تم حل لغزين من الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية في النحاسات. الموصلية الفائقة للغرفة في الموصل الفائق للجرافيت في درجة حرارة الغرفة

23.07.2020

مأخوذ من هنا - http://zoom.cnews.ru/rnd/news/top/sverhprovodimost_pri_komnatnoj_temperature

الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة تمكن الفيزيائيون لأول مرة من خلق الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة وشرح جوهر هذه الظاهرة. استمرت الموصلية الفائقة أقل من ثانية في موصل خزفي ، لكن هذا الإنجاز يعد إنجازًا هائلاً في تطور العلوم والتكنولوجيا. فيزياء علوم طبيعية

04.12.2014 ، الخميس ، 20:51 ، بتوقيت موسكو

تمكن فريق دولي من الفيزيائيين بقيادة علماء من معهد ماكس بلانك في هامبورغ من استخدام نبضات الليزر لإجبار الذرات الفردية في شبكة بلورية على وقت قصيرالتحول وبالتالي الحفاظ على الموصلية الفائقة. جعلت نبضات الليزر تحت الحمراء القصيرة من الممكن لأول مرة "إطلاق" الموصلية الفائقة في موصل خزفي في درجة حرارة الغرفة.

تستمر الظاهرة في التجربة فقط بضعة أجزاء من المليون من الثانية ، لكن فهم مبدأ الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة يمكن أن يساعد في إنشاء أنواع جديدة من الموصلات الفائقة التي ستحدث ثورة في التكنولوجيا الحديثة. ستحل مثل هذه الموصلات الفائقة الكثير مشاكل معاصرة: سيجعل من الممكن إنشاء بطاريات فائقة القوة لتشغيل المعدات كثيفة الاستهلاك للطاقة مثل الليزر أو محركات الطاقة ، والمحركات الكهربائية والمولدات بكفاءة قريبة من 100٪ ، والأجهزة الطبية الجديدة ، وبواعث الميكروويف الصغيرة ولكن القوية ، إلخ.

يتم بالفعل استخدام الموصلية الفائقة ، على سبيل المثال ، في الماسحات الضوئية بالرنين المغناطيسي النووي ، ومسرعات الجسيمات ، والمرحلات عالية الطاقة في محطات الطاقة. ومع ذلك ، تتطلب الموصلات الفائقة الحديثة تبريدًا مبردًا: معدن حتى -273 درجة مئوية ، وسيراميك أكثر حداثة -200 درجة مئوية. من الواضح أن هذا يحد بشكل كبير من الاستخدام الواسع النطاق للموصلية الفائقة ، خاصة في الحياة اليومية.

لسوء الحظ ، لم يكن من الممكن خلق الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة لسنوات عديدة بسبب الظروف المحددة التي تحدث في ظلها. وبالتالي ، فإن واحدة من أكثر الموصلات الفائقة للسيراميك الواعدة YBCO (الإيتريوم - الباريوم - أكسيد النحاس) لها بنية خاصة: طبقات مزدوجة رقيقة من أكسيد النحاس تتناوب مع طبقات وسيطة أكثر سمكًا تحتوي على الباريوم والنحاس والأكسجين. تحدث الموصلية الفائقة في YBCO عند درجة حرارة -180 درجة مئوية في طبقات مزدوجة من أكسيد النحاس ، حيث يمكن للإلكترونات أن تنضم وتشكل ما يسمى بأزواج Cooper. هذه الأزواج قادرة على إنشاء "نفق" بين الطبقات المختلفة ، أي المرور عبر الطبقات ، مثل الأشباح عبر الجدران. يتم ملاحظة هذا التأثير الكمي فقط تحت درجة حرارة معينة.

في عام 2013 ، اكتشف فريق دولي يعمل في معهد ماكس بلانك أن النبضات القصيرة من ليزر الأشعة تحت الحمراء يمكن أن تحفز الموصلية الفائقة في YBCO في درجة حرارة الغرفة لفترة قصيرة جدًا. لم يكن من الممكن فهم طبيعة هذه الظاهرة ، فقط أقوى ليزر أشعة سينية في العالم LCLS (الولايات المتحدة الأمريكية) ساعد في "رؤية" التركيب الذري للمادة والعمليات فائقة القصر. بمساعدتها ، أجرى العلماء سلسلة من التجارب المعقدة ونشروا نتيجة اكتشافهم في منشور Nature.

كما اتضح ، فإن نبضة ليزر الأشعة تحت الحمراء لا تجعل الذرات تهتز فحسب ، بل تغير أيضًا موقعها في البلورة. ونتيجة لذلك ، تصبح الطبقات المزدوجة من ثاني أكسيد النحاس أكثر سمكًا بقليل - بمقدار 2 بيكومتر أو 0.01 بقطر ذرة. يؤدي هذا بدوره إلى زيادة الاقتران الكمومي بين الطبقات المزدوجة لدرجة أن البلورة تصبح فائقة التوصيل في درجة حرارة الغرفة في غضون بضع بيكو ثانية.

الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة: تسبب الإثارة الرنانة لذرات الأكسجين اهتزازات (خطوط غير واضحة) بين طبقات مزدوجة من أكسيد النحاس (طبقة - زرقاء ، صفراء نحاسية ، أكسجين أحمر). تعمل نبضة الليزر على إخراج الذرات من التوازن لفترة قصيرة ، وتقل المسافة بين الطبقات وتحدث الموصلية الفائقة.

وهكذا ، اكتشف العلماء طريقة محتملة لإنشاء موصلات فائقة تعمل في درجة حرارة الغرفة. إذا كان من الممكن تحويل النظرية إلى تقنية تجارية (وفي حالة الموصلات الفائقة الحالية ذات درجة الحرارة المنخفضة ، فقد استغرق هذا حوالي 20 عامًا) ، فإن التقدم سيأخذ قفزة هائلة. ستصبح محركات السيارات التي تعمل بالبنزين مفارقة تاريخية ، ولن يتم حساب وقت التشغيل المستمر للهاتف الذكي بالساعات ، ولكن في الأشهر ، ستأتي ذروة الطائرات الكهربائية ، وتحلق القطارات والحافلات على وسادة مغناطيسية.

ملاحظة. إذا كان هذا صحيحًا ويمكن تحقيقه مثل العدسات الخزفية التي يتم إدخالها في كل مكان الآن ، إذن .. هناك فرصة .. أوه ، إذا كان هذا صحيحًا ..

في الطبيعة ، يتم ترتيب كل شيء ببساطة أكثر بكثير مما يفترضه الشخص في تفكيره. على سبيل المثال ، يعذب الجميع من السؤال - ما هو الموصلية الفائقة؟ لماذا يظهر في الموصلاتفقط عندما درجات الحرارة المنخفضةأوه ؟ والسؤال الثالث هو ما إذا كان الناقلية الفائقة للغرفة؟ دعونا نفكر في هذا معا.

في صناعة المغناطيسات الحديثة ، يتم ضغط خليط من المساحيق الضرورية في الشكل المطلوب ، ثم يتم إدخاله في الملف ، ويتم إعطاء تيار ، ويكون المغناطيس جاهزًا. السؤال هو ، لماذا يتم تخزين الطاقة في جسم مغناطيس دائم؟ للإجابة على هذا السؤال ، دعونا نجري تجربة ثانية. على ال فائقة التوصيلحلقة في ناظم البرد ، نقوم بلف السلك وربطه بمكثف مشحون. عندما يتم دفع تيار فيه ، فائقة التوصيلالتيار ، كما هو الحال في المغناطيس ، يتم تخزين مجال مغناطيسي قوي ويبقى لسنوات عديدة. الجواب على السؤال الأخير بسيط للغاية. في المغناطيس الدائم ، عندما يتم دفع تيار مماثل فائقة التوصيلالتيارات ، فقط في أحجام الذرات والمجالات ، والتي نكتشفها بصريًا بمساعدة مسحوق الحديد على عمود مغناطيسي ، وتجدر الإشارة إلى أن كل هذا يتم في درجات حرارة الغرفة وما فوقها ، حتى نقطة كوري. بالنسبة للمغناطيس ، فإن T curie هو درجة الحرارة الحرجة لفقدان المغنطة ، والتي تشبه تلك الموجودة في أي منها موصل فائق T c - درجة حرارة انتقال واضحة إلى موصل تقليدي.

التطور معرفة علميةليس له طريق رئيسي. في بعض الأحيان ، يفسر الباحث الذي اكتشف اتجاهًا أساسيًا جديدًا في الإدراك ذلك في أبسط شكل بسبب البيانات التجريبية القليلة التي تراكمت بحلول ذلك الوقت. علاوة على ذلك ، فإن هذا النموذج ، الذي لا يكون صحيحًا دائمًا ، يتم اختياره من قبل أشخاص آخرين متشابهين في التفكير ، ومع مرور الوقت يكتسب مثل هذه التفاصيل وجهاز رياضي قوي قادر على إخفاء عيوبه بحيث يستمر تطوير النظرية تلقائيًا. هذا ما حدث مع الموصلية الإلكترونية Drude ، حيث يتم نقل الطاقة في الموصل بواسطة الإلكترونات فقط. إن العودة في مثل هذه الحالة إلى المواقف الأصلية الأكثر صحة أصبح أمرًا صعبًا للغاية ؛ التدريب متعدد الأجيال يدفع فقط إلى طريق مسدود ، كما حدث مع الموصلية الفائقة.

توافق على ذلك كهرباء- يوجد انتقال للطاقة على طول الموصل. لا يمكن أن يكون الإلكترون ناقلًا للطاقة في الموصلات ، نظرًا لشحنه الثابت 1.6.10 -19 كولوم ، والتي لا يمكن تغييرها بطبيعتها ، وهي غير مناسبة لنقل الطاقة على الإطلاق. لسبب ما ، لا يزعج أي شخص أن إلكترونًا في موصل يتحرك في الاتجاه المعاكس من سالب إلى زائد ، على الرغم من أن الطاقة (التي تحددها الممارسة) تنتقل من موجب إلى سالب (كما في الذرة ، من النواة إلى الإلكترونات). علاوة على ذلك ، تم التأكيد تجريبيًا على أن سرعة الإلكترون حتى في المعدن لا تتجاوز 0.5 مم / ثانية ، ويتم نقل الطاقة في الموصل بسرعة الضوء. في مسرعات السنكروترون ، تسحب الموجة الكهرومغناطيسية ذات التردد اللاسلكي شعاعًا من الإلكترونات على نفسها لتسريعها ، وليس العكس. هنا دور قاطرة القطار في الموجة ، والإلكترونات هي العربات. بالإضافة إلى ذلك ، ترتبط الإلكترونات الخارجية لذرات الموصل بواسطة روابط كيميائية ، ومن المعروف أنه عندما يتحرك التيار المسموح به ، لا تتغير الخصائص الميكانيكية للموصل ، وأكثر ما تستطيع الإلكترونات القيام به هو القفز من ذرة إلى ذرة. يمكن للإلكترون تخزين الطاقة فقط في قوة (سرعة) حركته ، وعند الكبح ، يفرغها في شكل موجة ضوئية كهرومغناطيسية فوضوية صغيرة ، والتي نراها في مثال المصباح الكهربائي الحلزوني. يحدث الشيء نفسه في أي موصلات ، يصبح واضحًا مع ماس كهربائى ، عندما يحترق الموصل بتوهج ساطع. وآخر. حتى أن هيرتز ، في فجر الهندسة الكهربائية ، أجرى تجربة حيث أظهر في خط كهربائي ، بوضوح شديد ، مع وجود فجوة شرارة بسيطة ، أن الطاقة لا تنتقل عبر الأسلاك فقط ، ولكن بشكل أساسي بين الأسلاك ، حيث يُمنع انتقال الإلكترونات . هذا هو المكان الذي تعمل فيه الموجات الكهرومغناطيسية العادية. أليس هذا كله مقنع؟ فقط عدم فهم مثل هذه الحقائق البسيطة أدى إلى نقص الوعي بالظاهرة الموصلية الفائقة. من أين تأتي الموجة الكهرومغناطيسية لنقل الطاقة في الأسلاك والموصلات الفائقة حسب هيرتز؟

في أي موصل ، شبه موصل ، عازل ، توجد ثلاث موجات كهرومغناطيسية قوية على إلكترونات التكافؤ الخارجية. ببساطة لا توجد قوة أخرى من هذا القبيل على الإلكترونات الخارجية. الأول هو البلازما الإلكترونية ، باختصار - البلازما الإلكترونية. جسديًا ، إنه "حشد" إلكتروني بسبب تنافر كولوم لشحنات متشابهة. في الحجم ، تتراوح طاقته من واحد إلى عدة إلكترون فولت. يتم تحديده من خلال التجربة من خلال خصائص فقدان الطاقة. في الممارسة العملية ، يتم تمييز التذبذبات الحجمية الإلكترونية للبلازما ، والتذبذبات السطحية ، التي تقل عن التذبذبات الحجمية بحوالي جذر اثنين.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

الموجة الكهرومغناطيسية الثانية على الإلكترونات الخارجية هي طاقة فيرمي. من المفترض ألا يتم تحديدها تجريبيًا في أي مكان ، وبالتالي فإن الافتراءات حولها متنوعة للغاية. في الواقع ، هذه هي طاقة دوران الإلكترون الخارجي لأي ذرة حول النواة ولا شيء أكثر من ذلك ، ويستقبل الإلكترون طاقة فيرمي من النواة ، وله أيضًا تردد محدد بدقة (E f \ u003d hH ƒ ، حيث h هو ثابت بلانك ، ƒ هو التردد) ويقع بالقرب من طاقة البلازما الإلكترونية ، لأن الإلكترونات هي نفسها - الذرات الخارجية. إن موضع طاقة إلكترون البلازما و fermienergy في أي مادة في التحليل الطيفي البصري هو حافة الامتصاص الرئيسي (أو حافة الامتصاص الأساسي) ، حيث توجد الإكسيتونات المزعومة (انفجار طاقة مزدوجة الحدبة في التحليل الطيفي). للألمنيوم 1.55 فولت ، للنحاس 2.2 فولت ، لسيراميك الإيتريوم 1.95 فولت. الطاقات قريبة دائمًا ، لكنها لا تتحد أبدًا مثل دائرتين متطابقتين متقاربتين حثيًا. إذا تم تشعيع الدوائر بتردد ، فإن تردد إحدى الدوائر ينخفض بسبب الاقتران ، ويزداد تردد الدائرة الأخرى. وتشعيع الإلكترونات الخارجية شيء واحد - من النواة. لاحظ أنه ، لسبب ما ، تكون الطاقة الحرارية للمعادن أقل قليلاً من البلازما الإلكترونية ، بينما تكون درجة الحرارة لأشباه الموصلات والعوازل الكهربائية أعلى من البلازما إلكترون. هذا هو السبب الوحيد لامتلاك المعادن لسلسلة من الترددات الجانبية القوية بما فيه الكفاية نحو الطاقة الصفرية ، مما يجعل المعادن موصلات جيدة. وبالنسبة لأشباه الموصلات والعوازل الكهربائية ، على العكس من ذلك ، فإن الجوانب ذات التردد المنخفض تنخفض إلى أحجام صغيرة (ترددات ستوكس) ، ويتم تضخيم الترددات العالية (مضادات ستوكس) ، لذا فهي توصل الكهرباء بشكل سيئ. التغيير في حجم هاتين الطاقتين ، الذي يتم إنتاجه عن طريق الدفع ، يفسر الانتقال العازل الكهربائي - المعدن.

الموجة الكهرومغناطيسية الثالثة هي أيون البلازما (أيون البلازما). إنه عنصر معمم لجميع أنواع الاهتزازات الحرارية للذرات (الفونونات). في جميع المواد ، يتم تحديده بوضوح من خلال تشتت الضوء رامان. دعونا نلاحظ أن أيون البلازما "يؤدي" الفريق بأكملهالاهتزازات الحرارية المختلفة لشبكة الذرات في المواد (الفونونات) ، أي تغيير في هذه الطاقة يستلزم تغيير في قيمها. في هذا القسم ، يجب أن نلاحظ بشكل خاص اعتماد التذبذبات الصوتية الطولية (السرعة المعتادة للصوت في الموصل) على بلازما الأيونات. لا تتجاوز طاقة موجة البلازما الأيونية 0.1 فولت على التوالي ، وترددها صغير مقارنة بالموجات الإلكترونية.

جميع الموجات الكهرومغناطيسية الثلاثة في الموصلات وأشباه الموصلات والعوازل تضاف بشكل طبيعي إلى موجة واحدة. في المادة الهادئة ، يكون لها شكل موجة واقفة. تم عرض هذه الموجة الفردية في خط الطاقة لنا بواسطة Hertz مع فجوة شرارة بسيطة ، والآن يمكن لكل تلميذ في الفصل الدراسي ، وأي شخص يريد أن يعمل تحت خط كهرباء عالي الجهد ، رؤيتها بمصباح نيون. في حالة حدوث أي انتهاك للحياد ، حتى بسبب الإزاحة العرضية للإلكترونات في الموصل ، تندفع موجة واحدة لإزالة الانتهاك ، ومن خلال سحب الإلكترونات إلى أماكنها ، تستعيد النظام مثل مضيفة في شقة. هذه الحركة للإلكترونات عند ترتيب الأشياء هي مقاومة ، لأنها تأخذ الطاقة من موجة واحدة للحركة (كما هو الحال في معجل السنكروترون) ، وتتوقف ، وتفريغ الطاقة الزائدة في شكل إشعاع فوضوي - حرارة. هناك ضعف في طاقة الموجة الواحدة بمقدار طرد الإلكترون الحراري. عندما لا يكون هناك شيء لأخذها ، تذهب إلى واحدة - المضيفة تستريح. يحدث فصل الإلكترونات بالقصور الذاتي أيضًا في تجربة تولمان-ستيوارت ، لكننا نقيس باستخدام الجلفانومتر فقط جهد الموجة الواحدة ، الإثارة. في أشباه الموصلات ، تعلمنا ، بطريقة تجريبية بحتة ، القليل للتحكم في موجة واحدة. من خلال تطبيق الجهد على نهايات البلورة ، نقوم بتغيير موضع البلازمولترونيك و fermienergy في التردد في اتجاه التقريب ، مما يؤدي إلى انخفاض قيمة المقاومة. من خلال توزيع كلتا الطاقات في التردد (تقليل عدد الإلكترونات بسبب تطبيق الجهد الزائد) ، نزيد من مقاومة الترانزستور. تمتلك أشباه الموصلات أقرب الطاقات الإلكترونية من حيث القيمة ، وبالتالي يسهل تنظيمها.

في الطبيعة ، هناك صدى لهذه الموجات الكهرومغناطيسية الثلاثة ، اثنان إلكترونيان - البلازما الإلكترونية و Fermi - مع البلازما الأيونية الثالثة. تُعرف هذه الحقيقة في الفيزياء باسم الرنين ثلاثي الموجات. في هذه الحالة ، يتزامن الاختلاف في وتيرة الطاقات الإلكترونية مع تواتر البلازما الأيونية. ومن المعروف من الناحية النظرية. في لحظة الرنين ، تُضخ الطاقة الإجمالية للموجات الثلاث بالتناوب في فيرمي ، ثم في البلازما الإلكترونية ، ثم في موجات البلازما الأيونية. عندما تدخل الطاقة الإجمالية إلى طاقة البلازما الأيونية ، فإن الطيف الكامل للاهتزازات الحرارية للذرات يكون متحمسًا ، وهو ما يُرى تجريبياً من زيادة السعة الحرارية في الموصلات. في هذه اللحظة ، تزداد سرعة الصوت أيضًا ، مما يعني أن الموجة الصوتية تحرك الذرات بشكل أكثر كثافة وتمتد على طول الموصل. عندما يتم ضغط الذرات فيما بينها ، يتم ضغط الإلكترونات أيضًا ، وهذه هي الطريقة التي تتلقى بها طاقة إضافية من النوى ، بينما في لحظة تباعد الذرات ، يتم التخلص من الطاقة الزائدة ليس بشكل عشوائي ، ولكن في شكل قطع في موجة كهرومغناطيسية واحدة ، ولكن معًا بالفعل ، تسترشد بترددها ، وفقًا لمبدأ الليزر. تعمل هذه الإضافة على تضخيم الموجة المفردة ، والتي توجد كمقاومة سلبية في أشباه الموصلات.

هناك عامل آخر غير عادي في غاية الأهمية الموصلية الفائقة. هذه هي الطريقة التي رتبت بها الطبيعة أن الموجة الصوتية للضغط وخلخلة الذرات فيما بينها ضعيفة نوعًا ما في حد ذاتها ، حيث يتم إنفاق جزء من الطاقة على تكوين الحرارة. لكن في لحظة معينة يمكن تضخيمها بالاهتزازات الحرارية للذرات نفسها ، وحتى عدة مرات. يسمى هذا التضخيم بالاهتزازات الباليستية (الفونونات) ، والتي تحدث فقط في درجات حرارة منخفضة للغاية. يحدث التضخيم فقط في لحظة انتقال الاهتزازات الحرارية من الحركة الفوضوية إلى اتجاهات معينة أثناء التبريد - على طول محاور محددة بدقة من البلورة بسبب ضعف الاتجاهات الأخرى. هذا العامل هو العامل الرئيسي الذي يحدد بداية أي انتقال فائق التوصيل. كل موصل فائق ، بسبب خصائص الشبكة البلورية ، له بدقة فونونات باليستية خاصة به. تم العثور على هذا في السيراميك عالي الحرارة على شكل تباين حاد في التوصيل الحالي. إن تضمين هذه الاهتزازات في درجة الحرارة يعزز الموجة الصوتية ، فهو يضغط الإلكترونات على نوى الذرات بقوة أكبر ، وهذا هو السبب في أن الإلكترونات تخزن المزيد من الطاقة وبشكل ملحوظ تعزيز موحدموجة كهرومغناطيسية تشبه الضوء الموجود في الليزر. ومنه ، تتلقى طاقة البلازما الأيونية الرنانة صدمات قوية وتجعل الموجة الصوتية تعمل بشكل أكثر عنفًا. يتم تكوين ردود فعل إيجابية كاملة ، مما يجعلك تخزن فائقة التوصيلأجهزة تخزين ذات طاقة هائلة لا تضاهى مع أي بطارية يمكن تصورها. حتى في الموصلات الفائقةلدينا عاملين رئيسيين متوافقين - ظهور موجة كهرومغناطيسية واحدة قوية على الإلكترونات الخارجية ، ونتيجة لحدوث التذبذبات الباليستية ، فإن الخلق عززت عكسروابط الطاقة من خلال موجة صوتية. الإلكترونات ، تتلقى طاقة إضافية في هذه العملية، تتسارع في مداراتها ، وعندما ينجذب موصلين لهما تيارات متزايدة من نفس الاتجاه لبعضهما البعض ضد تنافر كولوم إلى "مزلاج" الدوران بواسطة المغناطيس. إن قوى الدوران قصيرة المدى للغاية ، لذا فهي تثبت اقتران إلكترونين فقط على مسافات تتراوح بين 10-12 م. فائدة مزدوجة؛ لا تمنع الإلكترونات المزاوجة الموجة المفردة من التحرك ولا تستهلك الطاقة منها بموجات دي برولي. وفي الوقت نفسه ، يضخون باستمرار إلى نوى الذرات ، يتلقون الطاقة في شكل صدمات ، ثم يضخونها معًا في موجة واحدة لتضخيمها. مثل هذا الزوج من الإلكترون ، على عكس زوج من الروابط الكيميائية ، يكون حرًا تقريبًا في الفضاء ، وبسبب أقطاب مغناطيس التيار الخاص به ، فإنه ينقلب دائمًا ضد مجال مغناطيسي خارجي ، وبتدويره يخلق نفاذية مغناطيسية لمادة معينة (تيار معاكس) يحدث فيه). تم العثور على طول التماسك تجريبيًا في الموصلات الفائقة، و هو طول الموجة الكهرومغناطيسية أحادية الرنين (مغلف من إضافة ثلاث موجات كهرومغناطيسية).

ليس من الصعب عمليا التحقق من هذه الاعتبارات. لا يعرف القليل من المواد بالقوّة نفاذية مغناطيسية حتى في درجة حرارة الغرفة، مما يعني أن هناك موجة واحدة ، معززة إلى حد ما بالرنين ، تعمل بالفعل هناك وهناك أزواج إلكترونية جاهزة (على سبيل المثال ، СuCl ، SiC). من الضروري أخذ مثل هذه المادة ، وتحديد التردد الصوتي ، وبدلاً من الفونونات الباليستية ، قم بتطبيق اهتزازات فوق صوتية ذات طاقة كافية عليها (قم بعمل طاقة البلازما الأيونية). هذا العمل سيعزز العمل ردود الفعلوتبدأ دورة الطاقة ، ستكون النتيجة موصل فائق اصطناعي في درجة حرارة الغرفة. في الوقت نفسه ، يجب أن نتذكر أنه مع عدم كفاية قوة الموجات فوق الصوتية ، ستتغير قيمة مقاومة العينة فقط. من الممكن أن تعمل بعض البلورات التي لها تأثير Gunn على هذا المبدأ ، حيث يتم إنشاء اهتزازات كهربائية قوية. على ما يبدو ، هناك ، من عمل المرفق الجهد الكهربائيأعلى من 3 كيلوفولت ، تحدث نفس التذبذبات الباليستية في درجة حرارة الغرفة ، ولكن لسبب ما قصير المدى ، فقط لفترة التذبذب. يمكن الاستعاضة عن الموجات فوق الصوتية على البلورات الصغيرة بنبضات الليزر مع مرات في الثانية.

وفقًا للمنطق أعلاه ، من الممكن تحديد طريقة التصنيع غرفة فائقة التوصيل. من الضروري أخذ مادة ذات روابط كيميائية قوية من أجل التشغيل الناجح لموجة صوتية ، وتحديد جميع الموجات الكهرومغناطيسية الثلاثة بالأدوات ، ومن خلال إدخال ذرات ثقيلة أو خفيفة في الشبكة البلورية ، وتحقيق رنين ثلاثي الموجات. ثم اضبط قوة التغذية المرتدة للموجة الصوتية أولاً بالموجات فوق الصوتية (أو الليزر) ، ثم بالتجربة ، طور طريقة لإثارة الاهتزازات الباليستية. كربيد السيليكون مناسب لهذا ، وفي المستقبل الأفضل فائقة التوصيلستكون المادة عبارة عن كربون عادي ، لأنه في موازينها أقوى روابط كيميائية من الطبيعة ، على التوالي ، من أجل حدوثها الموصلية الفائقةالحد الأدنى من طاقة الاهتزازات الباليستية مطلوب.

في الختام ، نلاحظ أن الموصل الفائق يختلف عن جميع المواد الأخرى بواسطة رنين داخلي موحد موجه كهرومغناطيسيةعلى الإلكترونات الخارجية والعمل جنبًا إلى جنب مع الاهتزازات الباليستية للذرات (الفونونات). والدليل على ذلك هو الحجمي المكتشف تجريبياً والسطح السطحي الموصلية الفائقة BB رابط للنشر

شكرًا جزيلاً على مساهمتك في تطوير العلوم والتكنولوجيا المحلية!

تمكن فريق دولي من علماء الفيزياء بقيادة علماء من معهد ماكس بلانك في هامبورغ من استخدام نبضات الليزر لإجبار الذرات الفردية في شبكة بلورية على التحرك لفترة قصيرة وبالتالي الحفاظ على الموصلية الفائقة. جعلت نبضات الليزر تحت الحمراء القصيرة من الممكن لأول مرة "إطلاق" الموصلية الفائقة في موصل خزفي في درجة حرارة الغرفة.

لا تدوم الظاهرة في التجربة سوى بضعة أجزاء من المليون من الثانية ، لكن فهم مبدأ الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة يمكن أن يساعد في إنشاء أنواع جديدة من الموصلات الفائقة التي ستحدث ثورة في التكنولوجيا الحديثة.محركات الطاقة والمحركات الكهربائية والمولدات بكفاءة تقترب من 100٪ ، أجهزة طبية جديدة ، بواعث ميكروويف صغيرة ولكنها قوية ، إلخ.

حقوق التأليف والنشر الصورةثينكستوكتعليق على الصورة يمكن استخدام الموصلات الفائقة لإنشاء شبكات كهربائية

عند حوالي -270 درجة مئوية ، تمر بعض المعادن بتيار كهربائي بدون مقاومة. ومع ذلك ، فقد تعلم العلماء تحقيق الموصلية الفائقة عند درجة حرارة أعلى تبلغ حوالي 130 كلفن (-143 درجة مئوية) ، ولا يتوقفوا عند هذا الحد ، معتقدين أن هذه الخاصية القيمة يمكن إعادة إنتاجها في درجة حرارة الغرفة.

تتميز الموصلات الفائقة بالغياب التام للمقاومة. إن ما يسمى بالموصلات الفائقة من النوع الأول يحل محل المجال المغناطيسي تمامًا.

تسمح المواد المماثلة من النوع الثاني بوجود الموصلية الفائقة ومجال مغناطيسي قوي في نفس الوقت ، مما يجعل نطاق تطبيقاتها واسعًا للغاية.

ما هي الموصلية الفائقة؟

هذه الظاهرة نفسها وصفها الكيميائي والفيزيائي الهولندي هايك كامرلينغ أوتس في عام 1911. حصل على جائزة نوبل بعد ذلك بعامين.

ظهر مفهوم الموصلية الفائقة لأول مرة في الأعمال العلمية للأكاديمي السوفيتي ليف لانداو ، الذي حصل بالمناسبة على جائزة نوبل في عام 1962 عن عمله.

يتم شرح الموصلية الفائقة للمعادن باستخدام مفهوم ما يسمى "أزواج كوبر": إلكترونان متحدان من خلال كم مع زخم زاوي إجمالي صفري.

تحدث أزواج متشابهة من الإلكترونات في الشبكة البلورية لبعض المعادن عند تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة للغاية.

ومع ذلك ، في وقت لاحق ، باستخدام النحاسيات - السيراميك الذي يحتوي على نسبة عالية من النحاس - حقق العلماء الموصلية الفائقة في درجات حرارة أعلى بكثير من نقطة غليان النيتروجين (-196 مئوية) ، مما يجعل المواد غير المقاومة مناسبة نسبيًا ، نظرًا لانتشار النيتروجين السائل على نطاق واسع. ليستخدم.

بفضل هذه التجارب ، أصبحت الموصلات الفائقة منتشرة على نطاق واسع وتستخدم اليوم ، على وجه الخصوص ، للتصوير في أجهزة التشخيص الطبية ، مثل الماسحات المغناطيسية والرنان المغناطيسي.

كما أنها تستخدم على نطاق واسع في مسرعات الجسيمات في أبحاث الفيزياء.

ثم الجرافين؟

تحدث الأستاذ في جامعة آلتو في هلسنكي ومعهد لانداو للفيزياء النظرية التابع للأكاديمية الروسية للعلوم غريغوري فولوفيك في مؤتمر موسكو الدولي لتقنيات الكم عن إمكانية الحصول على الموصلية الفائقة في درجات حرارة عالية باستخدام تعديل الجرافين - المسطح.

من المتوقع أن يكون للجرافين ، مثله مثل الموصلات الفائقة ، مستقبل مشرق - يهتم مصنعو المصابيح الكهربائية والدروع الواقية للبدن به ، ناهيك عن آفاقه في مجال الإلكترونيات الدقيقة.

حقوق التأليف والنشر الصورةآي بي إمتعليق على الصورة في ظل الظروف العادية ، يُظهر الجرافين خصائص أشباه الموصلات

تم وصف إمكاناته من قبل علماء الفيزياء النظرية طوال القرن العشرين ، ومع ذلك ، فقد جاء للبحث العملي فقط في القرن الحادي والعشرين: كان لوصف خصائص الجرافين المعزول من الجرافيت أن كونستانتين نوفوسيلوف وأندريه جيم جاءا من روسيا.

وفقًا لفولوفيك ، فإن المعرفة بخصائص المجالات الكهرومغناطيسية يمكن أن تجعل من الممكن بناء موصل فائق يعتمد على نطاقات طاقة مسطحة ، والتي يمكن ملاحظتها في الجرافين "المثالي".

ومع ذلك - ماذا عن درجة حرارة الغرفة؟

يجب أن يكون لخاصية المنطقة المسطحة التي يتميز بها الجرافين المثالي طاقة صفرية طوال مستواه بالكامل.

ومع ذلك ، فإن الهيكل الحقيقي لتعديل التآصل ثنائي الأبعاد للكربون غالبًا ما يشبه "السجق المسطح" في الهيكل ، كما يقول البروفيسور فولوفيك.

ومع ذلك ، لا يفقد الخبراء قلبًا: في الوقت الحالي ، يعمل المنظرون على عدة خيارات لظهور ما هو ضروري لخلق الموصلية الفائقة في ظروف الغرفةمنطقة طاقة مسطحة ، من بينها غازات فائقة التبريد.

في العام الماضي ، اكتشف الفيزيائيون الأمريكيون من جامعة ستانفورد كيف يمكن وضع الموصلية الفائقة للجرافين موضع التنفيذ باستخدام طبقات من الكربون أحادي الذرة - الجرافين في الواقع - والكالسيوم ، موضوعة فوق بعضها البعض مثل "شطيرة".

منذ أكثر من عام بقليل ، يمكن للعلماء البريطانيين التحدث عن انخفاض ملحوظ في تكلفة إنتاج المواد الضرورية.

المهمة ، كما يقول جميع الخبراء المذكورين أعلاه ، هي إيجاد طرق لإنتاج الجرافين الخالي من العيوب بكميات كبيرة.

صلب ، سائل ، غاز ، بلازما ... وماذا بعد؟

إحدى حالات المادة التي لوحظت فيها الموصلية الفائقة والتأثيرات الكمية الأخرى هي مكثف بوز-أينشتاين ، الذي سمي على اسم العمل النظري للفيزيائيين الهنديين ساتيندرا بوس وألبرت أينشتاين.

حقوق التأليف والنشر الصورةمكتبة صور العلومتعليق على الصورة كان ساتيندرا بوز رائدًا في دراسة سلوك الجسيمات عند صفر كلفن

إنه شكل خاص من المادة - إنه حالة تجمع الفوتونات والجسيمات الأولية الأخرى المتعلقة بالبوزونات عند درجات حرارة قريبة من الصفر كلفن.

في عام 1995 - بعد 70 عامًا من إطلاق المبررات النظرية لبوز وآينشتاين - تمكن العلماء من مراقبة المكثفات لأول مرة.

فقط في عام 2010 تمكن الفيزيائيون من الحصول على مثل هذا التكثيف للفوتونات.

على وجه الخصوص ، وصفت ناتاليا بيرلوف ، المحاضرة في معهد سكولكوفو للعلوم والتكنولوجيا ، والتي تحدثت في المؤتمر ، سلوك البولاريتون - أشباه الجسيمات التي تنشأ عندما تتفاعل الفوتونات مع الإثارات الأولية للوسط.

قالت بيرلوف إنها حاولت تقديم تطبيق نظرية الكم إلى رئيس الوزراء دميتري ميدفيديف ونائب رئيس الوزراء أركادي دفوركوفيتش الصيف الماضي كمبادرة وطنية.

يشارك بعض طلاب معهد سكولكوفو للعلوم والتكنولوجيا بالفعل بنشاط في الأبحاث الدولية - على وجه الخصوص ، طلاب بيرلوف هم جزء من فريق الفيزيائيين الذين يصفون سلوك البولاريتونات المذكورة.

تعتبر الموصلية الفائقة واحدة من أكثر الظواهر الغامضة والرائعة والواعدة. مواد فائقة التوصيل لا تحتوي على المقاومة الكهربائية، يمكنها إجراء التيار دون خسارة تقريبًا ، وهذه الظاهرة مستخدمة بالفعل لأغراض عملية في بعض المجالات ، على سبيل المثال ، في مغناطيس تركيبات التصوير المقطعي النووي أو مسرعات الجسيمات. ومع ذلك ، يجب تبريد المواد فائقة التوصيل الحالية إلى درجات حرارة منخفضة للغاية من أجل اكتساب خصائصها. لكن التجارب التي أجراها العلماء على مدار هذا العام والعام الماضي أسفرت عن بعض النتائج غير المتوقعة التي يمكن أن تغير الوضع الحالي لتكنولوجيا الموصل الفائق.

فريق دولي من العلماء بقيادة علماء من معهد ماكس بلانك لبنية وديناميات المادة لهيكل وديناميكيات المادة) ، بالعمل مع واحدة من أكثر المواد الواعدة - الموصل الفائق لدرجات الحرارة العالية من النحاس والباريوم وأكسيد الإيتريوم (YBa2Cu3O6 + x ، YBCO) ، وجد أن التأثير على هذا مادة السيراميكتتسبب نبضات ضوء الليزر بالأشعة تحت الحمراء في أن تغير بعض ذرات هذه المادة موقعها في الشبكة البلورية لفترة قصيرة ، مما يزيد من مظهر تأثير الموصلية الفائقة.

بلورات مركب YBCO لها هيكل غير عادي للغاية. خارج هذه البلورات توجد طبقة من أكسيد النحاس تغطي الطبقات الوسيطة التي تحتوي على الباريوم والإيتريوم والأكسجين. ينشأ تأثير الموصلية الفائقة عند التشعيع بضوء الليزر على وجه التحديد في الطبقات العليا من أكسيد النحاس ، حيث يوجد تكوين مكثف لأزواج الإلكترونات ، ما يسمى أزواج كوبر. يمكن أن تتحرك هذه الأزواج بين طبقات البلورة بسبب تأثير النفق ، وهذا يشير إلى الطبيعة الكمية للتأثيرات المرصودة. وفي ظل الظروف العادية ، تصبح بلورات YBCO موصلات فائقة فقط عند درجات حرارة أقل من النقطة الحرجة لهذه المادة.

في التجارب التي أجريت في عام 2013 ، وجد العلماء أن إضاءة بلورة YBCO بنبضات ليزر الأشعة تحت الحمراء عالية الطاقة تؤدي إلى أن تصبح المادة فائقة التوصيل لفترة وجيزة حتى في درجة حرارة الغرفة. من الواضح أن ضوء الليزر له تأثير على الالتصاق بين طبقات المادة ، على الرغم من أن آلية هذا التأثير لا تزال غير واضحة تمامًا. ولمعرفة كل تفاصيل ما يحدث ، لجأ العلماء إلى إمكانيات ليزر LCLS ، أقوى ليزر للأشعة السينية حتى الآن.

"بدأنا بضرب المادة بنبضات من ضوء الأشعة تحت الحمراء ، مما أثار بعض الذرات ، مما تسبب في اهتزازها بسعة قوية إلى حد ما."
يقول رومان مانكوفسكي ، الفيزيائي في معهد ماكس بلانك ،"ثم استخدمنا نبضة ليزر بالأشعة السينية ، مباشرة بعد نبضة ليزر الأشعة تحت الحمراء ، لقياس القيمة الدقيقة لعمليات الإزاحة التي حدثت في الشبكة البلورية."

أظهرت النتائج التي تم الحصول عليها أن نبضة الأشعة تحت الحمراء لا تثير فقط وتسبب اهتزاز الذرات ، بل أدى تأثيرها إلى إزاحة من موقعها في الشبكة البلورية. أدى هذا إلى جعل المسافة بين طبقات أكسيد النحاس وطبقات البلورة الأخرى أصغر لفترة قصيرة جدًا ، مما أدى بدوره إلى زيادة في مظهر تأثير الربط الكمي بينهما. ونتيجة لذلك ، تصبح البلورة موصلاً فائقًا في درجة حرارة الغرفة ، على الرغم من أن هذه الحالة لا يمكن أن تدوم إلا لبضع ثوانٍ.

"ستسمح لنا نتائجنا بإجراء بعض التغييرات وتحسين النظرية الحالية للموصلات الفائقة عالية الحرارة. بالإضافة إلى ذلك ، ستوفر بياناتنا مساعدة لا تقدر بثمن لعلماء المواد الذين يطورون مواد جديدة فائقة التوصيل عالية الحرارة مع درجة حرارة حرجة عالية. - يقول رومان مانكوفسكي ، -"وفي النهاية ، آمل أن يؤدي كل هذا إلى تحقيق حلم مادة فائقة التوصيل تعمل في درجة حرارة الغرفة ، والتي لا تحتاج إلى التبريد على الإطلاق. وظهور مثل هذه المادة ، بدوره ، سيكون قادرًا على توفير الكثير من الاختراقات في العديد من المجالات الأخرى التي تستخدم ظاهرة الموصلية الفائقة لصالحها.