📕 📡 🎺 विशेषज्ञ की राय: उच्च तापमान अतिचालकता ☝🏻 🌛 👉

प्रयोगशाला "सुपरकंडक्टिंग मेटामेट्रिक्स" के बारे में बड़ी रिपोर्ट की प्रत्याशा में , जिसे हम सामान्य वोट के परिणामों के अनुसार तैयार कर रहे हैं , हम सुपरकंडक्टिविटी के बारे में बात करना जारी रखते हैं। एक सप्ताह पहले, हम ने एक लेख प्रकाशित अलेक्सई Basharin पर गैर radiating "anapole" , जिसके बाद एक असली वैज्ञानिक चर्चा की भागीदारी के साथ शुरू हुआ के लेखक लेख। लेख ने सौ से अधिक टिप्पणियां एकत्र कीं, प्रकाशन में प्रस्तुत सामग्री के प्रारूप के बारे में कई प्रस्ताव प्राप्त हुए। हमने सभी इच्छाओं को ध्यान में रखा और प्रमुख वैज्ञानिक के । बी। से पूछा । एफेटोवा हमारे लिए उच्च-तापमान सुपरकंडक्टिविटी पर लोकप्रिय विज्ञान प्रारूप में एक विशेषज्ञ की राय लिखते हैं
के लिए, उच्च तापमान के कपट की सुपरकंडक्टिविटी की खोज के लिए, नोबेल पुरस्कार लगभग 30 साल पहले प्रदान किया गया था।

कॉन्स्टेंटिन बोरिसोविच एफेटोव शीर्ष 5-100 कार्यक्रम के वैज्ञानिक अनुसंधान का समर्थन करने के लिए अनुदान के एक भाग के रूप में "क्वांटम मैटर में सामूहिक घटना" के वैज्ञानिक निदेशक हैं। K.B. Efetov अमेरिकी शारीरिक सोसायटी, के निदेशक का एक उत्कृष्ट समीक्षक है तीसरा का सैद्धांतिक भौतिकी संस्थान जर्मनी में Bochum की रूहर विश्वविद्यालय, के एक मानद सदस्य अमेरिकी शारीरिक सोसायटी , वैज्ञानिक अनुसंधान, 170 से अधिक प्रकाशनों के लेखक, फ्रेंच के विजेता मंत्रालय जर्मन द्वारा वित्त पोषित तीन परियोजनाओं के एक अग्रणी शोधकर्ता Blaise पास्कल पुरस्कारफ्रांस सरकार और लैंडौ-वीज़मैन रिसर्च अवार्ड द्वारा स्थापित, इज़राइल में वीज़मैन संस्थान द्वारा स्थापित। कॉन्स्टेंटिन एफेटोव "अमेरिकन फिजिकल सोसाइटी का एक उत्कृष्ट समीक्षक है।" यह पुरस्कार भौतिक समीक्षा पत्र, भौतिक समीक्षा, आधुनिक भौतिकी की समीक्षा और अन्य जैसे पत्रिकाओं में सहकर्मी-समीक्षा लेखों में उनके उल्लेखनीय योगदान के लिए दिया जाता है।

तरल नाइट्रोजन द्वारा ठंडा उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर पर एक चुंबक लगाया जाता है

कॉन्स्टेंटिन बोरिसोविच ईफेटोव
परियोजना के वैज्ञानिक निदेशक "क्वांटम मैटर में सामूहिक घटना" "MISiS"

सुपरकंडक्टिविटी क्वांटम भौतिकी की सबसे सुंदर घटनाओं में से एक है। यह 1911 में डच भौतिक विज्ञानी कामेरलिंग-ओन्स द्वारा खोजा गया था, जिन्होंने 1.5 K (-271.5 C) के तापमान पर तरलीकृत हीलियम का उपयोग करके सामग्री को ठंडा करना सीखा था। ठंडा धातुओं के विद्युत गुणों का अध्ययन करते हुए, कम्मलिंग-ओनेस ने पाया कि ठोस हीलियम का प्रतिरोध तरल हीलियम में डूब जाता है, और इस प्रकार चालकता अनंत हो जाती है। इस संपत्ति को सुपरकंडक्टिविटी कहा जाता था और 1913 में कम्मलिंग-ओन्स को नोबेल पुरस्कार मिला।

सुपरकंडक्टिविटी को बाद में कई धातुओं में खोजा गया था, लेकिन इस रहस्यमयी घटना के सूक्ष्म सिद्धांत का निर्माण केवल 1957 में अमेरिकी भौतिकविदों बार्डिन, कूपर और स्क्रीफ़र (बारडीन, कूपर, श्राफर) द्वारा किया गया था, जिन्हें 1972 में इस काम के लिए नोबेल पुरस्कार मिला था।

यह उल्लेखनीय है कि सुपरकंडक्टिविटी का सही परिघटनात्मक सिद्धांत 1950 में सोवियत भौतिकविदों गिन्ज़बर्ग और लैंडौ द्वारा प्रस्तावित किया गया था। सुपरकंडक्टर्स में दिलचस्प घटनाओं की भविष्यवाणी अलेक्सई एब्रिकोसोव द्वारा गिन्ज़बर्ग-लैंडौ सिद्धांत का उपयोग करके की गई थी, तीनों नोबेल पुरस्कार विजेता भी हैं। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि कई वर्षों के लिए एब्रिकोसोव एमआईएसआईएस में सैद्धांतिक भौतिकी विभाग के प्रमुख थे। अब इस विभाग को “सैद्धांतिक भौतिकी और क्वांटम प्रौद्योगिकी विभाग” कहा जाता है, जहाँ मैं “Top5-100” परियोजना के ढांचे में काम करता हूँ।

तथ्य यह है कि अतिचालकता को समझाने में 46 साल लग गए, यह कोई संयोग नहीं है। इस घटना को क्वांटम यांत्रिकी के निर्माण से पहले भी खोजा गया था और शास्त्रीय न्यूटोनियन यांत्रिकी और शास्त्रीय मैक्सवेल इलेक्ट्रोडायनामिक्स के आधार पर किसी भी तरह से समझाया नहीं जा सकता है। सुपरकंडक्टिविटी का सिद्धांत बोस-आइंस्टीन संक्षेपण की अवधारणा पर आधारित है। इस अवधारणा के अनुसार, एक पूर्णांक क्वांटम स्पिन (बोसॉन) वाले कणों को एक राज्य बनाना होगा जिसमें सभी कण सुसंगत (घनीभूत) होते हैं, या दूसरे शब्दों में, वे सिस्टम के पूरे वॉल्यूम में एक दूसरे को महसूस करते हैं। इस संघनन के रूप में एक पूरे के रूप में संघनन इस तथ्य की ओर जाता है कि यह धातु में विभिन्न अशुद्धियों या विषमताओं से बाधित नहीं है, जिससे शून्य प्रतिरोध होता है।

ऐसा लगेगा कि यह अतिचालकता का स्पष्टीकरण है? लेकिन यह ऐसा नहीं है।

इलेक्ट्रॉनों की गति के कारण धातुओं में विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है, और ये एक सेकंड के एक स्पिन के साथ प्राथमिक कण हैं। लेकिन आधे-पूर्णांक वाले स्पिन (फ़र्मियन) वाले कण घनीभूत नहीं होते हैं, और धातुओं में कोई अन्य गतिशील कण नहीं होते हैं। घनीभूत कैसे प्राप्त किया जा सकता है? यह पता चला है कि विपरीत स्पिन वाले दो इलेक्ट्रॉन ऐसे जोड़े बना सकते हैं जिनमें शून्य कुल स्पिन है, और ये जोड़े पहले से ही बोसॉन हैं और एक बोस कंडेनसेट बना सकते हैं। ऐसे इलेक्ट्रॉन जोड़े को कूपर जोड़े कहा जाता है (कूपर, सुपरकंडक्टिविटी के सिद्धांत के संस्थापकों में से एक, उनका आविष्कार किया), और उनके संक्षेपण से सुपरकंडक्टिविटी की घटना होती है। लेकिन वह सब नहीं है। यह कल्पना करना आसान है कि इलेक्ट्रॉनों की जोड़ी के लिए, एक दूसरे के लिए उनका आकर्षण आवश्यक है। लेकिन यह शास्त्रीय इलेक्ट्रोडायनामिक्स से अच्छी तरह से जाना जाता है कि दो समान रूप से चार्ज कणों को पीछे हटाना,आकर्षित नहीं हुआ।

इस विरोधाभास से बाहर निकलने का एक रास्ता था। यह पता चला है कि इलेक्ट्रॉनों के बीच आकर्षण फोनन के आदान-प्रदान के माध्यम से हो सकता है - धातु परमाणुओं के जाली के क्वांटम कंपन, और इस तथ्य ने पहले से ही अतिचालकता के सिद्धांत के निर्माण को पूरा करना संभव बना दिया है। अब यह समझना आसान है कि सुपरकंडक्टिविटी की घटना की खोज और इसके स्पष्टीकरण के बीच 46 साल क्यों बीत गए। एक सिद्धांत के निर्माण में प्रत्येक कदम क्रांतिकारी था, और कई चरण थे। और यह सब घटना को समझाने के लिए किया गया था, जिसे एक छोटी प्रयोगशाला में देखा जा सकता है, इसके लिए अंतरिक्ष में शक्तिशाली त्वरक या उड़ानों की आवश्यकता नहीं होती है।

अब कल्पना करें कि सुपरकंडक्टिंग सामग्री का एक तार बनाना संभव होगा। इस मामले में, ऊर्जा किसी भी दूरी पर संचरण के दौरान खो नहीं जाएगी, और इसे क्यों नहीं आज़माया जाएगा?

दुर्भाग्य से, इस मामले में एक "लेकिन" है: जैसा कि हमने पहले ही उल्लेख किया है, सुपरकंडक्टिविटी बहुत कम तापमान पर उत्पन्न होती है, इस तरह के सुपरकंडक्टिंग तार को तरल हीलियम से ठंडा करना होगा। उसी समय, हीलियम को ठंडा करने के लिए बहुत उच्च ऊर्जा की आवश्यकता होती है (और, तदनुसार, धन) लागत, और सुपरकंडक्टिंग तारों का उपयोग ऊर्जा के नुकसान की लागत से बहुत अधिक महंगा होगा। यह समझना आसान है कि सुपरकंडक्टर्स के गुणों के आगे के अध्ययन में काफी प्रयास उच्च तापमान पर सुपरकंडक्टिविटी प्राप्त करने की संभावना का अध्ययन करने पर खर्च किए गए थे। आदर्श रूप से, निश्चित रूप से, मैं 300 K (27 C) के "कमरे" तापमान पर अतिचालकता प्राप्त करना चाहूंगा। लेकिन नाइट्रोजन द्रवीकरण बिंदु (77 K) के ऊपर एक संक्रमण तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स बहुत सहायक होंगे;चूंकि तरल नाइट्रोजन का उत्पादन तरल हीलियम के उत्पादन से बहुत सस्ता है।

हालांकि, इस तरह के उच्च तापमान के साथ सुपरकंडक्टर्स प्राप्त करने के कई प्रयासों ने अस्सी के दशक के मध्य तक सफलता हासिल नहीं की। इसके अलावा, इलेक्ट्रॉन युग्मन के इलेक्ट्रॉन-फोनन तंत्र के आधार पर मॉडल के लिए सैद्धांतिक अनुमान दिए गए थे, संक्रमण तापमान 25 K से अधिक नहीं था, जो औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त नहीं था।

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आज, कप्रेट में सुपरकंडक्टिंग संक्रमण का तापमान 140 K (-137 C) तक पहुंच जाता है । यह अभी भी कमरे के तापमान से काफी नीचे है, लेकिन पहले से ही नाइट्रोजन के क्वथनांक के ऊपर है। बाद की परिस्थिति ने पहले से ही उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स के व्यावहारिक अनुप्रयोगों का नेतृत्व किया है। पहले से ही ऐसी कंपनियां हैं जो पारंपरिक धातुओं के साथ "कप भरने" के साथ लेपित तारों का उत्पादन करती हैं।

फिर भी, कमरे के तापमान पर सुपरकंडक्टर्स बनाने का सवाल अब तक अनसुलझा है। विभिन्न रासायनिक यौगिकों का एक सरल संचय कमरे के तापमान पर सुपरकंडक्टिविटी प्राप्त करने के लिए एक आशाजनक तरीका नहीं दिखता है, क्योंकि संभावित यौगिकों की संख्या बहुत बड़ी है। पहले यह समझना अधिक उचित होगा कि "साधारण" धातुओं में इसी तापमान की तुलना में कप्रेट में संक्रमण का तापमान इतना अधिक क्यों है।

क्या कपोनों में इलेक्ट्रॉनों के युग्मन का मुख्य कारण है, जैसा कि साधारण धातुओं में होता है?

इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, सिद्धांतकारों और प्रयोगकर्ताओं दोनों की एक बड़ी संख्या ने कपाट में अतिचालकता के गठन के तंत्र का अध्ययन करने का उपक्रम किया। आज, अधिकांश वैज्ञानिक मानते हैं कि इलेक्ट्रॉन युग्मन के फोनोन तंत्र की संभावना नहीं है। आज तक प्रस्तावित प्रस्तावों की संख्या बड़ी है और उन सभी को सूचीबद्ध करना मुश्किल है। स्वाभाविक रूप से, वे सभी सुपरकंडक्टिंग संक्रमण के उच्च तापमान का वादा करते हैं। लेकिन एक एकल तंत्र को चुनने के लिए क्या किया जाना चाहिए जो स्पष्ट रूप से अतिचालकता की उत्पत्ति की व्याख्या करेगा, और जिसकी कार्रवाई रासायनिक यौगिकों की जांच और परिवर्तन से पहले से ही बेहतर हो सकती है?

बेशक, कप्रेट यौगिकों में से प्रत्येक के लिए और सभी प्रस्तावित तंत्रों और प्रयोगात्मक डेटा के साथ आगे की तुलना के लिए संक्रमण तापमान की एक सटीक गणना, "सही" तंत्र का चयन करने में मदद कर सकती है। दुर्भाग्य से, "जानवर बल" का उपयोग करने का यह तरीका व्यावहारिक रूप से असंभव है, क्योंकि इसमें पृथ्वी पर मौजूद कंप्यूटरों की पर्याप्त शक्ति नहीं है।

हमेशा की तरह, इसके बारे में सोचना बेहतर है, दुनिया भर के सिद्धांतकारों और विशेष रूप से, NUST "MISiS" में समूह, जिसका मैं नेतृत्व करता हूं। मूल विचार यह है कि सुपरकंडक्टिविटी के लिए एक उचित मॉडल को न केवल सुपरकंडक्टिविटी को समझाया जाना चाहिए, बल्कि कप्रेट में कई अन्य घटनाएं भी होनी चाहिए। कपाटों में इस तरह की बहुत सारी घटनाएं हैं। उदाहरण के लिए, कई साल पहले, एक इलेक्ट्रॉनिक चार्ज के मॉड्यूलेशन के अस्तित्व की खोज की गई थी। इसलिए, सही सिद्धांत को भी इस घटना की व्याख्या करनी चाहिए, जो इलेक्ट्रॉन युग्मन तंत्र की भूमिका के लिए उम्मीदवारों की संख्या को काफी कम कर देता है। उच्च-तापमान अतिचालकता की समस्या पर काम करते हुए, हम इलेक्ट्रॉनों के एक मॉडल के साथ शुरू करते हैं जो चुंबकीयकरण के उतार-चढ़ाव के आदान-प्रदान के माध्यम से बातचीत करते हैं। इस धारणा को इस तथ्य से उचित ठहराया जा सकता है कि कप्रेट, जब ऑक्सीजन परमाणुओं के साथ डोप किया जाता है, एक एंटीफिरोमैग्नेट-सामान्य धातु संक्रमण से गुजरता है।सुपरकंडक्टिविटी केवल धात्विक अवस्था में ही दिखाई दे सकती है, लेकिन एक एंटीफिरोमैग्नेट से निकटता, एंटीफेरोमैग्नेटिक उतार-चढ़ाव के आदान-प्रदान की धारणा को काफी संभावित बनाती है।

— - - (). AF- , SC- , PG – , , . K.B. Efetov, H. Meier, C. Pepin, Nat. Phys. 9, 442 (2013)

इस धारणा का उपयोग करते हुए, हम पहले से ही कई महत्वपूर्ण घटनाओं को समझने के लिए काम कर रहे हैं, लेकिन हर समय हमें नए प्रयोगात्मक आंकड़ों पर नज़र रखनी होगी जो हमें प्राप्त सैद्धांतिक परिणामों को सही या परिष्कृत करने की अनुमति देते हैं। ऐसा लगता है कि हम सही रास्ते पर हैं, और हमारा काम कपाटों में देखी गई घटनाओं से निपटने में मदद करेगा। उसके बाद, यह पहले से ही सोचना संभव होगा कि संक्रमण के तापमान को बढ़ाने के लिए किस दिशा में काम करना है। विभिन्न देशों के शोधकर्ताओं के साथ घनिष्ठ सहयोग के लिए धन्यवाद, यह कार्य अघुलनशील नहीं लगता है।

विशेषज्ञ की राय: उच्च तापमान अतिचालकता

ऐसा लगेगा कि यह अतिचालकता का स्पष्टीकरण है? लेकिन यह ऐसा नहीं है।

क्या कपोनों में इलेक्ट्रॉनों के युग्मन का मुख्य कारण है, जैसा कि साधारण धातुओं में होता है?

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