الموصلية الفائقة للمعادن ، اكتشاف Heike Kamerling-Onnes

أول من صادف ظاهرة الموصلية الفائقة هايك كامرلينج أونز - عالم فيزيائي وكيميائي هولندي. كانت سنة اكتشاف هذه الظاهرة عام 1911. وبالفعل في عام 1913 ، سيحصل العالم على جائزة نوبل في الفيزياء لأبحاثه.

عند إجراء دراسة للمقاومة الكهربائية للزئبق في درجات حرارة منخفضة للغاية ، أراد أن يحدد إلى أي مستوى يمكن أن تنخفض مقاومة مادة ما للتيار الكهربائي إذا تم تنظيفها من الشوائب ، وتقليل ما يمكن أن يكون قدر الإمكان مُسَمًّى. "الضوضاء الحرارية" أي لخفض درجة حرارة هذه المواد. كانت النتائج غير متوقعة ومذهلة. عند درجات حرارة أقل من 4.15 كلفن ، اختفت فجأة مقاومة الزئبق تمامًا!

يوجد أدناه رسم بياني لما لاحظه أونز.

في تلك الأيام ، كان العلم يعرف بالفعل على الأقل هذا القدر التيار في المعادن هو تدفق الإلكترونات، والتي يتم فصلها عن ذراتها ، ومثلها مثل الغاز المشحون ، يتم نقلها بعيدًا بواسطة المجال الكهربائي.إنها مثل الرياح عندما ينتقل الهواء من منطقة ذات ضغط مرتفع إلى منطقة ذات ضغط منخفض. الآن فقط ، في حالة التيار ، توجد إلكترونات حرة بدلًا من الهواء ، ويكون فرق الجهد بين طرفي السلك مماثلاً لاختلاف الضغط في مثال الهواء.

في العوازل ، هذا مستحيل ، لأن الإلكترونات مرتبطة بإحكام بذراتها ومن الصعب للغاية تمزيقها من أماكنها. وعلى الرغم من أن الإلكترونات التي تشكل التيار في المعادن تتحرك بحرية نسبيًا ، فإنها تتصادم أحيانًا مع عوائق على شكل ذرات تهتز ويحدث نوع من الاحتكاك يسمى المقاومة الكهربائية.

ولكن عند درجة حرارة شديدة الانخفاض يبدأ في الظهور الموصلية الفائقة، يختفي تأثير الاحتكاك لسبب ما ، تنخفض مقاومة الموصل إلى الصفر ، مما يعني أن الإلكترونات تتحرك بحرية تامة ، دون عوائق. ولكن كيف يكون هذا ممكنا؟

للعثور على إجابة لهذا السؤال ، أمضى الفيزيائيون عقودًا في البحث. وحتى اليوم ، تسمى الأسلاك العادية الأسلاك "العادية" ، بينما تسمى الموصلات في حالة المقاومة الصفرية "الموصلات الفائقة".

وتجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن الموصلات العادية تقلل من مقاومتها مع انخفاض درجة الحرارة ، فإن النحاس ، حتى عند درجة حرارة عدة كلفن ، لا يصبح موصلًا فائقًا ، والزئبق والرصاص والألمنيوم يفعلون ذلك ، وتبين أن مقاومتهم لا تقل عن مائة تريليون. مرات أقل من النحاس تحت نفس الظروف.

تجدر الإشارة إلى أن أونز لم يقدم ادعاءات لا أساس لها من أن مقاومة الزئبق أثناء مرور التيار أصبحت صفرًا تمامًا ، ولم تنخفض ببساطة لدرجة أنه أصبح من المستحيل قياسها بأدوات العصر.

لقد أجرى تجربة يستمر فيها التيار في ملف فائق التوصيل مغمور في الهيليوم السائل في الدوران طوال الوقت حتى يتبخر الجني. إبرة البوصلة ، التي اتبعت المجال المغناطيسي للملف ، لم تنحرف على الإطلاق! في عام 1950 ، ستستمر تجربة أكثر دقة من هذا النوع لمدة عام ونصف ، ولن ينخفض ​​التيار بأي شكل من الأشكال ، على الرغم من هذه الفترة الطويلة من الزمن.

في البداية ، من المعروف أن المقاومة الكهربائية للمعدن تعتمد بشكل كبير على درجة الحرارة ، يمكنك بناء مثل هذا الرسم البياني للنحاس.

وكلما ارتفعت درجة الحرارة ، زاد اهتزاز الذرات ، وكلما زاد اهتزاز الذرات ، أصبحت عقبة أكثر أهمية في مسار الإلكترونات التي تشكل التيار. إذا انخفضت درجة حرارة المعدن ، فسوف تنخفض مقاومته وتقترب من مقاومة متبقية معينة R0. وهذه المقاومة المتبقية ، كما اتضح ، تعتمد على تكوين و "كمال" العينة.

والحقيقة أنه توجد عيوب وشوائب في أي عينة مصنوعة من المعدن. كان هذا الاعتماد مهتمًا بالأولاد بشكل خاص في عام 1911 ، في البداية لم يناضل من أجل الموصلية الفائقة ، ولكنه أراد فقط تحقيق مثل هذا التردد من الموصل قدر الإمكان لتقليل مقاومته المتبقية.

في تلك السنوات ، كان الزئبق أسهل في التنقية ، لذلك صادفه الباحث بالصدفة ، على الرغم من حقيقة أن البلاتين والذهب والنحاس موصلات أفضل من الزئبق في درجات الحرارة العادية ، إلا أنه من الصعب تنقيتها.

مع انخفاض درجة الحرارة ، تحدث حالة التوصيل الفائق فجأة في لحظة معينة عندما تصل درجة الحرارة إلى مستوى حرج معين. تسمى درجة الحرارة هذه حرجة ، عندما تنخفض درجة الحرارة أقل من ذلك ، تنخفض المقاومة بشكل حاد إلى الصفر.

كلما كانت العينة أنقى ، كان الانخفاض أكثر حدة ، وفي أنقى العينات يحدث هذا الانخفاض في فاصل زمني أقل من مائة درجة ، ولكن كلما كانت العينة أكثر تلوثًا ، زاد طول الانخفاض ووصوله إلى عشرات الدرجات ، وهذا على وجه الخصوص ملحوظ في موصلات فائقة في درجات الحرارة العالية.

تُقاس درجة الحرارة الحرجة للعينة في منتصف فترة الهبوط الحاد وتكون فردية لكل مادة: للزئبق 4.15 كلفن ، للنيوبيوم ، 9.2 كلفن ، للألمنيوم ، 1.18 كلفن ، إلخ. تعتبر السبائك قصة منفصلة ، وقد اكتشف أونز لاحقًا الموصلية الفائقة لها: الزئبق بالذهب والزئبق مع القصدير كانا أول سبائك فائقة التوصيل اكتشفها.

كما ذكر أعلاه ، أجرى العالم التبريد بالهيليوم السائل. بالمناسبة ، حصل أونز على الهيليوم السائل وفقًا لطريقته الخاصة ، التي تم تطويرها في مختبره الخاص ، والذي تأسس قبل ثلاث سنوات من اكتشاف ظاهرة الموصلية الفائقة.

لفهم القليل عن فيزياء الموصلية الفائقة ، والتي تحدث عند درجة حرارة حرجة للعينة بحيث تنخفض المقاومة إلى الصفر ، يجب ذكر ذلك المرحلة الانتقالية... الحالة الطبيعية ، عندما يكون للمعدن مقاومة كهربائية عادية ، هي المرحلة العادية. مرحلة التوصيل الفائق - هذه هي الحالة التي يكون فيها المعدن مقاومًا للصفر. يحدث انتقال الطور هذا مباشرة بعد درجة الحرارة الحرجة.

لماذا تحدث المرحلة الانتقالية؟ في الحالة "الطبيعية" الأولية ، تكون الإلكترونات مريحة في ذراتها ، وعندما يتدفق التيار عبر سلك في هذه الحالة ، يتم إنفاق طاقة المصدر لإجبار بعض الإلكترونات على ترك ذراتها والبدء في التحرك على طول المجال الكهربائي ، على الرغم من مواجهة عقبات وامضة في مساراتهم.

عندما يتم تبريد السلك إلى درجة حرارة أقل من درجة الحرارة الحرجة وفي نفس الوقت يتم إنشاء تيار من خلاله ، يصبح أكثر ملاءمة للإلكترونات (مواتية للطاقة ورخيصة الطاقة) لتكون في هذا التيار ، والعودة إلى الأصل الحالة "الطبيعية" ، سيكون من الضروري في هذه الحالة الحصول على طاقة إضافية من مكان ما ، لكنها لا تأتي من أي مكان. لذلك ، فإن حالة التوصيل الفائق مستقرة للغاية بحيث لا يمكن للمادة أن تتركها ما لم يتم إعادة تسخينها.

أنظر أيضا:تأثير مايسنر واستخدامه