کل مقاله 104 صفحهفيزيك حالت جامد به زمينه گسترده‌اي از ويژگيهاي مختلف مواد مي‌پردازد. مواد، بنابر خاصيت الكتريكي يا مغناطيسي كه خود بروز مي‌دهند در يكي از گروههاي سراميكها، نارساناها، نيمرساناها، رساناها، ابر رساناها، و يا مواد مغناطيسي قرار مي‌گيرند. با وجودي كه كتابهاي نوشته شده با عنوان عام فيزيك حالت جامد و يا با عنوانهاي اختصاصي مثل فيزيك نيمرساناها، فيزيك ابر رساناها، فيزيك مواد مغناطيسي، و غيره بسيار زيادند ولي متاسفانه كتابهايي كه در زمينه فيزيك حالت جامد يا هر يك از زير شاخه هاي آن به فارسي برگردانده شده‌اند بسيار كم و حتي به تعداد انگشتان دست هم نمي رسد.70 سال از كشف ابر رسانايي مي‌گذرد ولي تنها در خلال دو دهه گذشته بوده است كه ابررساناها از اجسام مرموز مورد استفاده فيزيكدانها دز آزمايشهايشان به موادي با اهميت كاربردي تغيير ماهيت داده اند. فن آوريهاي تازه اي ظهور كردند كه در آنها از مواد ابر رساناها براي توسعه قطعات الكترونيك با حساسيت و دقت بالا از قبيل تابش سنج ها، تشديد كننده هاي بسامد بالا، مخلوط برخوردار مي‌شوند. اكنون برنامه هاي پژوهشي با هدف توسعه قطعات منطقي و حافظه براي رايانه ها بر پايه ابر رساناها در حال اجراست.به خاطر اين توسعه ها، تعداد قابل توجهي از متخصصين به طور روزمره با پديده ابر رساناي سرو كار دارند. اكنون دوره هاي آموزشي مناسب در برخي از دانشگاهها و كالجهاي فني ارائه مي‌شود.در حال حاضر، چند كتاب كاملا عمومي در زمينه ابر رسانايي در دسترس اند. اين كتابها عبارتند از: كتابهاي نوشته شده توسط آ. سي. رز- اينز و اي. اچ ]1[، اي. آ. لينتون ]2[، ام. تينخام ]3[، پي. جي. دجنز ]4[، و دي. آر. تيلي و جر . تيلي ]5[ هر يك از اين كتابها در نوع خود عالي است. ولي برخي از آنها، مثل ]3و4[ نياز به زمينه خوبي در فيزيك نظري دارند در حالي كه كتابهاي ديگر تصويري كاملا به روز از فيزيك ابر رساناها به دست نمي دهند. 1-1-1 كشف ابر رساناييابر رسانايي در سال 1911 در آزمايشگاه ليدن كشف شد. اچ. كامرلينگ اونس به هنگام مطالعه وابستگي دمايي مقاومت ويژه الكتريك نمونه اي از جيوه، مشاهده كرد كه در دمايT*نزديك به k4، مقاومت نمونه ناگهان به صفر سقوط مي‌كند و در همه دماهاي دسترس پذير زير T* مقاومت ديگر قابل اندازه گيري نيست ]6[. نكته مهم اين كه با كاهش دما مقاومت ناگهان به صفر مي‌رسيد نه به تدريج، آشكار بود كه نمونه بايد دستخوش گذاري به حالت جديدي با مقاومت الكتريكي صفر شده باشد كه در آن زمان ناشناخته بوده است. اين پديده را ابررسانايي ناميدند.هر گونه تلاش براي يافتن كوچكترين اثري از مقاومت در ابررساناهاي كپه اي، راه به جايي نبرد. با توجه به حساسيت وسايل اندازه گيري جديد، مي‌توان گفت كه مقاومت ويژه ابر رساناها، حداقل تا دقت 10-10، صفر است. در مقايسه، مي‌دانيم كه مرتبه بزرگي مقاومت ويژه مس با خلوص بالا در k2/4 برابر است با 9-10مدت كوتاهي پس از كشف ابر رسانايي در جيوه، اين خاصيت در ساير فلزات، مانند: قلع، سرب، اينديم، آلومينيوم، نيوبيم و غيره يافت شد. همچنين معلوم شد كه تعداد زيادي آلياژ و تركيبات بين فلزي نيز ابر رسانا هستند.دماي گذار از حالت عادي به ابر رسانايي را دماي بحراني Tc مي‌نامند. زمان كوتاهي پس از اين كشف معلوم شد كه نه تنها با گرم كردن نمونه، بلكه با قرار دادن آن در ميدان مغناطيسي نسبتا ضعيف مي‌توان ابر رساناي از بين برد. اين ميدان، Hcm، را ميدان بحراني ماده كپه اي مي‌خوانند.جدول 1-1 دماهاي بحراني ميدانهاي مغناطيسي بحراني عناصر ابر رسانا [v].Hcm(0)/OeTc/KعنصرHcm(0)/OeTc/Kعنصر18034/1Pa03/09/104002/0175/1Al5200006/0196/7Pb026/1Be269006/0697/1Re128002/0517/0Cd2305015/049/0Ru3/02/59001/0083/1Ga6829001/0722/3Sn128/0Hf141004/047/4Ta2411001/0154/4316001/08/7Tc339949/35602/038/1Th25/281001/0408/3In517804/040/0Ti05/016001/01125/0Ir140804/038/2Tl1080002/088/43/015/105/040/5V1600،10961/00/63/054000/50154/0W400<1/0Lu4701/0850/0Zn396005/0915/0Mo15/161/0Zr50206002/025/9Nb7003/066/0Os در اكثر نوشتارهاي انگليسي زبان، Hcm را ميدان بحراني ترموديناميكي، Hcth، مي‌نامند.جدول (1-1) مقادير Hcm،Tc را براي تعدادي از عناصر ابر رسانا نشان مي‌دهد. در اين جا Hcm(0) ميدان بحراني برون يابي شده تا صفر مطلق است. وابستگي دمايي Hcm با رابطه تجربيHcm(T)=hcm(0)[1-(T/Tc)2] (1-1)سازگاري خوبي دارد. اين وابستگي در شكل 1-1 نشان داده است كه اصولا نمودار فاز H-T حالت ابر رسانش را نشان مي‌دهد. در ناحيه سايه خورده، هر نقطه در صفحه H-T با حالت ابررسانشي همخوان است.در سالهاي اخير، واژه ابر رسانايي به صورت كلمه اي جادويي در آمده است. تصور نمي شود كه در حال حاضر فناوري جديد ديگري تا اين اندازه توجه عموم را به خود جلب كرده باشد. پس از سالهاي ابهام در مورد اين پديده، اكنون ابر رسانايي در زمينه هاي پزشكي، علوم نظري و تجربي، نظامي، ترابري، برق، الكترونيك و موارد زياد ديگري كاربرد پيدا كرده است.تقريبا همه روزه رساناهاي عمومي در سرتاسر دنيا مطالب جالب و متنوعي را درباره اين پديده، كه شديدا مورد علاقه خوانندگان و شنوندگان بسياري است، درج و پخش مي‌كنند. اگر چه غالبا تحليهاي و پيش گوييهاي دانشمندان بعد از يك دوران شكوفايي سريعا رو به افول مي‌گذارد، با اين همه تب ابر رسانايي همچنان سازمانهاي مختلف تجاري و دولتي را فرا گرفته است.در ايالات متحده، عقيده بر اين است كه ابر رسانايي نقش كليدي در آينده فناوري اين كشور بازي خواهد كرد و نيز مي‌تواند به عنوان وسيله اي كار ساز در ميدان رقابت فني با ژاپن مورد استفاده قرار گيرد. ديدگاههاي نظامي در مورد ابر رسانايي با كمي تفاوت، بيشتر بر ساخت سلاحهاي سريع و دقيق تر و نيز ابزار ديده باني متمركز مي‌شود. صرف نظر از موارد كاربردي آن، بسياري از شركتها در زمينه تجاري ابر رساناي با هم رقابت مي‌كنند.اغلب سازمانهايي كه با مسائل فني سرو كار دارند، از قبيل بل، جنرال الكتريك و آي. بي. ام با اين مساله ارتباط تنگاتنگ دارند و نيز فعاليت اصلي بسياري از شركتهاي جديدتر بر روي اين پديده متمركز است.حتي گفته مي‌شود كه از نظر فناوري، صنعت ابر رسانايي مترادف با صنعت نيمرسانايي است.به هر حال، ابر رساناي موضوعي بسيار گسترده است. كوشش براي شناخت و يادگيري اين پديده پژوهشگران را با مطالعه و بررسي زمينه هاي بالقوه ديگر آن از قبيل پزشكي، فيزيك ريز اتمي، شيمي سراميك، زير درياييهايي كه عمدتا در امور جنگي از آنها استفاده مي‌شود و حتي مسائل سياسي وامي دارد.اگر چه ابر رسانايي از سال 1911 براي دانشمندان پديده اي شناخته شده بوده است، اما اهميت آن به عنوان يك عامل بالقوه در سالهاي اخير مشخص و مورد توجه قرار گرفته است. حتي مي‌توان نقش اين پديده را در پيشبرد صنعت و فناوري با نقش ترانزيستور و ليزر در اين زمينه مقايسه كرد.ابر رسانايي پديده اي چند چهره است كه مزيتهاي بسياري را در ارتباط با فناوري روز ارائه مي‌دهد.ابر رسانايي داراي جنبه هاي بسياري است كه دانشمندان مختلف به منظور توسعه و پيشرفت اين جنبه ها، فعاليت مي‌كنند. هدف اصلي اين تلاشها به كار گيري عملي ابر رساناها در صنعت و فناوري است. همان گونه كه با قرار گرفتن تعدادي ترانزيستور در كنار قطعات ديگر وسيله اي الكترونيكي (مثلا راديو) ساخته مي‌شود، اثر كامل ابر رسانا ها نيز زماني ظاهر مي‌شود كه به شكلي عملي مورد استفاده قرار گيرند. براي رسيدن به چنين هدفي تلاش گسترده، به شكل رقابت جهاني، آغاز شده است.به منظور فهم كامل اين كشف و پي بردن به اهميت آن نياز به اين است كه در مورد الكتريسيته و جريان الكتريكي اطلاعاتي از قبل داشته باشيم. به شكل خيلي ساده، الكتريسيته حركت الكترونهاست كه جريان الكتريكي ناميده مي‌شود.دليل ايجاد چنين جرياني را در فصل بعد مطالعه خواهيم كرد، اما در حال حاضر فرض مي‌كنيم كه جرياني از الكترونها وجود داشته باشد. معمولا ماده اي را كه در آن الكترونها مي‌توانند جريان پيدا كنند رسانا مي‌نامند. براي مثال اغلب وسايل الكتريكي داراي سيمي متصل به يك دو شاخه هستند. معمولا اين سيم كه رساناست از ماده اي فلزي مانند مس ساخته شده است. زماني كه دو شاخه داخل پريز قرار مي‌گيرد جريان الكتريكي در داخل سيم برقرار مي‌شود. پريزها توسط سيمهاي ديگر به جعبه فيوز متصلند و جعبه فيوز نيز توسط سيمهاي رسانا به خطوط قدرت كه برق ساختمان را تامين مي‌كنند وصل مي‌شود.بنابراين يك رسانا ماده است كه مي‌تواند جريان الكتريكي را به خوبي از خود عبور دهد. مس رساناي بسيار خوبي است كه معمولا سيمها و كابلهاي انتقال را از آن مي‌سازند. آلومينيوم، نقره و طلا هم رساناهاي خوبي هستند. موادي از قبيل شيشه، جير و چوب كه جريان الكتريكي را هدايت نمي كنند، نارسانا يا عايق ناميده مي‌شوند. مواد ديگري كه جريان الكتريكي را تا اندازه اي هدايت مي‌كنند (نه به خوبي رساناهايي مثل مس) نيمرسانا نام دارند. به هر حال، بايد توجه داشت كه حتي بهترين رساناها (مانند مس) رساناهاي كاملي نيستند زيرا، به علت داشتن مقاومت الكتريكي، درصدي از انرژي الكتريكي عبوري از خود را هدر مي‌دهند. مقاومت مانعي در سر راه جريان الكترييسيته است و عايقها به علت داشتن مقاومت بالا جريان الكتريكي را به خوبي از خود عبور نمي دهند. اگر چه مقاومت الكتريكي نيمرسانا ها تا حدي زياد است اما آن قدر زياد نيست كه مانع عبور جريان الكتريسيته شود. مقاومت رساناها در مقابل عبور جريان كم است. علت وجود مقاومت در مواد مربوط به خواص اتمي آنها مي‌شود كه در فصل بعد مورد بحث قرار مي‌گيرد و اين اساس ظاهر شدن پديده ابر رسانايي است.قبل از سال 1911، حذف مقاومت الكتريكي حتي در بهترين رساناها امكان پذير نبود. در اين سال با كشف پديده ابررسانايي گونه اي جديد از رسانا كه (ابر رسانا) ناميده مي‌شوند تولد يافتند. به طور ساده ابر رساناها، موادي هستند كه عملا الكتريسيته را بدون هيچ مقاومتي از خود عبور مي‌دهند و در نتيجه انرژي الكتريكي به هيچ وجه تلف نمي شود . جدول 1-1 مشخصات 4 دسته از مواد را از نظر رسانايي نشان مي‌دهد.جدول 1-1 دسته بندي مواد از نظر رسانايي الكتريكيمقاومتمثالنامخيلي بالاشيشهعايقمتوسطسيليكوننيمرساتاخيلي پايينمسرساناصفربعضي از مواد مشخصابررسانا آونگي (مثلا يك تاب) را در نظر بگيريد. چنانچه به اين آونگ نيرو وارد شود و آن را از حالت تعادل خارج كند، آونگ شروع به نوسان خواهد كرد و پس از مدتي از حركت مي‌ايستد. دليل توقف آونگ آن است كه به علت وجود مقاومت هوا و نيز اصطكاك، انرژي منتقل شده به تاب از بين مي‌رود. حال آونگ يا تابي را در نظر بگيريد كه هيچ گاه متوقف نمي شود و زماني كه به نوسان در آيد براي هميشه با همان دامنه اوليه به نوسان ادامه دهد. اين مثال را مي‌تواند براي حالت ابررسانايي نيز به كار برد. همان طور كه قبلا گفته شد، در يك رسانا به سبب وجود مقاومت، انرژي الكتريكي سريعا كاهش پيدا مي‌كند، در حال كه در يك ابر رسانا جريان الكتريكي بدون هيچ گونه تغييراتي براي هميشه پايدار باقي مي‌ماند، زيرا هيچ عاملي كه بخواهد آن را متوقف سازد وجود ندارد.انس آزمايشهايش را براي كشف احتمالي ابررسانايي در فلزات ديگر هم ادامه داد. مجبور بود كه ماده را در هليوم مايع نگه دارد. هليم كه غالبا آن را به عنوان يك گاز مي‌شناسيم در حدود k4 مايع مي‌شود. انس جريان الكتريكي را به حلقه ابر رسانا (جيوه در هليم مايع) القا كرد و يك سال بعد مشاهده كرد كه اين جريان در حلقه، بدون هيچ كاهشي، هنوز در حال شارش است.پس از كشف ابر رسانايي و علي رغم شناخت اهميت آن براي چندين دهه هيچ گونه تلاشي در جهت استفاه عملي از آن انجام نشد. مانع بزرگي كه در به كار گيري ابر رساناها وجود داشت، عدم امكان دست يابي به سرماي فوق العاده مورد نياز بود. وسايل و تجهيزاتي كه براي تهيه هليم مايع و سرد كردن ماده ابررسانا لازم است پيچيده و پر هزينه مي‌باشند كه حتي امروزه هم به عنوان يك مشكل خود نمايي مي‌كند. مشكل دوم عدم توانايي ابر رساناها در تحمل ميدانهاي مغناطيسي بزرگ است. مدتهاست كه از آهن رباهاي الكتريكي براي توليد ميدان مغناطيسي القا مي‌شود. با جايگزيني ابر رسانا به جاي رساناهاي معمولي و سرد كردن حلقه به ميزان لازم، به نظر مي‌رسد كه بتوان ميدانهاي مغناطيسي بسيار قوي تر ايجاد كرد. به علاوه در اين حالت به علت عدم مقاومت الكتريكي حلقه گرم نمي شود. با وجود اين زماني كه ميدان مغناطيسي تا حد معيني افزايش يابد پديده ابر رسانايي از بين مي‌رود و ابر رسانا به يك رساناي معمولي تبديل مي‌شود. در حدود سال 1940 مشكلات مربوط به محدوديت ميدان مغناطيسي تا اندازه اي حل شد و در سالهاي اخير با ساخت وسايل پيشرفته و كشف ابر رساناي با دماي بحراني بالا، مساله رسيدن به دماي پايين مورد نياز براي ظاهر شدن پديده ابر رسانايي، تا حدي بر طرف گرديده است.همان طوركه قبلا اشاره شد، سرد كردن مواد ابر رسانا تا نزديك صفر مطلق همواره به عنوان يك مشكل مطرح بوده است. براي رسيدن به دماي k 4 از هليم مايع استفاده مي‌شود. هليم مايع بسيار گران است و تجهيزات و وسايل مورد نياز در رابطه با آن نيز فضاي نسبتا وسيعي را اشغال مي‌كند. با توجه به هزينه زياد رسيدن به دماي پايين، جايگزين كردن مواد ابر رسانا به جاي رساناهاي معمولي، عملي مقرون به صرفه نبوده است. به همين سبب از ابر رساناها بيشتر در موارد خاص از قبيل ساخت آهن رباهاي الكتريكي بسيار قوي، كه رساناهاي معمولي براي چنين كاري مناسب نيستند، استفاده شده است. بنابراين اگر ابر رسانايي بخواهد به بيرون از آزمايشگاهها پاي بگذارد و وارد صنعت و فناوري شود، در وهله اول لازم است كه مشكل سرد كردن حل گردد.براي غلبه بر اين مشكل، دو راه بديهي وجود دارد. اول پيدا كردن روشي مناسب تر براي سرد كردن ابر رساناها كه هزينه خيلي كمي را در بر داشته باشد و دوم بالا بردن دماي بحراني ابر رسانا، يعني دمايي كه در آن ماده معمولي به ابر رسانايي تغيير حالت مي‌دهد. به نظر مي‌رسد راه دوم يعني پيدا كردن مواد ابر رسانايي كه داراي دماي بحراني بالاتري هستند. روشي مناسب تر و اقتصادي تر است، زيرا گذشته از آن كه هزينه هاي مربوط به سرد كردن كاهش مي‌يابد. و وسايل خنك كننده ساده تري نيز نياز خواهيم داشت.از آن جا كه هليم مايع بهترين وسيله شناخته شده براي سرد كردن مواد تا نزديك صفر مطلق به حساب مي‌آيد، لذا موضوع ابر رسانايي مي‌بايست تا زمان كشف مواد جديد با دماي بحراني خيلي بالاتر از صفر مطلق در همان داخل آزمايشگاهها بررسي مي‌شد و راه يافتن آن به محيط بيرون هيچ گونه صرفه اقتصادي به دنبال نداشت. دانشمنداني كه با مواد مشابه آنچه كه انس استفاده مي‌كرد. كار مي‌كردند تنها توانستند به مقدار كمي دماي بحراني ابر رسانايي را با تركيب برخي مواد باهم بالا ببرند، به طوري كه در سال 1933 اين دما در حدود k10 بود. در سال 1969 اين دما به دو برابر يعني k20 رسيد كه خود قدم بزرگي بود، زيرا هيدروژن در دماي k20 به مايع تبديل مي‌شود و بنابراين براي اولين بار دانشمندان مي‌توانستند از عامل ديگري به غير از هليم به عنوان سرد كننده استفاده كنند. چهار سال بعد يعني در سال 1973، دماي بحراني به k 23 افزايش يافت. پس از آن براي حدود يك دهه پژوهشگران با ساخت مواد و آلياژهاي مختلف سعي در افزايش بيشتر دماي بحراني كردند كه اين تلاشها موفقيت چنداني را در بر نداشت.در سال 1986 دو پژوهشگر به نامهاي آلكس مولر [2] وجورج بدنورز[3] در موسسه آي. بي. ام زوريخ ماده سراميكي جديد ابر رساناي با دماي بحراني k30 را كشف كردند. اين كشف مهم باعث شد كه پژوهشگران زيادي مجددا در اين زمينه شروع به فعاليت كنند و روي مواد سراميكي مشابه با آنچه كه در موسسه آي. بي. ام كشف شد كار نمايند.در اواخر سال 1986 دماي بحراني تا k39 افزايش يافت. در فوريه سال 1987 دكتر چينگ و وچو[1] و همكارانش در دانشگاه هوستون[2] كشف ابر رساناي جديدي با دماهاي بحراني k98 را گزارش نمودند.اين كشف كل جامعه فيزيك را به هيجان آورد به لحاظ آن كه مانعي بزرگ، يعني مشكل سرد كنندگي، تا حدي از سر راه برداشته شده بود. دماي ازت مايع k77 است كه بسيار پايين تر از دماي بحراني، ابر رسانايي است كه چو گزارش كرده بود. قيمت هر ليتر ازت مايع بسيار ارزان تر از هليم و در امريكا حدود 50 سنت است. در صورتي كه هر ليتر هليم مايع چندين دلار مي‌ارزد. مزيت ديگر ازت مايع نسبت به هليم آن است كه به راحتي و با استفاده از ظروف عايق قابل حمل است. با اين كشف امكان تهيه قطعات و وسايل صنعتي توسط چنين ابر رساناهايي عملي تر به نظر مي‌رسد. با وجود اين، تلاش براي افزايش دماي بحراني در ابر رساناها خاتمه نيافته است. دانشمندان در نظر دارند. اين دما را به حدود دماي اتاق( k 293) برسانند كه در اين صورت مشكل سرد كنندگي خودبه خودحل خواهد شد. اخيرا برخي آزمايشگاهها ادعا كرده‌اند كه دانسته‌اند ابر رساناهايي با دماي بحراني بالاي k230 تهيه نمايند كه اين ادعا هنوز تاييد نشده است. (شكل زير افزايش دماي بحراني را در طي ساليان متمادي نشان مي‌دهد.البته مسائل زيادي بر سر راه ابر رساناهاي جديد قرار دارد كه بايد حل شود. مثلا اگر چه دماي بحراني اين مواد نسبت به ابر رساناهاي سنتي بسيار بالاتر است، اما مواد جديد نمي توانند جريانهاي الكتريكي با چگالي خيلي زياد را از خود عبور دهند. ديگر آن كه شكل دهي اين مواد به صورت سيم و حلقه به مراتب مشكل تر است. با وجود اين اغلب پژوهشگران معتقدند كه اين مشكلات به مرور بر طرف خواهد شد. فصل بعد جزئيات بيشتري را در مورد ابر رساناهاي جديد، و اين كه اين پديده چرا و چگونه رخ مي‌دهد ارائه خواهد كرد و در پايان موضوعاتي مطرح مي‌شوند كه به نحوي با ابر رسانايي در ارتباطند.در فصل قبل خلاصه اي در مورد پديده ابر رسانايي و نيز نكاتي در ارتباط با پيشرفتهاي اخير در دست يابي به دماهاي بحراني بالا كه در آن ابر رسانايي رخ مي‌دهد، بيان گرديد. در اين فصل ابر رسانايي را بيشتر از ديدگاه جنبه هاي فني آن و نيز خواص اتمي مواد ابر رسانا مورد بررسي قرار مي‌دهيم. اما قبل از ادامه بحث لازم است اطلاعاتي كلي در مورد مبحث الكتريسيته و رسانايي ارائه شود. همان طور كه در فصل گذشته اشاره شد، مواد رسانا محيطي مناسب براي جاري شدن الكترونها را فراهم مي‌كنند. مواد عايق هادي الكتريسيته نيستند. و نيمرسانا ها الكتريسيته را هدايت مي‌كنند اما نه به خوبي رساناها. چه عاملي سبب مي‌شود كه دسته اي از مواد رسانا، بعضي ديگر نيمرسانا و برخي عايق باشند؟ پاسخ اين سوال به خواص اتمي مواد مربوط مي‌شود.ممكن است پرسيده شود كه عامل به حركت در آوردن الكترونها در داخل يك رسانا چيست؟ الكترون ذره بنيادي موجود در تمام مواد است كه داراي بار منفي است و جفت آن يعني پروتون داراي بار مثبت است كه ذره بنيادي ديگر است. نيروي بين اين دو ذره از نوع جاذبه اي است. بعضي مواد داراي الكترونهاي مازاد بوده و در برخي ديگر تعداد الكترونها كمتر از آني است كه مي‌بايست در آن ماده وجود داشته باشد. اگر تعداد الكترونها و پروتونها در ماده اي برابر باشند آن ماده از نظر الكتريكي خنثي بوده و چنانچه تعداد الكترونها بيشتر از پروتونها باشد، آن ماده از نظر الكتريكي منفي و در صورتي كه تعداد الكترونها كمتر از پروتونها باشد ماده مثبت خواهد بود. در شكل 2-1 دسته بندي مواد از نظر الكتريكي به صورت ساده نشان داده شده است.شكل 2-1 دسته بندي مواد از نظر الكتريكي الكترونهاي اضافي موجود در ماده با بار منفي، جذب پروتنهاي اضافي در ماده داراي بار مثبت مي‌شوند. با وجود اين، الكترونها به خوبي خود توانايي حركت از ماده منفي به سوي ماده مثبت را ندارند. در اين جاست كه نقش يك رسانا مشخص مي‌شود.مي توان گفت رسانا ماده است كه مي‌تواند شارش الكترونها را تضمين نمايد.اختلاف بار الكتريكي دو ماده داراي بار منفي و مثبت، مشخص كننده نيروي وارد بر الكترونها براي بررسي حركت از ماده منفي و رسيدن به ماده مثبت مي‌باشد. اين نيرو، اختلاف پتانسيل يا نيروي محركه الكتريكي (emf) [3] يا به صورت خيلي ساده ولتاژ ناميده مي‌شود. هر قدر نيروي وارد بر الكترونها (براي رسيدن به ماده مثبت) بيشتر باشد، ولتاژ بالاتر است.يك باطري معمولي چراغ قوه را در نظر بگيريد. يك انتهاي آن به عنوان طرف مثبت (+) و انتهاي ديگر با علامت منفي (-) مشخص شده است. بيشتر باتريهاي خانگي داراي ولتاژ 5/1 ولت مي‌باشند. اگر قطبهاي مثبت و منفي باطري توسط يك سيم مسي به هم وصل شوند، الكترونها در داخل سيم از انتهاي طرف منفي به مثبت جريان پيدا مي‌كنند.ماده اي رسانا، مانند مس، داراي تعداد زيادي الكترون است كه مي‌توانند آزادانه به هر طرف حركت كنند. وقتي سيم مسي به دو سر يك باتري وصل مي‌شود، الكترونهاي آزاد در سيم به طرف قطب مثبت باتري حركت مي‌كنند. همزمان با آن الكترونهاي موجود در قطب منفي باتري در داخل رسانا جريان پيدا كرده و جاي الكترونهايي را كه قبلا حركت كرده‌اند مي‌گيرند. بنابراين جرياني از الكترونها را از قطب منفي به طرف قطب مثبت در داخل رسانا خواهيم داشت(شكل 2-2).انرژي ناشي از جريان الكترونهاي مي‌تواند در وسايل الكتريكي مانند لامپهاي روشنايي، موتورها و قطعات موجود در مدار الكتريكي استفاده شود. مقدار كاري كه الكترونها مي‌توانند انجام دهند تابع دو عامل اصلي يعني ولتاژ و جريان الكتريكي است. .ولتاژ نيروي محركه الكتريكي است كه جريان الكترونها را در سيم تامين مي‌كند. جريان تعداد الكترونهايي است كه شارش پيدا مي‌كنند. هر چه تعداد الكترونها بيشتر باشد كار انجام شده توسط آنها بزرگتر است. يكاي ولتاژ ولت و يكاي جريان آمپر نام دارد.شكل 2-2 روشهاي گوناگوني به منظور توليد الكتريسيته وجود دارد، باتري تنها يك مثال است. الكتريسيته مي‌تواند توسط مولدها، سلولهاي نوري يا سلولهاي خورشيدي نيز توليد شود. همچنين دو نوع مختلف از الكتريسيته وجود دارد: جريان متناوب (AC)[4]و جريان مستقيم (DC) [5]. جريان الكتريكي متناوب معمولا توسط مولد و جريان مستقيم به وسيله باتري يا سلول خورشيدي توليد مي‌شود. اغلب وسايل الكتريكي با جريان مستقيم كار مي‌كنند و در برخي از آنها از وسيله اي (مبدل) براي تبديل جريان متناوب به مستقيم استفاه مي‌شود.البته موضوع اين كتاب ابر رسانايي است نه الكتريسيته، بحث قبلي به اين منظور آورده شد كه خوانندگان اطلاعاتي در مورد جريان الكترونها و اين كه چگونه اين عمل رخ مي‌دهد، داشته باشند.قبلا با الكترون .و پروتون، دو ذره بنيادي كه ماده را مي‌سازند، آشنا شديم. ذره بنيادي سوم نوترون است، اين ذره از آن رو نوترون ناميده مي‌شود كه هيچ بار الكتريكي به آن وابسته نيست، به عبارت ديگر از نظر الكتريكي خنثي است. الكترونها، پروتونها و نوترونها كوچكترين واحد ماده يعني اتم را مي‌سازند. اتم را مي‌توان به شكل كره اي كه در آن پروتونها و نوترونها در بخش كوچك و متراكمي در مركز آن به نام هسته قرار گرفته‌اند تصور نمود. پروتونها درمحدوده هسته بوده و حركت نمي كنند، اما الكترونها روي مدارهاي مشخص به دور هسته بوده و حركت نمي كنند، اما الكترونها روي مدارهاي مشخص به دور هسته مي‌چرخند. اغلب تعداد زيادي از الكترونها مي‌توانند آزادانه حركت كنند. در شكل 2-3 يك اتم به صورت ساده در دو بعد نشان داده شده است. پروتونها در داخل هسته نوع ماده (عنصر) را مشخص مي‌كنند.تمام اتمهاي شناخته شده (يا عناصر) به صورتي معين دسته بندي شده و در جدولي معروف به جدول تناوبي آورده شده اند. در جدول تناوبي انواع مشابه اتمها مانند فلزات و گازها رده بندي شده و هر عنص يك نماد در جدول مشخص شده است. به عنوان مثال، عنصر سرب با pb نشان داده مي‌شود.الكترونها روي مدارهايي مشخص به دور هسته مي‌چرخند و اين مدارها، لايه هاي اتم را مي‌سازند. نزديكترين لايه به هسته مي‌تواند تنها دو الكترون، لايه دوم 8 الكترون و بعدي 18 الكترون را در بر مي‌گيرد. الكترونهاي موجود در خارجي ترين لايه مشخص مي‌كنند كه چگونه يك اتم منفرد مي‌تواند به اتمهاي ديگر پيوند خورده و انواع مختلف مواد به وجود آيند. اگر اتمي در خارجي ترين لايه اش فقط يك الكترون داشته باشد و اتم ديگر به منظور اين كه خارجي ترين لايه را تكميل كند تنها نياز به يك الكترون داشته باشد، در اين صورت اين دو اتم ممكن است به هم متصل شده و الكترونهاي خود را به اشتراك بگذارند. اين فرآيند(پيوند) يا (اتصال) ناميده مي‌شود و انواع مختلفي از پيوند براي اتصال اتمها به يكديگر وجود دارد. شكل 2-3ساده ترين راه براي فهم اين كه چگونه اتمها به هم مي‌پيوندند تا در نهايت مايعات، گازها و تركيبات ديگر شكل گيرد آن است كه اين موضوع را به بازي لگو[6] مربوط كنيم.اگر قطعات مختلف را از نظر شكل و اندازه دسته بندي كنيم دو قطعه هم شكل به سادگي مي‌توانند به يكديگر متصل شوند و قطعات هم شكل با آنها، به شرط اين كه براي اين كار مناسب باشند، نيز مي‌توانند به آنها اضافه شوند. به هر حال يك قطعه بزرگ مي‌تواند به تعداد بسياري از قطعات كوچكتر متصل شود.يك جسم جامد از به هم پيوستن اتمها در يك شبكه سه بعدي و تكرار آن ايجاد مي‌شود. چنين طرحي (ساختار شبكه[7] نام دارد. شكل 2-4 دو مدل از ساختار شبكه ابر رساناهاي با دماي بحراني بالا را نشان مي‌دهد. ساختار شبكه چارچوبي است كه جايگاه هر اتم را در شبكه مشخص مي‌كند. وقتي جريان الكتريكي از يك رسانا مي‌گذرد، الكترونهاي در حال حركت مجبورند كه راهشان را در داخل شبكه پيدا كنند. گاهي اوقات يك الكترون به علت نزديك شدن زياد به يك اتم از مسيرش منحرف مي‌شود و در اين فرآيند مقداري از انرژي اش را به شبكه منتقل مي‌كند، اين چيزي است كه سبب ايجاد مقاومت الكتريكي در رسانا مي‌گردد. شكل 2-5 ساختار شبكه يك ابر رساناي با دماي بحراني بالا را نشان مي‌دهد. اطلاعات ارائه شده در اين بخش در فهم مطالب مربوط به تركيبات ابر رسانايي و اين كه چگونه اين مواد قادرند رسانش را بدون مقاومت انجام دهند، سودمند است. توانايي ابر رساناها در هدايت الكتريسيته بدون مقاومت تنها خاصيت منحصر به فرد آنها نيست. در بخشهاي بعد برخي از ويژگيهاي ديگر ابر رساناها مورد بحث قرار مي‌گيرند.جريان الكتريكي در يك حلقه ابر رسانا مي‌تواند تا زمان نامحدودي باقي بماند. طبيعتا، اين ماندگاري جريان به چشمه انرژي نياز ندارد، زيرا مقاومت حلقه صفر است. چنين جريان ماندگاري را مي‌توان به شرح زير توليد كرد: نخست حلقه را در T>Tc در ميدان مغناطيسي خارجي قرار مي‌دهيم به طوري كه خطوط ميدان مغناطيسي از درون حلقه بگذرند. سپس حلقه را تا دماي زير Tc، تا جايي كه ماده ابر رسانا مي‌شود، سرد كرده و ميدان مغناطيسي درون حلقه كاهش مي‌يابد و بنابر قانون القاي الكترومغناطيس فاراده، در حلقه جرياني القا مي‌شود كه از اين لحظه به بعد دوام خواهد داشت. اين جريان از كاهش بيشتر شار مغناطيسي حلقه جوگيري مي‌كند، يعني اكنون كه ميدان خارجي صفر است، جريان القايي خود باعث تامين شار به مقدار اوليه آن از حلقه مي‌شود. در واقع، اگر حلقه داراي مقاومت محدود R باشد، شار از حلقه با ثبات زماني L/R كاهش خواهد يافت. L خود القاي حلقه است. در يك حلقه ابررسانا، چون R=0 است آهنگ كاهش شار مغناطيسي نامحدود است. يعني تا وقتي در حلقه جريان ماندگاري شارش مي‌يابد شار مغناطيسي در آن (به انجماد) در مي‌آيد، معمولا چنين جرياني را جريان ابر رسانا رسانش يا ابر جريان مي‌خوانند.در نخستين نگاه ممكن است چنين به نظر آيد كه شار مغناطيسي (منجمد) شده مي‌تواند هر مقدار دلخواهي داشته باشد. ولي، آزمايشهاي بسياري ]8و9[ كه براي روشن كردن اين رفتار ابداع شد واقعيت تجربي بسيار مهمي را ثابت كرده است و آن اين كه مقادير شار مغناطيسي يك پوسته استوانه اي ابر رسانشي فقط مضرب درستي از Gcm2 7-10*70/2= هستند. اين مقدار ار كوانتوم شار مغناطيسي مي‌نامند. و مي‌توان آن را به صورت تركيبي از ثابتهاي اساسي، يعني نوشت كه در آن h ثابت پلانك، c سرعت نور و e بار الكترون است. در سيستم يكاهاي MKSA، داريم [1] Ching-Wu(Paul)Chu[2] Houston[3] Electromotive force[4] Alternative current[5] Direct current[6] lego set[7] lattice structure[1] Heike kamerlingh Onnes[2] Alex Miiller[3] Georg Bednorz