۶٫۱۱ اَبَررسانایی و اثر جوزفسون

خانه ／ ۶. حوزهٔ کوانتومی

نخست پدیده‌ها و پرسش‌ها

اگر برخی فلزها یا سرامیک‌ها را به اندازه کافی سرد کنیم، مقاومت تا زیر حدّ اندازه‌گیری فرو می‌افتد و جریانی می‌تواند سال‌ها بی‌کاهش در یک حلقه بچرخد. میدانِ مغناطیسیِ بیرونی از حجم نمونه رانده می‌شود و تنها در هیأتِ لوله‌های شارِ کوانتیده به درون راه می‌یابد. اگر میان دو ابررسانا، لایه‌ای عایق و بسیار نازک بگذاریم، حتی بی‌ولتاژ نیز جریانِ پایدار می‌گذرد؛ و با تابشِ بسامدِ بالا، پله‌هایِ ولتاژ آشکار می‌شود.

این نشانگان—مقاومتِ صفر، پاد‌مغناطیسِ کامل (با نفوذِ کوانتیده)، اَبَرجریانِ بی‌بایاس، و پله‌های رادیوفرکانسی—سه پرسشِ روشن پیش می‌کشد: چرا با سرد کردن «اصطکاک» ناگهان ناپدید می‌شود؟ چرا میدان فقط با سهمیه‌های ثابت وارد می‌شود؟ چرا جریان از عایق نیز می‌گذرد و چرا میکرو‌موج پله‌هایی منظم روی ولتاژ می‌نشاند؟

دوم خوانش بر پایهٔ «خیو‌طِ انرژی»: زوج‌های الکترونیِ قفلِ‌فاز، بستنِ جمعیِ مسیرهای اتلاف، و تحویلِ همدوس از میانِ گسست

1. نخست جفت می‌کنیم، سپس فاز را می‌دوزیم.
   در این روایت، الکترون چون پیچشی پایدار است که پوستهٔ بیرونیِ آن با دریای انرژی و شبکهٔ بلوری برهم‌کنش دارد. با کاهش دما، لرزشِ شبکه فرو می‌نشیند و در برخی مواد «گذرگاهِ کشش» هموار می‌شود تا دو الکترون با پیچشِ واگرا در پیِ هم آیند و زوج الکترونی بسازند. این جفت‌شدن، مسیرهای اتلاف را می‌بندد یا آستانهٔ آن‌ها را پایین می‌آورد. با سردتر شدن، فازِ بیرونیِ بسیاری از زوج‌ها هم‌راستا می‌شود و شبکهٔ فازِ مشترکی بر سراسر نمونه پهن می‌گردد—چون «قالیچهٔ فاز»ی روان.
2. چراییِ مقاومتِ صفر: بستنِ دسته‌جمعیِ اتلاف.
   مقاومتِ عادی از مسیرهای ریزِ نشتِ انرژی پدید می‌آید—ناخالصی، فونون، زبریِ مرز. وقتی قالیچهٔ فاز پهن شد، چین‌وچروک‌های موضعی که همدوسی را می‌شکنند، سخت زاده می‌شوند و آستانهٔ اتلاف ناگهان بالا می‌رود. تا وقتی تحریک، قالی را نمی‌دَرَد، جریان انرژی پس نمی‌دهد و مقاومت صفر می‌شود.
3. چراییِ پاد‌مغناطیس و کمّی‌شدنِ شار: فاز، پیچشِ دلبخواه را نمی‌پذیرد.
   برای هموار ماندن، قالیچه نباید به‌دلخواهِ میدان پیچانده شود. در سطح، جریان‌های پوششی پدید می‌آید و میدان را می‌راند (مایسنر). در برخی مواد، میدان تنها به‌صورت لوله‌های باریک راه می‌یابد که هر یک مستلزمِ چرخشِ پُرنوبتِ فاز است—کمّی‌شدنِ شار. می‌توان هر لوله را هستهٔ توخالیِ کشش انگاشت که فاز گردِ آن می‌پیچد؛ لوله‌ها همدیگر را می‌رانند و آرایه‌های هندسی می‌سازند.
4. چراییِ جریانِ جوزفسون: تحویلِ همدوس در شکافی نزدیکِ آستانه.
   اگر دو قالیچهٔ فاز را با عایقی فوق‌نازک جدا کنیم، میانشان شکافی باریک در حالتِ نزدیک به حدّ بحرانی می‌ماند. در این گذرگاه، فازهایِ دو سوی شکاف به‌هم‌پیوسته تحویل می‌دهند: نه آن‌که تک‌الکترون‌ها «هل دهند»، بلکه پلِ فازی کوتاه میان دو کرانه دوخته می‌شود.
   • اگر دو سو هم‌ضربان بمانند، پل فاز را پایدار می‌برد و اَبَرجریانِ مستقیمِ بی‌ولتاژ پدید می‌آید.
   • اگر ضَربان‌ها نا‌هماهنگ شوند—به‌سببِ ولتاژِ مستقیم یا تحریکِ رادیویی—تفاضلِ فاز یکنواخت پیش می‌رود یا بر آهنگ بیرونی قفل می‌شود، و پل با ریتم ثابت اَبَرجریان را پمپ می‌کند؛ پاسخِ متناوب و پله‌های ولتاژ زیر میکرو‌موج نتیجهٔ این قفل‌شدن است.
5. چراییِ نابسندگیِ همگانی: عیب‌ها و دریدگی‌ها اتلاف را می‌گشایند.
   جریان‌های بزرگ، میدان‌های نیرومند، دمایِ بالاتر یا جایگاه‌های پین‌کردنِ گردابهٔ کمّی قالی را می‌کشند و سوراخ می‌کنند و انرژی می‌گریزد؛ آنگاه جریانِ بحرانی، قله‌های اتلاف و پاسخ‌های نا‌خطی آشکار می‌شود.

سوم صحنه‌های نمونه

• دو شیوهٔ رفتارِ ابررسانا.
  دسته‌ای تقریباً همهٔ میدان را می‌رانَد و فراتر از آستانه یکباره می‌شکند؛ دسته‌ای دیگر، شار را لوله‌وار می‌پذیرد و در میدان‌های قوی آرایهٔ گردابه‌ای می‌سازد و رسانایی را نگه می‌دارد. تفاوت، میزانِ مدارا‌پذیریِ قالیچهٔ فاز در برابر پیچشِ مغناطیسی است.
• حلقهٔ ابررسانا و جریانِ پایدار.
  در یک حلقهٔ بسته، فاز باید به‌شمارِ درست گرداگرد بچرخد؛ تا قالی نَدَرَد، جریان می‌پاید. اگر شار را بر مقدار نادرست بگذاریم، سامانه به نزدیک‌ترین شمار درست می‌جهد و حالت‌های پایدارِ جدا از هم شکل می‌گیرد.
• پیوندِ تونِلی و پیوندِ سست.
  در شکافی فوق‌نازک حتی بی‌ولتاژ هم اَبَرجریان می‌گذرد؛ و زیر میکرو‌موج، ولتاژ بر پله‌های منظم قفل می‌شود—دالّ بر قفل‌شدنِ اختلافِ فاز با آهنگِ بیرونی.
• حلقه‌های موازی: تداخل‌سنج.
  دو «پلِ فاز» که حلقه‌ای کوچک می‌سازند، از شارِ خارجی جابه‌جایی‌های فازِ متفاوت می‌گیرند؛ اَبَرجریان با شار دوره‌ای نوسان می‌کند و راه را بر مغناطیس‌سنجیِ بسیار حساس می‌گشاید.

چهارم نشانه‌های قابل‌مشاهده

• افت ناگهانی به مقاومت صفر در دمای بحرانی.
• پاد‌مغناطیس کامل یا آرایه‌های هندسی از لوله‌های شار.
• اَبَرجریانِ بی‌ولتاژ و جریانِ بحرانی روشن.
• پله‌های ولتاژ زیر رادیوفرکانس (قفلِ فاز).
• دوره‌ایّتِ تداخل در حلقه‌ها.
• پین‌شدن و لغزشِ گردابه‌ها: عیب‌ها اتلاف را می‌کاهند و جریان بحرانی را بالا می‌برند؛ حرکتِ گردابه‌ها قله‌های اتلاف می‌آفریند.

پنجم همسویی با روایتِ متعارف

• روایتِ کلاسیک، چگالشِ زوجی را با یک پارامترِ نظمِ ماکروسکوپی (دامنهٔ مرکبِ دارای فاز) می‌نویسد؛ صفرِ مقاومت از جریانِ فازِ بی‌اتلاف می‌آید؛ پاد‌مغناطیس از سرپیچیِ فاز از پیچش؛ و کمّی‌شدنِ شار و گردابه‌ها از قیدِ گردشِ عددِ صحیح.
• روایتِ «خیو‌طِ انرژی» همان فیزیک را به زبانِ هندسهٔ ملموس می‌گوید: زوجِ الکترونی = دو پیچشِ همدم؛ قالیچهٔ فاز = شبکهٔ فازِ مشترکِ سراسرِ نمونه؛ مقاومت صفر = بستنِ جمعیِ مسیرهای اتلاف؛ کمّی‌شدنِ شار = عیبِ توپولوژیک با هستهٔ توخالی؛ اثر جوزفسون = پلِ فازِ کوتاه که در شکافی نزدیکِ آستانه دوخته می‌شود. پدیده‌ها و نسبت‌های کمی هم‌داستان‌اند؛ تفاوت در «روایتِ رشته و دریا» است.

ششم در پایان

ابَررسانایی به معنای «کمالِ ناگهانیِ الکترون‌ها» نیست؛ روند چنین است: نخست جفت شوید، سپس فاز را قفل کنید، و سرانجام از شکاف تحویل دهید.

• با تحریکِ خفیف، قالیچه اتلاف را می‌بندد ← مقاومت صفر.
• با ردّ پیچشِ دلخواه، میدان را می‌راند یا فقط به صورتِ گردابه‌های کوانتیده راه می‌دهد.
• میان دو قالیچه، پلِ فاز ممکن است دوخته شود ← اَبَرجریان بی‌ولتاژ می‌گذرد؛ و زیر میکرو‌موج ولتاژ بر پله‌های منظم قفل می‌شود.