ابررساناهای اکسیدی دما بالا

ابررساناهای اکسیدی دمای بالا (HTS)

در تمامی جهان ، تأسیسات الکتریکی با یک چالش مواجه اند؛ عبور دادن مقدار بیشتری انرژی از درون شبکه های توزیع شهری برای رفع نیاز رو به افزایش مصرف کننده ها در قرن بیست و یکم.به علاوه، آنها باید مصرف کننده ها را از قطعی های نابهنگام در اثراین اضافه مصرف محافظت کنند.یک تکنولوژی انقلابی در ساخت کابلهای برق ابداع شده که مدعی است می تواند بر هر دو مشکل ذکرشده در بالا غلبه کند. کابلهای جدید از مواد ابررسانا درجه حرارت بالا یا HTS ساخته شده اند و می توانند انرژی الکتریکی ۱۵۰ برابر یک سیم مسی معمولی با همان قطر را انتقال دهند.

ابر رساناهای اکسیدی دمای بالا انواعی از ابررساناها هستند که در آنها یک جز اکسیدی وجود داشته باشد. اغلب ابررساناهای اکسیدی از نوع ابررساناهای دمای بالا هستند. ابررساناهای با دمای گذار بیشتر از ۳۰ کلوین ابررساناهای دمای بالا نام دارند. ابررساناهای اکسیدی از نوع پایه مس، و سرامیکی می باشند. بعضی از مؤلفان ابررساناهای با دمای گذار بیشتر از نقطه جوش نیتروژن مایع (۷۷ کلوین) را ابررسانای دمای بالا تعریف می کنند.

دو دهه از کشف ابررساناهای اکسیدی دمای بالا در ترکیب La-Ba-Cu-O توسط بدنورز و مولر در آزمایشگاه IBM زوریخ می گذرد . در این مدت فیزیک ماده چگال، شیمی مواد و علم مواد تجدید بنا شده اند . دمای گذار از ۲۳ k به ۱۶۵ k ) 138 k با اعمال فشار ) رسیده است و هیچ سقفی برای دمای گذار قابل پیش بینی نیست . تصور وجود ابررسانایی در دمای اتاق به راستی بسیار هیجان انگیز است . در این صورت، انقلابی که در جهان صنعت و فناوری رخ خواهد داد بسیار عظیم تر از انقلابی است که به دلیل کشف ترانزیستور در طول نیم قرن گذشته رخ داده است .

کشف ابررساناهای اکسیدی دمای بالا در سال ۱۳۶۵ با پیش زمینه ای از کشفیات دیگر امکان پذیر شد، مانند گروه A -15 در سال ۱۳۳۳ و فاز شورل در سال .۱۳۵۰ این مواد بالاترین دمای گذار و میدان بحرانی، طول همدوسی بسیار کوچک، همزیستی ابررسانایی و پادفرو مغناطیس، ساختار پرووسکایتی، زنجیره های تک بعدی و ناپایداری ساختاری را به همراه دارند . مضافا، دانشمندان روسی در اوایل دهه ۱۳۵۰ موادی با ترکیب لنتوم و اکسید مس همانند ترکیب زوریخ را ساختند، ولی به دلیل در اختیار نداشتن هلیوم مایع هیچگاه به مرحله آزمایش در دمای پایی نرسیدند و یا دانشمندان فرانسوی در ۱۳۶۴ یک حالت فلزی را در ترکیب La-Ba-Cu-O گزارش دادند ولی هیچگاه در جستجوی ابررسانایی، دما را پایین نبردند . این ترکیب نقطه عطف کشف ابررسانایی دمای بالا در سال بعد شد . تا کنون صدها ترکیب ابررساناهای دمای بالا مسی شامل هشت خانواده اصلی ساخته و مشخصه یابی شده اند .

به دلیل این تحقیقات مسائل جدیدی در فیزیک سرفصل جدی در فهم بهتر از طبیعت شده است مانند گاف القایی، شبه گاف، گذار فلز – عایق، تقارن – d موجی، سازوکارهای متفاوت در جفت شدگی و همدوسی فاز، نوار پادفرومغناطیس، پارامترهای نظم متفاوت داخلی و چگالش بور – اینشتین، دماهای متفاوت برای جفت شدگی و همدوسی فاز، مدولاسیون دینامیکی بار ( حفره ) و اسپین، جداشدگی بار و اسپین، جنبه های بعدپذیری، پیوندگاه های ذاتی جوزفسون، و نقطه بحرانی کوانتومی، اگرچه اکنون جنبه های بسیاری از فیزیک و شیمی این ابررساناهای مسی با همبستگی قوی به خوبی فهمیده شده اند، سازوکار جفت شدگی الکترونها همچنان مبهم است . اکنون مشخص شده است که موضوع ابررسانایی را می توان به دو شاخه ابررسانایی متعارف نوع BCS و غیرمتعارف نوع جدید شامل ابررساناهای دمای بالا، فرمیون سنگین، گروه A -15 ، یک بعدی آلی و فاز شورل تقسیم کرد . در عین حال، ابررساناهای اکسیدی دمای بالا پرووسکایتی یک شاخه از گروه وسیعتری از اکسیدهای لایه ای به همراه روتنوکویراتها و منگنایتها / نیکلایتها با ساختارهای لایه ای مشابه به ترتیب ابررسانا – عایق – ابررسانا، فرومغناطیس – عایق – ابررسانا – عایق – فرومغناطیس، و فرومغناطیس – عایق – فرومغناطیس است. سابقه ابررسانایی در اکسیدها به کشف SrTiO3 در سال ۱۳۴۳ برمی گردد.

ابررساناهای اکسیدی

سه گروه ابررساناهای اکسیدی وجود دارد:

SrTiO3 و LiTi2O4 با دمای گذار ۱۳ k تا ۰/۲ k بیسموتی هاBaBi(Pb/k)O3 ، با دمای گذار ۱۳ k تا ۳۲ k و کوپرات های لایه ای با دمای گذار ۳۲ k تا k138. آیا گروه چهارمی نیز وجود دارد که دمای گذار آن از ۱۳۸k شروع شد تا شاید به دمای اتاق یا بالاتر برسد؟ نمی توان پیش بینی کرد که دنیا باید منتظر چه مسائل غیرمنتظره ای باشد .

غیرقابل پیش بینی بودن زیبایی علم است !

در طول سیزده سالی که از بازپس گرفتن و بازسازی آزمایشگاه تحقیقاتی مغناطیس می گذرد، کار ماعمدتا بر روی مسائل بنیادی و ناهنجاری های ابررساناهای دمای بالای مسی به صورت تجربی و محاسباتی متمرکز بوده است مانند ابررسانا نشدن سیستم ۱۲۳ با پایه Pr ، Ce و یا Tb، نقش الکترون – فونون در جفت شدگی کوپر و همچنین دلیل بهینه بودن جایگزینی جزئی Ce به جای Gd در روتنوکویراتها، و جایگزینی های متفاوت در در منگنایت ها . این تحقیقات نتایج مطلوبی را در رابطه بین ابررسانایی و مغناطیس و اثر میدان مغناطیسی بر سازوکار هدایت حاملین و در نتیجه کاربردهای فراوان آنها در صنعت و فناوری دربرداشته است . شاید قابل ذکر باشد که این موفقیتها تحت سخت ترین شرایطی که با توجه به قطع بودجه تحقیقاتی آزمایشگاه در طول هفت سال گذشته بر ما تحمیل شده به وقوع پیوسته است.