از کشف ابررسانایی در سال 1911 میلادی تا سال 1986 ، باور عموم بر آن بود که ابررسانایی فقط می تواند در فلزاتی در دماهای بسیار پایین وجود داشته باشد، که فقط در دماهای حداکثر 25 درجه بالای صفر مطلق اتفاق می افتاد. با کشف ابررسانایی در دماهای بالاتر در سال 1986 ، در موادی که تقریبا ضد فرو مغناطیسی بودند، و در هواپیماهای شامل a nearly square array of اتم های مس و اکسیژن، فصل جدیدی در علم فیزیک باز کرد. حقیقتا، درک ظاهر شدن ابررسانایی در دماهای بالا (حداکثر دمای 160 کلوین) یک مساله ی بزرگ برای بحث کردن می باشد. تا آن جا که امروزه بیش از ده هزار محقق روی این موضوع تحقیق و بررسی انجام می دهند.
پس از مقدمه ای بر مفاهیم پایه ی فلزات معمولی و مرسوم، دمای پایین، و ابررسانایی، مروری بر نتایج مشاهدات انجام شده در دهه ی گذشته خواهم داشت ، که نشان می دهند ابررساناهای دمای بالا فلزات عجیبی با خواص غیرعادی بسیار بالای ابررسانایی می باشند. سپس، پیشرفت های نظری اخیری را شرح خواهم داد که طبیعت چنین فلزات عجیب را آشکار می سازد، و به شدت این پیشنهاد را که "تعامل مغناطیسی بین تحریکات ذره ی quasi مسطح است که رفتار حالت عادی آن ها را به هم می زند و باعث روی دادن حالت ابررسانایی در دماهای بالا می شود" پشتیبانی و تایید می کنند.
مقدمه :
در سال 1911 ، H. Kamerlingh-Onnes هنگام کار کردن در آزمایشگاه دمای پایین خود کشف کرد که در دمای چند درجه بالای صفر مطلق، جریان الکتریسیته می تواند بدون هیچ اتلاف اختلاف پتانسیل در فلز جیوه جریان پیدا کند. او این واقعه ی منحصر به فرد را "ابررسانایی" (Superconductivity) نامید. هیچ نظریه ای برای توضیح این رخداد در طول پنجاه و شش سال بعد از کشف ارائه نگردید. تا وقتی که در 1957 ، در دانشگاه الینویس ، سه فیزیکدان : John Bardeen ، Leon Cooper ، و Robert Schrieffer نظریه ی میکروسکوپی خود ارائه کردن که بعدا با نام تئوری BCS (حروف ابتدایی نام محققان ) شناخته شد. سومین رخداد مهم در تاریخ ابررسانایی در سال 1986 اتفاق افتاد، وقتی که George Bednorz و Alex Mueller ، در حال کار کردن در آزمایشگاه IBM نزدیک شهر زوریخ سوئیس، یک کشف مهم دیگر کردند : ابررسانایی در دماهای بالاتر از دماهایی که قبلا برای ابررسانایی شناخته شده بودند در فلزاتی کاملا متفاوت از آنچه قبلا فلز ابررسانا شناخته می شود. این کشف باعث ایجاد زمینه ی جدید ی در علم فیزیک شد : مطالعه ابررسانایی دمای بالا،
در این مقاله، که برای غیر متخصص ها تنظیم گشته است، این را که ما چقدر در فهم دمای بالا پیشرفت کرده ایم را توضیح خواهم داد و درباره چشم انداز های آینده ی توسعه ی یک نظریه ی میکروسکوپی بحث خواهم کرد. من با مروری بر برخی مفاهیم پایه ی نظریه ی فلزات شروع می کنم؛ برخی اقدامات که منجر به ارائه ی نظریه BCS گشت را توضیح می دهم؛ و کمی در باره ی تئوری BCS بحث خواهم کرد و آن را توضیح خواهم داد. سپس مختصرا در باره ی پیشرفت هایی که به فهم ما از ابررسانایی و ابرسیالی، در جهان ارائه شده است، بحث خواهم کرد، پیشرفت هایی که بوسیله الهام از تئوری BCS بدست آمده اند. که شامل کشف رده های زیادی از مواد ابرسیال می باشد، از هلیوم 3 مایع که چند میلی درجه بالاتر از صفر مطلق به حالت ابرسیالی در می آید تا ماده ی نوترون موجود در پوسته ی سیاره ی نوترون، که در چند میلیون درجه به حالت ابرسیالی در می آید. سپس درباره ی تاثیرات کشف مواد ابررسانای دمای بالا بحث خواهم کرد ، و برخی نتایج تجربی کلیدی را جمع بندی خواهم کرد. سپس یک مدل برای ابررسانایی دمای بالا ارائه خواهم داد ، نزدیک به نظریه ی ضد فرومغناطیسی مایع فرمی ، که به نظر دارای توانایی ارائه ی مقدار زیادی از خواص غیرعادی حالت معمولی مواد ابررسانای سطح بالا می باشد. من با یک توضیح تجربی برای خواص جالب توجه حالت عادی ابررساناهای پیش بینی شده و در دست بررسی جمع بندی و نتیجه گیری می کنم، که یک رده جالب از مواد را معرفی می کند : مواد قابل تطبیق پیچیده . که در آن بازخورد غیرخطی طبیعی، چه مثبت و چه منفی، نقشی حیاتی در تعیین رفتار سیستم باز ی می کنند.
ابررساناهای مرسوم : از کشف تا درک
... در سخنرانی نوبل خود در سال 1913 ، Kammerlingh-Onnes گزارش داد که "جیوه در 4.2 درجه کلوین به حالت جدیدی وارد می شود، حالتی که با توجه به خواص الکتریکی آن، می تواند ابررسانایی نام بگیرد. او گزارش داد که این حالت می تواند به وسیله ی اعمال میدان مغناطیسی به اندازه ی کافی بزرگی از بین برود. در حالی که یک جریان القاء شده در یک حلقه بسته ابررسانا به مدت زمان فوق العاده زیادی باقی می ماند و از بین نمی رود. او این رخداد را به طور عملی با آغاز یک جریان ابررسانایی در یک سیم پیچ در آزمایشگاه لیدن، و سپس حمل سیم پیچ همراه با سرد کننده ای که آن را سرد نگه می داشت به دانشگاه کمبریج به عموم نشان داد.
این موضوع که ابررسانایی مساله ای به این مشکلی ارائه کرد که 46 سال طول کشید تا حل شود، خیلی شگفت آور می باشد. دلیل اول این می تواند باشد که جامعه ی فیزیک تا حدود بیست سال مبانی علمی لازم برای ارائه ی راه حل برای این مسئله را نداشت : تئوری کوانتوم فلزات معمولی. دوم اینکه، تا سال 1934 هیچ آزمایش اساسی در این زمینه انجام نشد. سوم اینکه، وقتی مبانی عملی لازم بدست آمد، به زودی واضح شد انرژی مشخصه وابسته به تشکیل ابررسانایی بسیار کوچک می باشد، حدود یک میلیونیم انرژی الکترونیکی مشخصه ی حالت عادی. بنابراین، نظریه پردازان توجه شان را به توسعه ی یک تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب کردند. این مسیر را Fritz London رهبری می کرد. کسی که در سال 1953 به نکته ی زیر اشاره کرد : "ابررسانایی یک پدیده کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی می باشد ... با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریک شده بوسیله ی وقفه های زمانی." و اینکه "diamagntesim یک مشخصه بنیادی می باشد."
اجازه بدهید کمی درباره ی مبانی علمی کوانتومی بحث کنیم. الکترون ها در فلز در پتانسیل متناوب تولید شده از نوسان یون ها حول وضعیتشان حرکت می کنند. حرکت یون ها را می توان بوسیله ی مد های جمعی کوانتیزه شده ی آنها، فونون ها، توجیه کرد. سپس در طی توسعه ی نظریه ی کوانتوم، نظریه ی پاولی اصل انفجار وجود دارد ، که معنای آن بیانگر مفهوم آن است و آن اینکه - الکترونها به صورت اسپین نیمه کامل ذاتی (half integral intrinsic spin) قرار می گیرند، و در نتیجه هیچ الکترونی نمی تواند طوری قرار بگیرد که عدد کوانتوم آنها با هم یکی باشد. ذراتی که به صورت اسپین نیمه کامل ذاتی قرار می گیرند با نام فرمیون ها (fermions) شناخته می شوند، به خاطر گرامیداشت کار های فرمی (Fermi) که ، همراه با دیاک (Diac) ، نظریه ی آماری رفتار الکترون در دماهای محدود را توسعه دادند، این تئوری با نام Fermi-Diac statistics شناخته می شود. در توضیح فضای اندازه حرکت یک فلز ساده، حالت پایه یک کره در فضای اندازه ی حرکت می باشد، که اندازه ی شعاع آن، pf بوسیله ی چگالی فلز تعیین می گردد. انرژی خارجی ترین الکترون ها، در مقایسه با انرژی گرمایی میانگین آن ها، Kt بسیار بزرگ می باشد. به عنوان نتیجه، تنها بخش کوچکی از الکترون ها ، ، در بالاتر از حالت پایه تحریک می شوند. الکترون ها با هم دیگر ( قانون کلمب ) و با فونون ها تعامل می کنند و رابطه دارند. تحریکات ابتدائی آن ها ذرات quasi ، (quasiparticles) می باشند ، الکترون ها با ضافه ی ابر الکترونی وابسته به آنها و فونون هایی که هنگام حرکت از میان شبکه الکترون را همراهی می کند. یک بحث و مذاکره ی ابتدائی نشان می دهد که طول عمر یک quasiparticle تحریک شده بالای سطح فرمی ( سطح کره ی فرمی ) تقریبا برابر می باشد. مساله و مشکلی که برای نظریه پردازان در رابطه با این مساله پیش آمده، فهم چگونگی تحمل پذیری الکترون ها ی تعامل کننده هنگام رفتن به حالت ابررسانایی ، می باشد. این امر چگونه انجام می شود ؟ توضیح ریاضی مناسب برای این امر چه می باشد ؟