الکترونها در فلز در پتانسیل متناوب تولید شده از نوسان یونها حول وضعیتشان حرکت می‌کنند. حرکت یونها را می‌توان بوسیله مدهای جمعی کوانتیزه شده آنها ، فونونها توجیه کرد. سپس در طی توسعه نظریه کوانتوم ، نظریه پاولی اصل انفجار وجود دارد، که معنای آن بیانگر مفهوم آن است و آن اینکه - الکترونها به صورت اسپین نیمه کامل ذاتی (half integral intrinsic spin) قرار می‌گیرند، و در نتیجه هیچ الکترونی نمی‌تواند طوری قرار بگیرد که عدد کوانتوم آنها باهم یکی باشد. ذراتی که به صورت اسپین نیمه کامل ذاتی قرار می‌گیرند با نام فرمیونها (fermions) شناخته می‌شوند، بخاطر گرامی داشت کارهای فرمی (Fermi) که ، همراه با دیاک (Diac) ، نظریه آماری رفتار الکترون در دماهای محدود را توسعه دادند، این تئوری با نام Fermi-Diac statistics شناخته می‌شود. در توضیح فضای اندازه حرکت یک فلز ساده ، حالت پایه یک کره در فضای اندازه‌ی حرکت می‌باشد، که اندازه‌ی شعاع آن ، pf بوسیله‌ی چگالی فلز تعیین می‌گردد.

انرژی خارجی ترین الکترونها ، در مقایسه با انرژی گرمایی میانگین آنها ، Kt بسیار بزرگ می‌باشد. به عنوان نتیجه ، تنها بخش کوچکی از الکترونها ، در بالاتر از حالت پایه تحریک می‌شوند. الکترونها باهم دیگر (قانون کلمب) و با فونونها تعامل می‌کنند و رابطه دارند. تحریکات ابتدائی آنها ذرات (quasi ، (quasiparticles می‌باشند، الکترونها به اضافه ابر الکترونی وابسته به آنها و فونونهایی که هنگام حرکت از میان شبکه الکترون را همراهی می‌کند. یک بحث و مذاکره ابتدائی نشان می‌دهد که طول عمر یک quasiparticle تحریک شده بالای سطح فرمی (سطح کره فرمی) تقریبا برابر می‌باشد. مسأله و مشکلی که برای نظریه پردازان در رابطه با این مسأله پیش آمده ، فهم چگونگی تحمل پذیری الکترونهای تعامل کننده هنگام رفتن به حالت ابررسانایی می‌باشد. این امر چگونه انجام می‌شود؟ توضیح ریاضی مناسب برای این امر چه می‌باشد؟

یک کلید راهنمای بسیار لازم در سال 1950 میلادی بدست آمد، وقتی محققان در Nationa Bearue of Standards و دانشگاه روتگرز کشف کردند که دمای انتقال به حالت ابررسانایی سرب بستگی به جرم ایزوتوپ آن ، یعنی M ، دارد و رابطه عکس با M1/2 دارد. از آنجایی که انرژی لرزشی شبکه‌ای همان بستگی را با M1/2 دارد، کوانتای پایه ی آنها، فونونها ، باید نقشی در ظهور و ایجاد حالت ابررسانایی بازی کند. در سالهای بعدی ، Herber Frohlich ، که از پوردو از دانشگاه لیورپول بازدید می‌کرد، و John Bardeen کسی که آن زمان در آزمایشگاههای بل کار می‌کرد، تلاش کردند نظریه‌ای با استفاده از تعامل الکترونها و فونونها ارائه بدهند، ولی شکست خوردند و موفق نشدند. کار انجام شده توسط آنها را می‌توان به کمک دیاگرامهای معرفی شده توسط ریچارد فاینمن به تصویر کشید.

سپس Frohlich احتمال دوم را در نظر گرفت، حالتی که در آن یک الکترون یک فونون را آزاد می‌کند و الکترون دومی آن فونون را جذب می‌کند. این تعامل فونون القایی می‌تواند برای الکترونهای نزدیک سطح فرمی جذاب باشد. این یک معادله فلزی waterbed می‌باشد: دو شخص که یک waterbed را به اشتراک می‌گذارند، تمایل دارند تا به مرکز آن جذب شوند، همان طوری که روند القاء الکترونها را جذب می‌کند. (یک شخص تو رفتگی را در waterbed القاء می‌کند، تو رفتگیی که شخص دوم را جذب می‌کند.) تعامل مطالعه شده توسط Frohlich در نگاه جذاب و زیبا به نظر می‌رسد، که هم جدید بود و هم ذاتا تناسب درستی با جرم ایزوتوپی M داشت.

اگر چه مشکلی بزرگ در درک چگونگی نقش بازی کردن آن وجود داشت، از آنجا که تعامل پایه‌ای کلمب (Coulomb) بین الکترونها دفع کننده می‌باشد، و خیلی قوی‌تر می‌باشد. همانطور که لاندائو (Laundau) قرار داد: "شما نمی‌توانید قانون کولمب را لغو کنید." این اشکالی بود که John Bardeen و نویسنده این مقاله ، دیوید پاینس (David Pines) (هنگامی که اولین دانشجوی دکترا در دانشگاه ایلیونیس در سالهای 1952-1955 بود) ، آن را مورد انتقاد قرار دادند. چیزی که آنها پیدا کردند، بوسیله‌ی توسعه یک راهبرد که David Bohm و David Pines قبلا برای فهم تعاملهای جفت الکترونها در فلزات توسعه داده بودند، این بود که "پیام ، متوسط است " ("The Medium is the message"). وقتی آنها اثر رویه به پرده در آوردن الکترونیکی (Electronic Screening) روی هر دو تعامل الکترون-الکترون و الکترون-آهن را در نظر گرفتند، فهمیدند که حضور جزء تشکیل دهنده دومی ، یونها ، یک تعامل جذاب شبکه‌ای را بین یک جفت الکترون که تفاوت انرژی آنها از انرژی یک فونون بنیادین کمتر می‌باشد، ممکن می‌سازد.

که در آن ثابت دی الکتریک استاتیک وابسته به watervector می‌باشد، انرژی فونون می‌باشد، q انتقال اندازه‌ی حرکت می‌باشد، و تفاوت بین انرژی الکترونها می‌باشد. ترتیب‌ها آن به صورت جزئی‌تر توسط Leon Cooper مطالعه شده است. او فهمید که به خاطر این جذابیت شبکه‌ای ، سطح فرمی حالت عادی می‌تواند در دماهای پائین به تشکیل جفت الکترونهایی با اسپین و اندازه حرکت مخالف ، بی ثبات شود. با کار او ، راه حلی برای ابررسانایی نزدیک بود. در سال 1957 میلادی ، هنگامی که Bob Schrieffer ، کسی که دانشجوی فارغ التحصیلی Bardeen در دانشگاه الیونیس بود، فهمید که توضیح میکروسکوپی داوطلب حالت ابررسانایی ، می‌تواند با به کار بردن راهبردی که قبلا برای پلارنها توسعه یافته بود، توسعه یابد.

در هفته‌های بعدی ، Bardeen ، Cooper ، و Schrieffer نظریه‌ی میکروسکوپی ابررسانایی خود ، تئوری BCS را ارائه دادند. که این تئوری در توضیح و تفسیر رویدادهای ابررسانایی موجود و همچنین در پیش گویی رویداد های جدید بسیار موفق بود. در جولای 1959 ، در اولین کنفرانس عظیم در رابطه با ابررسانایی بعد از ارائه نظریه ی BCS ، (در دانشگاه کمبریج) ، David Schoenberg کنفرانس را با این جمله آغاز کرد : "حالا ببینیم تا چه حدی مشاهدات با حقایق نظری جور در می‌آیند ...".

کاربردها

ابررساناهای دمای پایین امروزه در ساخت آهنرباهای ویژه طیف سنجهای رزونانس مغناطیسی هسته ، رزونانس مغناطیسی برای مقاصد تشخیص طبی ، شتاب دهنده ذره‌ها ، ترنهای سریع مغناطیسی و انواع ابزارهای رسانایی الکترونیکی بکار می‌رود از دیگر کاربردهای آنها می‌توان به دستگاههای عکسبرداری تشدید مغناطیسی هسته وقطارهای جدیدی که توسط نیروهای مغناطیسی در هوا معلق هستند و با سرعت 400 کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کنند، اشاره کرد. اما برای اینکه ابررساناهای دمای بالا در کاربردهای میدان مغناطیسی در دمای بالا رقابت کنند، هنوز زمان لازم دارد، این به علت دشواری در تولید انبوه و با کیفیت بالاست. اگر چه در حال حاضر ، بازار ابررساناهای دمای بالا رونق کمی دارد، گمان می‌رود که در خلال دو دهه آینده کاربرد آن فراگیر و پر رونق شود.

 

daneshnameh.roshd.ir