تغییر فاز در ابررسانا

مشخصات ابررسانایی هنگامی ظاهر می شود که دمای آن کمتر از دمای بحرانی T_C شود. مقدار این دما در مواد مختلف متفاوت است. برای مثال این دما در جیوه جامد 2/4 کلوین، در دی بوراید منیزیم MgB₂) 39)  کلوین و در ابررسانای YBa₂Cu₃O₇، که به اختصار YBCO نوشته می شود، 92 کلوین است. تئوری جفت الکترون در اثر تبادل فونون ها  که در ابررساناهای معمولی صادق است، دیگر در ابررساناهای با T_C بسیار بالا صدق نمی کند.

با شروع خاصیت ابررسانایی تغییرات ناگهانی در مشخصه های فیزیکی ماده به وجود می آید که حاکی از تغییر فاز در ماده است. برای مثال ظرفیت گرمایی ماده در رژیم عادی متناسب با دما است و در دمای بحرانی دچار ناپیوستگی شده و با کاهش دما تغییرات آن نمایی خواهد بود که نشانه وجود اختلاف انرژی است.

تئوری عبور جریان

در یک هادی معمولی، جریان به صورت حرکت الکترون ها در شبکه یونی هادی تعریف می شود. الکترون ها در طول این حرکت به یون های موجود در شبکه یونی برخورد کرده و مقداری از انرژی خود را به یون ها می دهند. این انرژی تلف شده، در شبکه یونی تبدیل به گرما می شود. این پدیده، مقاومت الکتریکی نامیده می شود[1].

اما در ابررساناها، وضعیت متفاوت است. در یک ابررسانا جریان الکتریکی ناشی از جفت های الکترونی (Cooper Pairs) است. این جفت الکترون ها در اثر نیروی جاذبه ی بین الکترون ها، که ناشی از تبادل فونون ها بین آنها است، به وجود می آیند. وجود اختلاف سطح انرژی (ΔΕ) در طیف انرژی این جفت الکترون ها حاکی از آن است که برای تحریک کردن آنها حداقل به انرژی ΔΕ نیاز است. حال اگر انرژی گرمایی شبکه یونی KT (که در آن T دما و K ثابت بولتزمان است) کمتر از ΔΕ باشد، آنگاه جفت های الکترونی دچار پراکندگی و تلفات انرژی نمی شوند و در نتیجه مقاومت الکتریکی صفر خواهد بود.

در نزدیکی دمای بحرانی، مواد HTS در برابر عبور جریان الکتریکی و به واسطه وجود میدان مغناطیسی ناشی از جریان الکتریکی، از خود مقاومت نشان می دهند. دلیل این امر وجود جریانات گردابی است که باعث اتلاف انرژی جفت الکترون ها می شود. در صورتی که دما به اندازه ی کافی کاهش یابد، این گرداب ها منجمد شده و مقاومت کاملاً صفر می شود.

[1]  A P Malozemoff, et al, “Progress in HTS Coated Conductors and Their Applications”, American Superconductor Corp. , March 2007.

مهمترین خواص ابررساناها

در مورد مهمترین خواص ابررساناها می‌توان به موارد ذیل اشاره داشت:

-         مقاومت ناچیز در مقابل عبور جریان مستقیم و توانایی عبور چگالی جریان بالا

-         توانایی تولید میدانهای مغناطیسی قوی

-         خاصیت تونل‌زنی

در ادامه توضیحات مختصری در ارتباط با هر یک از این خواص آورده می شود.

   مقاومت ناچیز در مقابل عبور جریان مستقیم و توانایی عبور چگالی جریان بالا

امروزه صرفه ‌جویی در مصرف انرژی، یکی از مهم‌‌ترین نیازهای کشورهای صنعتی است. بودجه‌‌های زیادی صرف تحقیقات در زمینه کشف راه‌های تازه و موثرتر برای یافتن انرژی‌های ارزان‌ و با ریسک کمتر می‌شود. ابررسانایی با نقشی که می‌تواند در زمینه صرفه جویی در تولید و انتقال انرژی الکتریکی بازی کند، در آینده بشر نقشی اساسی خواهد داشت و به همین دلیل در سالهای اخیر بیش از ده هزار پژوهشگر با صرف هزینه‌های زیاد، تحقیقات خود را روی موضوع ابررسانایی و کاربردهای آن در علوم مختلف متمرکز ساخته‌اند. با توجه به مقاومت تقریباً صفر، ابررساناها درشبکه‌های توزیع و انتقال (ترانسفورماتورها و کابل‌ها و ...) و همچنین ماشینهای الکتریکی قابل استفاده هستند. این خاصیت باعث می‌شود که اگر جریانی در یک ابررسانا ایجاد شود، بدون کاهش قابل توجهی برای مدت طولانی برقرار بماند. همینطور شدت جریان عبوری از ابرسانا نیز به علت فقدان افت اهمی بسیار بالاست. برای مثال آلیاژ نیوبیوم و تیتانیوم که در درجه حرارت 4.4 کلوین به حالت ابررسانایی می‌رسد قادر به عبور جریان 2000 آمپر بر میلیمتر مربع در شدت میدان 5 تسلا است. این چگالی صد بار بیشتر از چگالی جریان در سیم‌های مسی معمولی است. البته در صورت افزایش چگالی جریان از حد معینی، ابرسانا در وضعیت مقاومتی قرار می‌گیرد و خاصیت ابررسانایی خود را از دست خواهد داد. جریان یا چگالی جریانی که ابررسانا می‌تواند از خود عبور دهد و خاصیت ابررسانایی را از دست ندهد به جریان بحرانی یا چگالی جریان بحرانی معروف است.