अतिचालकता की परिघटना क्या है? अतिचालकता शून्य विद्युत प्रतिरोध और चुंबकीय प्रवाह क्षेत्रों की रिहाई के साथ एक घटना है जो कुछ सामग्रियों में होती है, जिन्हें सुपरकंडक्टर्स कहा जाता है, जब एक विशिष्ट महत्वपूर्ण तापमान से नीचे ठंडा किया जाता है।
इस घटना की खोज डच भौतिक विज्ञानी हेइक कामेरलिंग-ओन्स ने 8 अप्रैल, 1911 को लीडेन में की थी। फेरोमैग्नेटिज्म और परमाणु वर्णक्रमीय रेखाओं की तरह, अतिचालकता एक क्वांटम यांत्रिक घटना है। यह मीस्नर प्रभाव की विशेषता है - अतिचालक अवस्था में संक्रमण के दौरान सुपरकंडक्टर के अंदर से चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं का पूर्ण निष्कासन।
यह अतिचालकता की परिघटना का सार है। मीस्नर प्रभाव का उद्भव इंगित करता है कि अतिचालकता को केवल शास्त्रीय भौतिकी में आदर्श चालकता के आदर्शीकरण के रूप में नहीं समझा जा सकता है।
अतिचालकता की परिघटना क्या है
धातु कंडक्टर का विद्युत प्रतिरोध धीरे-धीरे कम हो जाता हैतापमान कम करना। तांबे या चांदी जैसे सामान्य कंडक्टरों में, यह कमी अशुद्धियों और अन्य दोषों से सीमित होती है। निरपेक्ष शून्य के पास भी, एक सामान्य कंडक्टर का वास्तविक नमूना कुछ प्रतिरोध दिखाता है। एक सुपरकंडक्टर में, जब सामग्री को उसके महत्वपूर्ण तापमान से नीचे ठंडा किया जाता है, तो प्रतिरोध तेजी से शून्य हो जाता है। सुपरकंडक्टिंग तार के एक लूप के माध्यम से विद्युत प्रवाह को बिना किसी शक्ति स्रोत के अनिश्चित काल तक बनाए रखा जा सकता है। यह इस प्रश्न का उत्तर है कि अतिचालकता की परिघटना क्या है।
इतिहास
1911 में, बहुत कम तापमान पर पदार्थ के गुणों का अध्ययन करते हुए, डच भौतिक विज्ञानी हेइक कामरलिंग ओन्स और उनकी टीम ने पाया कि पारा का विद्युत प्रतिरोध 4.2 K (-269°C) से नीचे शून्य हो जाता है। अतिचालकता की घटना का यह पहला अवलोकन था। अधिकांश रासायनिक तत्व कम तापमान पर अतिचालक बन जाते हैं।
एक निश्चित महत्वपूर्ण तापमान के नीचे, सामग्री एक अतिचालक अवस्था में चली जाती है, जिसमें दो मुख्य गुण होते हैं: पहला, वे विद्युत प्रवाह के पारित होने का विरोध नहीं करते हैं। जब प्रतिरोध शून्य हो जाता है, तो बिना ऊर्जा अपव्यय के सामग्री के भीतर धारा प्रवाहित हो सकती है।
दूसरा, बशर्ते कि वे पर्याप्त रूप से कमजोर हों, बाहरी चुंबकीय क्षेत्र सुपरकंडक्टर में प्रवेश नहीं करते हैं, लेकिन इसकी सतह पर बने रहते हैं। 1933 में एक भौतिक विज्ञानी द्वारा पहली बार देखे जाने के बाद इस क्षेत्र निष्कासन घटना को मीस्नर प्रभाव के रूप में जाना जाने लगा।
तीन नाम, तीन अक्षर और एक अधूरा सिद्धांत
साधारण भौतिकी पर्याप्त नहीं देतीसुपरकंडक्टिंग अवस्था की व्याख्या, साथ ही ठोस अवस्था का प्राथमिक क्वांटम सिद्धांत, जो एक क्रिस्टल जाली में आयनों के व्यवहार से अलग इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार पर विचार करता है।
केवल 1957 में, तीन अमेरिकी शोधकर्ताओं - जॉन बार्डीन, लियोन कूपर और जॉन श्राइफ़र ने अतिचालकता का सूक्ष्म सिद्धांत बनाया। उनके बीसीएस सिद्धांत के अनुसार, इलेक्ट्रॉनों को जाली कंपन (तथाकथित "फोनन") के साथ बातचीत के माध्यम से जोड़े में जोड़ा जाता है, इस प्रकार कूपर जोड़े बनते हैं जो एक ठोस के अंदर घर्षण के बिना चलते हैं। एक ठोस को इलेक्ट्रॉनों के एक बादल में डूबे हुए सकारात्मक आयनों की जाली के रूप में देखा जा सकता है। जब एक इलेक्ट्रॉन इस जाली से होकर गुजरता है, तो इलेक्ट्रॉन के ऋणात्मक आवेश से आकर्षित होकर आयन थोड़ा हिलते हैं। यह गति एक विद्युत धनात्मक क्षेत्र उत्पन्न करती है, जो बदले में दूसरे इलेक्ट्रॉन को आकर्षित करती है।
इलेक्ट्रॉनिक संपर्क की ऊर्जा काफी कमजोर होती है, और वाष्प को तापीय ऊर्जा से आसानी से तोड़ा जा सकता है - इसलिए अतिचालकता आमतौर पर बहुत कम तापमान पर होती है। हालांकि, बीसीएस सिद्धांत लगभग 80 के (-193 डिग्री सेल्सियस) और उससे ऊपर के उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स के अस्तित्व के लिए स्पष्टीकरण प्रदान नहीं करता है, जिसके लिए अन्य इलेक्ट्रॉन-बाध्यकारी तंत्र शामिल होना चाहिए। अतिचालकता की परिघटना का अनुप्रयोग उपरोक्त प्रक्रिया पर आधारित है।
तापमान
1986 में, कुछ कप्रेट-पेरोव्स्काइट सिरेमिक सामग्री में 90 K (-183 °C) से ऊपर महत्वपूर्ण तापमान पाया गया। यह उच्च जंक्शन तापमान सैद्धांतिक रूप से हैएक पारंपरिक सुपरकंडक्टर के लिए असंभव है, जिसके कारण सामग्री को उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स के रूप में संदर्भित किया जाता है। उपलब्ध शीतलन तरल नाइट्रोजन 77 K पर उबलता है, और इस प्रकार इससे अधिक तापमान पर अतिचालकता कई प्रयोगों और अनुप्रयोगों की सुविधा प्रदान करती है जो कम तापमान पर कम व्यावहारिक होते हैं। यह इस प्रश्न का उत्तर है कि अतिचालकता की घटना किस तापमान पर होती है।
वर्गीकरण
सुपरकंडक्टर्स को कई मानदंडों के अनुसार वर्गीकृत किया जा सकता है जो उनके भौतिक गुणों में हमारी रुचि पर निर्भर करते हैं, उनके बारे में हमारी समझ पर, उन्हें ठंडा करना कितना महंगा है, या उस सामग्री पर निर्भर करता है जिससे वे बने हैं।
अपने चुंबकीय गुणों से
टाइप I सुपरकंडक्टर्स: जिनके पास केवल एक महत्वपूर्ण क्षेत्र है, एचसी, और एक राज्य से दूसरे राज्य में अचानक संक्रमण जब यह पहुंच जाता है।
टाइप II सुपरकंडक्टर्स: दो महत्वपूर्ण क्षेत्र, एचसी 1 और एचसी 2, निचले महत्वपूर्ण क्षेत्र (एचसी 1) के तहत सही सुपरकंडक्टर्स होने और ऊपरी महत्वपूर्ण क्षेत्र (एचसी 2) के ऊपर एक मिश्रित स्थिति में सुपरकंडक्टिंग राज्य को पूरी तरह से छोड़कर महत्वपूर्ण क्षेत्र।
जैसा कि हम उन्हें उनके बारे में समझते हैं
साधारण सुपरकंडक्टर्स: जिन्हें बीसीएस सिद्धांत या संबंधित सिद्धांतों द्वारा पूरी तरह से समझाया जा सकता है।
अपरंपरागत सुपरकंडक्टर्स: जिन्हें ऐसे सिद्धांतों का उपयोग करके समझाया नहीं जा सकता है, उदाहरण के लिए: भारी फर्मोनिकअतिचालक।
यह मानदंड महत्वपूर्ण है क्योंकि बीसीएस सिद्धांत 1957 से पारंपरिक सुपरकंडक्टर्स के गुणों की व्याख्या कर रहा है, लेकिन दूसरी ओर, पूरी तरह से अपरंपरागत सुपरकंडक्टर्स की व्याख्या करने के लिए कोई संतोषजनक सिद्धांत नहीं है। ज्यादातर मामलों में, टाइप I सुपरकंडक्टर्स आम हैं, लेकिन कुछ अपवाद हैं, जैसे नाइओबियम, जो सामान्य और टाइप II दोनों है।
उनके महत्वपूर्ण तापमान से
निम्न तापमान सुपरकंडक्टर्स, या एलटीएस: जिनका महत्वपूर्ण तापमान 30 K से नीचे है।
उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स, या एचटीएस: जिनका महत्वपूर्ण तापमान 30 K से ऊपर है। कुछ अब 77 K का उपयोग एक पृथक्करण के रूप में करते हैं ताकि इस बात पर जोर दिया जा सके कि क्या हम तरल नाइट्रोजन (जिसका क्वथनांक 77 K है) के साथ नमूना ठंडा कर सकते हैं, जो तरल हीलियम (कम तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स के उत्पादन के लिए आवश्यक तापमान तक पहुंचने का एक विकल्प) की तुलना में बहुत अधिक व्यवहार्य है।
अन्य विवरण
एक सुपरकंडक्टर टाइप I हो सकता है, जिसका अर्थ है कि इसका एक एकल महत्वपूर्ण क्षेत्र है, जिसके ऊपर सभी सुपरकंडक्टिविटी खो जाती है, और जिसके नीचे सुपरकंडक्टर से चुंबकीय क्षेत्र पूरी तरह से समाप्त हो जाता है। टाइप II, जिसका अर्थ है कि इसके दो महत्वपूर्ण क्षेत्र हैं जिनके बीच यह पृथक बिंदुओं के माध्यम से चुंबकीय क्षेत्र के आंशिक प्रवेश की अनुमति देता है। इन बिंदुओं को भंवर कहा जाता है। इसके अलावा, मल्टीकंपोनेंट सुपरकंडक्टर्स में, दो व्यवहारों का संयोजन संभव है। इस मामले में, सुपरकंडक्टर 1, 5 प्रकार का होता है।
गुण
सुपरकंडक्टर्स के अधिकांश भौतिक गुण सामग्री से सामग्री में भिन्न होते हैं, जैसे गर्मी क्षमता और महत्वपूर्ण तापमान, महत्वपूर्ण क्षेत्र और महत्वपूर्ण वर्तमान घनत्व जिस पर अतिचालकता टूट जाती है।
दूसरी ओर, गुणों का एक वर्ग है जो आधार सामग्री से स्वतंत्र है। उदाहरण के लिए, सभी सुपरकंडक्टर्स में कम लागू धाराओं पर बिल्कुल शून्य प्रतिरोधकता होती है, जब कोई चुंबकीय क्षेत्र नहीं होता है, या जब लागू क्षेत्र एक महत्वपूर्ण मान से अधिक नहीं होता है।
इन सार्वभौमिक गुणों की उपस्थिति का तात्पर्य है कि अतिचालकता एक थर्मोडायनामिक चरण है और इसलिए इसमें कुछ विशिष्ट गुण होते हैं जो सूक्ष्म विवरण से काफी हद तक स्वतंत्र होते हैं।
सुपरकंडक्टर में स्थिति अलग है। एक पारंपरिक सुपरकंडक्टर में, इलेक्ट्रॉन तरल को अलग-अलग इलेक्ट्रॉनों में अलग नहीं किया जा सकता है। इसके बजाय, इसमें कूपर जोड़े के रूप में जाने वाले इलेक्ट्रॉनों के बाध्य जोड़े होते हैं। यह युग्मन फोनन के आदान-प्रदान के परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉनों के बीच आकर्षक बल के कारण होता है। क्वांटम यांत्रिकी के कारण, कूपर जोड़ी के इस तरल के ऊर्जा स्पेक्ट्रम में एक ऊर्जा अंतराल होता है, अर्थात, न्यूनतम मात्रा में ऊर्जा ΔE होती है जिसे तरल को उत्तेजित करने के लिए आपूर्ति की जानी चाहिए।
इसलिए, यदि ΔE, kT द्वारा दी गई झंझरी की ऊष्मीय ऊर्जा से अधिक है, जहां k बोल्ट्जमान स्थिरांक है और T तापमान है, तो झंझरी द्वारा तरल बिखरा नहीं जाएगा। इसलिएइस प्रकार, कूपर वाष्प तरल सुपरफ्लुइड है, जिसका अर्थ है कि यह ऊर्जा को नष्ट किए बिना बह सकता है।
अतिचालकता विशेषताएँ
अतिचालक पदार्थों में, अतिचालकता विशेषताएँ तब प्रकट होती हैं जब तापमान T महत्वपूर्ण तापमान Tc से नीचे चला जाता है। इस महत्वपूर्ण तापमान का मान सामग्री से सामग्री में भिन्न होता है। पारंपरिक सुपरकंडक्टर्स में आमतौर पर महत्वपूर्ण तापमान लगभग 20 K से लेकर 1 K से कम होता है।
उदाहरण के लिए, ठोस पारा का महत्वपूर्ण तापमान 4.2 K है। 2015 तक, पारंपरिक सुपरकंडक्टर के लिए पाया जाने वाला उच्चतम महत्वपूर्ण तापमान H2S के लिए 203 K है, हालांकि लगभग 90 गीगापास्कल के उच्च दबाव की आवश्यकता थी। कप्रेट सुपरकंडक्टर्स में बहुत अधिक महत्वपूर्ण तापमान हो सकते हैं: YBa2Cu3O7, खोजे गए पहले कप्रेट सुपरकंडक्टर्स में से एक, का महत्वपूर्ण तापमान 92 K है, और पारा-आधारित कप्रेट 130 K से अधिक महत्वपूर्ण तापमान वाले पाए गए हैं। इन उच्च महत्वपूर्ण तापमानों के लिए स्पष्टीकरण बना हुआ है अज्ञात।
फोनन एक्सचेंजों के कारण इलेक्ट्रॉन युग्मन पारंपरिक सुपरकंडक्टर्स में सुपरकंडक्टिविटी की व्याख्या करता है, लेकिन नए सुपरकंडक्टर्स में सुपरकंडक्टिविटी की व्याख्या नहीं करता है, जिसमें बहुत अधिक महत्वपूर्ण तापमान होता है।
चुंबकीय क्षेत्र
इसी तरह, महत्वपूर्ण तापमान के नीचे एक निश्चित तापमान पर, अतिचालक सामग्री अतिचालकता को रोक देती है जब एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र लागू किया जाता है जो इससे अधिक होता हैमहत्वपूर्ण चुंबकीय क्षेत्र। ऐसा इसलिए है क्योंकि सुपरकंडक्टिंग चरण की गिब्स मुक्त ऊर्जा चुंबकीय क्षेत्र के साथ द्विघात रूप से बढ़ती है, जबकि सामान्य चरण की मुक्त ऊर्जा चुंबकीय क्षेत्र से लगभग स्वतंत्र होती है।
यदि सामग्री क्षेत्र की अनुपस्थिति में अतिचालक है, तो अतिचालक चरण की मुक्त ऊर्जा सामान्य चरण की तुलना में कम है, और इसलिए, चुंबकीय क्षेत्र के कुछ परिमित मान (वर्ग के आनुपातिक) के लिए शून्य पर मुक्त ऊर्जा में अंतर की जड़), दो मुक्त ऊर्जा बराबर होगी, और सामान्य चरण में एक चरण संक्रमण होगा। अधिक सामान्यतः, एक उच्च तापमान और एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र के परिणामस्वरूप सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रॉनों का एक छोटा अनुपात होता है और इसलिए बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों और धाराओं के लंदन में प्रवेश की अधिक गहराई होती है। चरण संक्रमण में प्रवेश गहराई अनंत हो जाती है।
शारीरिक
अतिचालकता की शुरुआत विभिन्न भौतिक गुणों में अचानक परिवर्तन के साथ होती है, जो एक चरण संक्रमण की पहचान है। उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉन ताप क्षमता सामान्य (अतिचालक नहीं) शासन में तापमान के समानुपाती होती है। अतिचालक संक्रमण में, यह एक छलांग का अनुभव करता है और उसके बाद यह रैखिक होना बंद कर देता है। कम तापमान पर, यह कुछ स्थिर α के लिए e−α/T के बजाय बदल जाता है। यह घातीय व्यवहार ऊर्जा अंतराल के अस्तित्व के प्रमाणों में से एक है।
चरण परिवर्तन
अतिचालकता की घटना की व्याख्या काफी हैज़ाहिर तौर से। सुपरकंडक्टिंग चरण संक्रमण के क्रम पर लंबे समय से चर्चा की गई है। प्रयोगों से पता चलता है कि कोई दूसरे क्रम का संक्रमण नहीं है, यानी गुप्त गर्मी। हालांकि, बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में, गुप्त गर्मी होती है क्योंकि सुपरकंडक्टिंग चरण में सामान्य चरण की तुलना में महत्वपूर्ण तापमान से कम एन्ट्रॉपी कम होती है।
प्रयोगात्मक रूप से निम्नलिखित का प्रदर्शन किया: जब चुंबकीय क्षेत्र बढ़ता है और महत्वपूर्ण क्षेत्र से आगे निकल जाता है, तो परिणामी चरण संक्रमण से सुपरकंडक्टिंग सामग्री के तापमान में कमी आती है। अतिचालकता की घटना का संक्षेप में ऊपर वर्णन किया गया है, अब समय आ गया है कि आप इस महत्वपूर्ण प्रभाव की बारीकियों के बारे में कुछ बताएं।
1970 के दशक में की गई गणनाओं से पता चला कि विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में लंबी दूरी के उतार-चढ़ाव के प्रभाव के कारण यह वास्तव में पहले क्रम से कमजोर हो सकता है। 1980 के दशक में, यह सैद्धांतिक रूप से विकार क्षेत्र सिद्धांत का उपयोग करके दिखाया गया था, जिसमें सुपरकंडक्टर भंवर रेखाएं एक प्रमुख भूमिका निभाती हैं, कि संक्रमण प्रकार II मोड में दूसरा क्रम है और टाइप I मोड में पहला क्रम (यानी, गुप्त गर्मी) है, और कि दो क्षेत्रों को एक त्रिकोणीय बिंदु से अलग किया जाता है।
मोंटे कार्लो में कंप्यूटर सिमुलेशन द्वारा परिणामों की दृढ़ता से पुष्टि की गई। इसने अतिचालकता की परिघटना के अध्ययन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। कार्य वर्तमान समय में भी जारी है। अतिचालकता की घटना का सार आधुनिक विज्ञान के दृष्टिकोण से पूरी तरह से समझा और समझाया नहीं गया है।
