في مقال سابق ، ناقشنا بإيجاز التركيب البلوري للمواد الصلبة. كنا نشير إلى أشباه الموصلات في تلك الحالة المحددة ، لكن هذه المفاهيم تمتد بسهولة إلى المعادن. كما هو معروف ، فإن الإجراءات الكهروكيميائية التي تم اختبارها جيدًا تسمح للمعدن أن “يشحن” بالديوتيريوم (نظير ثقيل للهيدروجين). لذلك ، من المثير للاهتمام دراسة سلوك هذه الهياكل الشبكية في حدود درجات الحرارة المنخفضة ، وتقديم مفهوم الموصلية الفائقة.
مقدمة عن الموصلية الفائقة
مقاومة المعادن هي دالة متناقصة لدرجة الحرارة. بالنسبة لمعظمهم ، قيمة حدية لـ تي → 0 ، حيث تي هي درجة الحرارة المطلقة للعينة قيد الدراسة. ومع ذلك ، هناك بعض المعادن التي تختفي المقاومة لدرجة حرارة حرجة تيج فوق الصفر المطلق.
في عام 1911 ، وجد Kamerlingh Onnes أنه بالنسبة لعطارد ، تيج يساوي 4.15 ك. في نفس الفترة التاريخية ، تيج تم العثور عليه يساوي 3.72 ك للقصدير و 1.2 ك للألمنيوم. ومع ذلك ، فإن نقطة التحول الحقيقية جاءت في عام 1986 مع اكتشاف درجة حرارة حرجة 35 كلفن لأكسيد معقد من اللانثانوم والباريوم والنحاس.
نموذج BCS
BCS هو اختصار لعلماء الفيزياء الذين طوروا نموذج الموصلية الفائقة الظاهراتية ، باردين وكوبر وشريففر ، والذي سنشرحه باختصار.
في المعدن ، تشكل الإلكترونات “غاز كمومي” خاص يسمى غاز فيرمي. الإلكترونات هي فرميونات ، أو جسيمات ذات دوران نصف عدد صحيح (على وجه التحديد ، 1/2). في ميكانيكا الكم الإحصائية ، فإن سلوك غاز فيرمي المثالي عند درجات حرارة منخفضة معروف جيدًا. هنا نعني بالمثالية غياب التفاعلات بين جزيئات الغاز. ليس هذا هو الحال بالنسبة لإلكترونات التوصيل للمعدن بسبب تنافر كولوم. ومع ذلك ، في التقريب الصفري ، من المشروع إهمال هذا التفاعل وتعيد ميكانيكا الكم الإحصائية سلوك المعادن فيما يتعلق بالتوصيل الكهربائي (تصحيح نموذج درود القديم).
في تقريب آخر ، يتم أخذ التفاعل بين الإلكترونات في الاعتبار عن طريق إضافة جهد درع بمعنى أن الإلكترون الفردي لا “يرى” الشحنة العارية للإلكترون المجاور ولكنه شحنة محمية بواسطة الإلكترونات المتبقية وكذلك بواسطة أيونات شعرية. هذا يؤدي إلى فكرة سائل فيرمي والذي يختلف عن غاز فيرمي بسبب ضعف التفاعل. يجب أن نفكر أيضًا في التأثير الناتج عن دوران الإلكترونات. هذا الأخير يميل إلى الارتباط في حالة سين مفردة ، أي ، دوران صفري. يحدث هذا على الرغم من قوة كولوم الإلكترون المثير للاشمئزاز. الزوج الناتج (زوج كوبر ) يسمى شبه جسيم في ميكانيكا الإحصاء الكمومي. لا يتوافق الجسيم ماديًا مع هذا الكيان. ومع ذلك ، فإن سلوكها يمكن وصفه إحصائيًا (وكميًا) بميكانيكا الإحصاء الكمومي. النظام الفيزيائي الناتج هو “غاز كمي مثالي” لأن التفاعل بين الأزواج الفردية هو صفر. إنه ليس غاز فيرمي ، لكنه أ غاز بوز نظرًا لأن دوران مكوناته يساوي صفرًا (إجمالي دوران الإلكترونات التي تشكل زوجًا من Cooper يساوي صفرًا). يشير مصطلح “غاز بوز” إلى حقيقة أن مكوناته تخضع لإحصائية بوز-آينشتاين والتي ، كما هو معروف جيدًا ، مبدأ استبعاد باولي غير صالح ، كما يحدث مع الفرميونات (وبالتالي ، للإلكترونات المفردة). ويترتب على ذلك أن هذا النظام يعرض ملف تكاثف بوز-أينشتاين الظاهرة: هناك درجة حرارة حرجة تيج حيث يحدث انتقال الطور الذي يرى عددًا مجهريًا من أزواج كوبر في الحالة الأرضية من الحد الأدنى من الطاقة. ينتج عن مثل هؤلاء الأزواج تيار فائق وليس من السهل شرح الآلية. بشكل مجازي ، يمكن مقارنة كل زوج من Coopers بزوج من لاعبي كرة القدم يمرر الكرة باستمرار ، ويتمكن من تفادي تدخلات اللاعبين المنافسين ، والوصول إلى الهدف. في هذا المثال ، تمثل التدخلات الاصطدامات ضد الشبكة ، بينما الكرة هي الشحنة العارية للإلكترون الفردي.
تحميل معدن بالديوتيريوم
دعونا نحاول أن نسأل أنفسنا: ماذا يحدث إذا قمنا بتحميل معدن بالديوتيريوم؟ نتذكر أن الديوتيريوم (D) هو نظير للهيدروجين (H): بينما الأخير يتكون من بروتون ص وإلكترون ه–، تتكون نواة الديوتيريوم من بروتون ونيوترون ن (شكل 1).
وهكذا ، لدينا غاز إلكترون وغاز بروتون. في التقريب الأول والتقريب يمكننا اعتبار هذين النظامين منفصلين مع نص (تركيز بروتون) من نفس الحجم مثل نه (تركيز الإلكترون). إذا كان المعدن المستخدم عبارة عن موصل فائق ، فإنه من خلال تقليل درجة الحرارة ، يتحقق الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق تيجبفضل تكوين أزواج Cooper التي يمكننا تمثيلها بشكل رمزي من خلال ما يلي:
تحتوي البروتونات أيضًا على دوران 1/2 ، لذا فهي تتبع نفس إحصائية الإلكترونات. ثم يخضعون لقوة التنافر Coulomb ، ومثل الإلكترونات يميلون إلى إكمال حالة الدوران ، مما يؤدي إلى إنشاء قميص مغزلي ، وبفضل ذلك “يقتربون” مما يؤدي إلى ظهور شيء مشابه لأزواج Cooper:
ومع ذلك ، على عكس الإلكترونات ، يمكن للبروتونات أن “تندمج” عن طريق إطلاق الطاقة. لذلك ، لا يمكن استبعاد عملية إطلاق الطاقة عند درجة حرارة حرجة منخفضة جدًا ، والتي يمكن زيادتها عن طريق زيادة تركيز البروتونات. من المفترض أن مثل هذه العملية تمثل تحديًا للمراقبة والتكاثر على وجه التحديد بسبب درجة الحرارة المنخفضة جدًا التي يجب الوصول إليها.
مراجع
[1] Fieschi R. ، De Renzi R. Struttura della materia
[2] أشكروفت نيل دبليو ، ديفيد ميرمين ن. فيزياء الحالة الصلبة
[3] بيبيريان جي بي ، كولد فيوجن. التطورات في العلوم النووية المكثفة
