cu سایت های B را اشغال می کند و دو تا از نه اتم O از بین رفته اند.
شبکه YBa2Cu3O7-δ از ورقهای اکسید مس مخلوط (II / III) تشکیل شده است که توسط اتمهای اکسیژن پوشانده شده و هرمهای مربعی CuO5 را تشکیل می دهد. این ورق ها کاتیون های Y3 + را کپسوله می کنند. روبان های اکسید مس (II) که دارای اتم های اکسیژن آپیکال اهرام مربع هستند ، در یک جهت از طریق ساختار عبور می کنند. در YBa2Cu3O7-δ و مواد مربوط به آن ، یکی از اجزای سازه (در اینجا نوارهای Cu-O) به عنوان مخزن بار برای کنترل دوپینگ ورقهای مسطح CuO2 که عناصر سازه فوق جریان هستند ، عمل می کند. ابررساناهای کاپرات با لایه های مخزن بار حاوی Bi ، Tl یا Hg و ورق های CuO2 متعدد و کسوف در سلول واحد تمایل به بالاترین مقادیر Tc دارند.

ارتباط بین انتقال عایق فلزی و ابررسانایی به خوبی در نمودار فاز La2-xSrxCuO4 ، اولین ابررسانای کوپراته نشان داده شده است که در سال 1986 توسط گئورگ بدنورز و ک. الکس مولر کشف شد. این ترکیب دارای ساختاری نسبتاً ساده است که در آن لایه های سنگ نمکی سنگ (Sr) O با لایه های CuO3 پروسکیت لا (Sr) در هم رشد می کنند. La2CuO4 بدون عمل فقط شامل یون های + Cu2 است و یک عایق ضدفرمغناطیسی است. از آنجا که مقدار کمی Sr2 + به جای La3 + جایگزین می شود ، مقداری از Cu2 + به Cu3 + اکسید می شود و شبکه با سوراخ هایی دوپ می شود. با افزایش سطح دوپینگ ، فاز ضد فرومغناطیسی مرحله اول انتقال فاز به فلزی “بد” را تجربه می کند و در تراکم دوپینگ کمی بالاتر ، مرحله ابررسانا ظاهر می شود. مجاورت فاز ابررسانا به انتقال عایق فلزی از مشخصه های ابررساناهای کاپرات است. حداکثر Tc 35K در x = 0.15 مشاهده می شود. دوپینگ در سطوح بالاتر سطح Fermi را فراتر از نقطه بالاترین DOS در باند d Cu می برد و مرحله ابررسانا به تدریج از بین می رود. مقایسه این نمودار فازی با V2O3 (در بالا) ، که همچنین تحت دوپه شدن عایق ضد فرومغناطیسی برای انتقال فلز “بد” قرار دارد ، جالب است.

برگردان به پارسی: مهدیه رحیمی

زیر نظر استاد: دکتر مائده کوهی

سرچشمه:
https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Inorganic_Chemistry/Book%3A_Introduction_to_Inorganic_Chemistry/10%3A_Electronic_Properties_of_Materials_-_Superconductors_and_Semiconductors/10.03%3A_Superconductors