رأي الخبراء: الموصلية الفائقة لدرجات الحرارة المرتفعة
تحسبًا للتقرير الكبير عن مختبر "المواد الفائقة الموصلية" الذي نعده وفقًا لنتائج التصويت العام ، ما زلنا نتحدث عن الموصلية الفائقة.نشرنا قبل أسبوع مقالاً كتبه أليكسي بشارين عن " الأنابول " غير المشع ، وبعد ذلك بدأ نقاش علمي حقيقي بمشاركة مؤلف المقالة. جمعت المقالة أكثر من مائة تعليق ، ووردت العديد من الاقتراحات فيما يتعلق بتنسيق المواد المقدمة في المنشور. أخذنا جميع رغباتنا بعين الاعتبار وسألنا العالم الرائد K. B. تكتب لنا Efetova رأي خبير في تنسيق العلوم الشعبية حول الموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العاليةمن أجل اكتشاف الموصلية الفائقة لدرجات الحرارة العالية ، تم منح جائزة نوبل قبل حوالي 30 عامًا.كونستانتين بوريسوفيتش إفيتوف هو المدير العلمي لمشروع "الظواهر الجماعية في المادة الكمومية" NUST "MISiS" كجزء من منحة لدعم البحث في برنامج TOP 5-100. ك. Efetov هو مراجع بارز للجمعية الفيزيائية الأمريكية ، ومدير معهد الفيزياء النظرية بجامعة الرور الثالثة في بوخوم بألمانيا ، وعضو فخري في الجمعية الفيزيائية الأمريكية ، وباحث رائد في ثلاثة مشاريع تمولها وزارة البحث العلمي الألمانية ، ومؤلف أكثر من 170 منشورات ، وحائز على جائزة Blaise Pascal الفرنسيةأنشأتها الحكومة الفرنسية وجائزة أبحاث لانداو وايزمان ، التي أنشأها معهد وايزمان في إسرائيل. كونستانتين إيفيتوف هو "مراجع بارز للجمعية الفيزيائية الأمريكية". تُمنح هذه الجائزة لمساهمته البارزة في المقالات التي يراجعها الأقران في المجلات مثل رسائل المراجعة البدنية ، والمراجعة البدنية ، ومراجعات الفيزياء الحديثة وغيرها.
مغناطيس يرفرف فوق موصل فائق درجة حرارة عالية يبرد بالنيتروجين السائل
| كونستانتين بوريسوفيتش إيفتوف
المدير العلمي لمشروع "الظواهر الجماعية في المادة الكمومية" يجب أن يكون "MISiS"
|
الموصلية الفائقة هي واحدة من أجمل الظواهر في فيزياء الكم. تم اكتشافه من قبل الفيزيائي الهولندي Kamerlingh-Onnes في عام 1911 ، الذي تعلم كيفية تبريد المواد باستخدام الهيليوم المسال إلى درجة حرارة 1.5 كلفن (-271.5 درجة مئوية). بعد دراسة الخصائص الكهربائية للمعادن المبردة ، وجد Kammerling-Onnes أن مقاومة الزئبق الصلب المغمورة في الهيليوم السائل تختفي ، وبالتالي تصبح الموصلية غير محدودة. كانت هذه الخاصية تسمى الموصلية الفائقة ، وحصل Kammerling-Onnes على جائزة نوبل في عام 1913.تم اكتشاف الموصلية الفائقة في وقت لاحق في العديد من المعادن ، ولكن النظرية المجهرية لهذه الظاهرة الغامضة تم بناؤها فقط في عام 1957 من قبل الفيزيائيين الأمريكيين باردين وكوبر وشريفير (باردين وكوبر وشريففر) ، الذين حصلوا على جائزة نوبل لهذا العمل في عام 1972.الجدير بالذكر أن نظرية الظواهر الصحيحة للموصلية الفائقة اقترحتها الفيزيائيان السوفييتان جينزبرج ولانداو في عام 1950. تم التنبؤ بظواهر مثيرة للاهتمام في الموصلات الفائقة باستخدام نظرية Ginzburg-Landau بواسطة Alexei Abrikosov ، وجميعهم الثلاثة هم الفائزون بجائزة نوبل. من المهم أن نلاحظ أنه لسنوات عديدة كان أبريكوسوف رئيس قسم الفيزياء النظرية في MISiS. الآن يسمى هذا القسم "قسم الفيزياء النظرية وتقنيات الكم" ، حيث أعمل في إطار مشروع "Top5-100".
حقيقة أن الأمر استغرق 46 سنة لشرح الموصلية الفائقة ليس من قبيل الصدفة. تم اكتشاف هذه الظاهرة حتى قبل إنشاء ميكانيكا الكم ولا يمكن تفسيرها بأي شكل من الأشكال على أساس الميكانيكا النيوتونية الكلاسيكية والديناميكا الكهربائية الكلاسيكية ماكسويل. تعتمد نظرية الموصلية الفائقة على مفهوم تكثيف بوز-آينشتاين. وفقًا لهذا المفهوم ، يجب أن تشكل الجسيمات ذات السبين الكمّي الصحيح (البوزونات) حالة تكون فيها جميع الجسيمات متماسكة (مكثفة) أو ، بمعنى آخر ، تشعر ببعضها البعض طوال الحجم الكامل للنظام. تؤدي حركة هذا المكثف ككل إلى عدم تثبيته بسبب الشوائب المختلفة أو عدم التجانس في المعدن ، مما يؤدي إلى مقاومة الصفر.يبدو أن هذا هو تفسير الموصلية الفائقة؟ لكن الأمر ليس كذلك.
ينشأ التيار الكهربائي في المعادن بسبب حركة الإلكترونات ، وهي عبارة عن جسيمات أولية تدور لمدة ثانية واحدة. لكن الجسيمات ذات الدوران نصف الصحيح (الفرميونات) لا تشكل مكثفات ، ولا توجد جزيئات متحركة أخرى في المعادن. كيف يمكن الحصول على المكثفات؟ اتضح أن إلكترونين بلفين متعاكسين يمكن أن يشكلوا أزواجًا بدون دوران إجمالي ، وهذه الأزواج هي بالفعل بوزونات ويمكن أن تشكل مكثف بوز. تسمى أزواج الإلكترونات هذه أزواج كوبر (كوبر ، أحد مبدعي نظرية الموصلية الفائقة ، اخترعها) ، ويؤدي تكثيفها إلى ظاهرة الموصلية الفائقة. لكن هذا ليس كل شيء. من السهل تخيل أنه من أجل إقران الإلكترونات ، فإن جذبها لبعضها البعض ضروري. ولكن من المعروف جيدًا عن الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية أن جزيئين مشحونين بنفس القدر ،لا ينجذب.كان هناك مخرج من هذا التناقض. اتضح أن الجذب بين الإلكترونات يمكن أن يحدث من خلال تبادل الفونونات - الاهتزازات الكمومية لشبكة ذرات المعدن ، وهذه الحقيقة جعلت من الممكن بالفعل استكمال بناء نظرية الموصلية الفائقة. الآن من السهل أن نفهم لماذا مرت 46 سنة بين اكتشاف ظاهرة الموصلية الفائقة وتفسيرها. كانت كل خطوة في بناء نظرية ثورية ، وكانت هناك العديد من الخطوات. وكل هذا تم لشرح الظاهرة ، التي يمكن ملاحظتها في مختبر صغير ، وهذا لا يتطلب مسرعات قوية أو رحلات جوية إلى الفضاء.تخيل الآن أنه سيكون من الممكن صنع سلك من مادة فائقة التوصيل. في هذه الحالة ، لن تضيع الطاقة أثناء الإرسال على أي مسافة ، ولماذا لا تجرب ذلك؟
لسوء الحظ ، هناك "واحد" في هذا الأمر: كما ذكرنا من قبل ، تنشأ الموصلية الفائقة في درجات حرارة منخفضة جدًا ، يجب تبريد هذا السلك فائق التوصيل بالهيليوم السائل. في الوقت نفسه ، يتطلب تبريد الهليوم نفسه تكاليف طاقة عالية جدًا (وبالتالي المال) ، وسيكون استخدام الأسلاك فائقة التوصيل أغلى بكثير من تكلفة خسائر الطاقة. من السهل أن نفهم أنه تم إنفاق جهود كبيرة في دراسة أخرى لخصائص الموصلات الفائقة على دراسة إمكانية الحصول على الموصلية الفائقة في درجات حرارة أعلى. من الناحية المثالية ، بالطبع ، أود الحصول على الموصلية الفائقة في درجة حرارة "الغرفة" 300 كلفن (27 درجة مئوية). لكن الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة الانتقالية فوق نقطة تسييل النيتروجين (77 كلفن) ستكون مفيدة جدًا ،لأن إنتاج النيتروجين السائل أرخص بكثير من إنتاج الهيليوم السائل.ومع ذلك ، لم تؤد محاولات عديدة للحصول على موصلات فائقة مع درجة حرارة عالية كهذه إلى النجاح حتى منتصف الثمانينات. علاوة على ذلك ، تم إعطاء التقديرات النظرية للنماذج القائمة على آلية الإلكترون الفونون لإقران الإلكترون ، ودرجات حرارة الانتقال لا تتجاوز 25 كلفن ، والتي لم تكن كافية للتطبيقات الصناعية., 1986 , , 1987 . , , . «». . -, , .
اليوم ، تصل درجات حرارة الانتقالات فائقة التوصيل في أكواب إلى 140 كلفن (-137 درجة مئوية) . لا يزال أقل بكثير من درجة حرارة الغرفة ، ولكنه بالفعل أعلى من درجة غليان النيتروجين. وقد أدى الظرف الأخير بالفعل إلى تطبيقات عملية للموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية. بالفعل هناك شركات تنتج الأسلاك المغلفة بالمعادن التقليدية مع "حشو الكوبريت".ومع ذلك ، ظلت مسألة إنشاء موصلات فائقة في درجة حرارة الغرفة دون حل حتى الآن. لا يبدو أن التعداد البسيط للمركبات الكيميائية المختلفة طريقة واعدة للحصول على الموصلية الفائقة في درجات حرارة الغرفة ، نظرًا لأن عدد المركبات المحتملة ضخم. سيكون من المعقول أن نفهم أولاً لماذا تكون درجة الحرارة الانتقالية في الكؤوس أعلى بكثير من درجات الحرارة المقابلة في المعادن "العادية".هل تبادل الفونون هو السبب الرئيسي لإقران الإلكترونات في الأقداح ، كما هو الحال في المعادن العادية؟
للإجابة على هذا السؤال ، تعهد عدد كبير من المنظرين والمُجَرِّبين بدراسة آلية تكوين الموصلية الفائقة في الأحواض. اليوم ، يعتقد معظم العلماء أن آلية الفونون لإقران الإلكترون غير محتملة. عدد المقترحات المطروحة حتى الآن كبير وجميعها صعبة الإدراج. وبطبيعة الحال ، فإنهم جميعًا يعدون بدرجة حرارة عالية للانتقال فائق التوصيل. ولكن ما الذي يجب القيام به من أجل اختيار آلية واحدة تشرح بشكل لا لبس فيه أصل الموصلية الفائقة ، والتي يمكن تحسين عملها بالفعل عن طريق فحص المركبات الكيميائية وتغييرها؟بالطبع ، يمكن أن يساعد الحساب الدقيق لدرجة الحرارة الانتقالية لكل من مركبات الكأس وجميع الآليات المقترحة ، ومزيد من المقارنة مع البيانات التجريبية ، في اختيار الآلية "الصحيحة". لسوء الحظ ، فإن طريقة استخدام "القوة الغاشمة" هذه مستحيلة عمليا ، حيث أنها لا تملك القوة الكافية لأجهزة الكمبيوتر الموجودة على الأرض.كما هو الحال دائمًا ، من الأفضل التفكير في الأمر ، المنظرون حول العالم ، وعلى وجه الخصوص ، المجموعة في NUST "MISiS" ، التي أقودها. الفكرة الأساسية هي أن النموذج المعقول للموصلية الفائقة يجب أن يشرح ليس فقط الموصلية الفائقة ، ولكن أيضًا عددًا من الظواهر الأخرى في الأحواض. هناك الكثير من هذه الظواهر في أكواب. على سبيل المثال ، منذ عدة سنوات ، تم اكتشاف وجود تعديل لشحنة إلكترونية. لذلك ، يجب أن تفسر النظرية الصحيحة هذه الظاهرة أيضًا ، مما يقلل بشكل كبير من عدد المرشحين لدور آلية الاقتران الإلكتروني. بالعمل على مشكلة الموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية ، نبدأ بنموذج من الإلكترونات تتفاعل من خلال تبادل تقلبات المغنطة. يمكن تبرير هذا الافتراض بحقيقة أن أكواب ، عند تناولها مع ذرات الأكسجين ، تخضع لانتقال فلز مضاد للمغناطيس-عادي.يمكن أن تظهر الموصلية الفائقة فقط في الحالة المعدنية ، ولكن القرب من مغنطيس مضاد يجعل افتراض تبادل التقلبات المضادة للمغناطيسية أمرًا محتملاً.— - - (). AF- , SC- , PG – , , . K.B. Efetov, H. Meier, C. Pepin, Nat. Phys. 9, 442 (2013)
باستخدام هذا الافتراض ، تمكنا بالفعل من شرح العديد من الظواهر المهمة في القفص ، ولكن علينا طوال الوقت تتبع البيانات التجريبية الجديدة التي تسمح لنا بتصحيح أو تحسين النتائج النظرية التي تم الحصول عليها. يبدو لنا أننا نسير على الطريق الصحيح ، وسيساعد عملنا على التعامل مع الظواهر التي لوحظت في الأقداح. بعد ذلك ، سيكون من الممكن بالفعل التفكير في أي اتجاه للعمل من أجل زيادة درجة حرارة الانتقال. بفضل التعاون الوثيق مع الباحثين من مختلف البلدان ، لا تبدو هذه المهمة غير قابلة للذوبان. Source: https://habr.com/ru/post/ar384439/
All Articles