অতিপরিবাহীতার ঘটনাটি কী? সুপারকন্ডাক্টিভিটি হল শূন্য বৈদ্যুতিক প্রতিরোধের একটি ঘটনা এবং চৌম্বকীয় প্রবাহ ক্ষেত্র নির্গত হয় যা নির্দিষ্ট পদার্থে ঘটে, যাকে বলা হয় সুপারকন্ডাক্টর, যখন একটি চরিত্রগত সমালোচনামূলক তাপমাত্রার নিচে ঠাণ্ডা করা হয়।
এই ঘটনাটি ডাচ পদার্থবিজ্ঞানী হেইক কামেরলিং-অনেস 8 এপ্রিল, 1911 সালে লেইডেনে আবিষ্কার করেছিলেন। ফেরোম্যাগনেটিজম এবং পারমাণবিক বর্ণালী রেখার মতো, সুপারকন্ডাক্টিভিটি একটি কোয়ান্টাম যান্ত্রিক ঘটনা। এটি মেসনার প্রভাব দ্বারা চিহ্নিত করা হয় - সুপারকন্ডাক্টিং অবস্থায় এটির স্থানান্তরের সময় সুপারকন্ডাক্টরের অভ্যন্তর থেকে চৌম্বকীয় ক্ষেত্র রেখাগুলির একটি সম্পূর্ণ নির্গমন৷
এটি অতিপরিবাহীতার ঘটনার সারমর্ম। Meissner প্রভাবের উত্থান নির্দেশ করে যে অতিপরিবাহীতাকে ধ্রুপদী পদার্থবিজ্ঞানে আদর্শ পরিবাহিতার একটি আদর্শ হিসাবে বোঝা যায় না।
অতিপরিবাহীতার ঘটনা কী
একটি ধাতব পরিবাহীর বৈদ্যুতিক প্রতিরোধ ক্ষমতা ধীরে ধীরে হ্রাস পায়তাপমাত্রা কমানো। তামা বা রৌপ্যের মতো সাধারণ পরিবাহকগুলিতে, এই হ্রাস অমেধ্য এবং অন্যান্য ত্রুটি দ্বারা সীমাবদ্ধ। এমনকি পরম শূন্যের কাছাকাছি, একটি স্বাভাবিক পরিবাহীর একটি বাস্তব নমুনা কিছু প্রতিরোধ দেখায়। একটি সুপারকন্ডাক্টরে, যখন উপাদানটিকে তার সমালোচনামূলক তাপমাত্রার নীচে ঠান্ডা করা হয় তখন প্রতিরোধ ক্ষমতা তীব্রভাবে শূন্যে নেমে যায়। সুপারকন্ডাক্টিং তারের একটি লুপের মাধ্যমে বৈদ্যুতিক প্রবাহ শক্তির উত্স ছাড়াই অনির্দিষ্টকালের জন্য বজায় রাখা যেতে পারে। এই প্রশ্নের উত্তর, অতিপরিবাহীতার ঘটনা কি।
ইতিহাস
1911 সালে, খুব কম তাপমাত্রায় পদার্থের বৈশিষ্ট্যগুলি অধ্যয়ন করার সময়, ডাচ পদার্থবিদ হেইক কামারলিং ওনেস এবং তার দল আবিষ্কার করেছিলেন যে পারদের বৈদ্যুতিক প্রতিরোধ 4.2 কে (-269 ডিগ্রি সেলসিয়াস) এর নিচে শূন্যে নেমে এসেছে। এটি ছিল অতিপরিবাহীতার ঘটনার প্রথম পর্যবেক্ষণ। বেশিরভাগ রাসায়নিক উপাদানই কম তাপমাত্রায় অতিপরিবাহী হয়ে ওঠে।
একটি নির্দিষ্ট গুরুতর তাপমাত্রার নীচে, পদার্থগুলি একটি অতিপরিবাহী অবস্থায় চলে যায়, যা দুটি প্রধান বৈশিষ্ট্য দ্বারা চিহ্নিত করা হয়: প্রথমত, তারা বৈদ্যুতিক প্রবাহকে প্রতিহত করে না। যখন প্রতিরোধ শূন্যে নেমে আসে, তখন শক্তির অপচয় ছাড়াই পদার্থের মধ্যে বিদ্যুৎ প্রবাহিত হতে পারে।
দ্বিতীয়ত, শর্ত থাকে যে তারা যথেষ্ট দুর্বল, বাহ্যিক চৌম্বক ক্ষেত্রগুলি সুপারকন্ডাক্টর ভেদ করে না, তবে এর পৃষ্ঠে থাকে। এই ক্ষেত্র বহিষ্কারের ঘটনাটি 1933 সালে একজন পদার্থবিজ্ঞানী দ্বারা প্রথম পর্যবেক্ষণ করার পর এটি Meissner প্রভাব হিসাবে পরিচিত হয়।
তিনটি নাম, তিনটি অক্ষর এবং একটি অসম্পূর্ণ তত্ত্ব
সাধারণ পদার্থবিদ্যা পর্যাপ্ত দেয় নাসুপারকন্ডাক্টিং স্টেটের ব্যাখ্যা, সেইসাথে কঠিন অবস্থার প্রাথমিক কোয়ান্টাম তত্ত্ব, যা একটি স্ফটিক জালিতে আয়নগুলির আচরণ থেকে ইলেকট্রনের আচরণকে আলাদাভাবে বিবেচনা করে।
শুধুমাত্র 1957 সালে, তিনজন আমেরিকান গবেষক - জন বারডিন, লিওন কুপার এবং জন শ্রিফার সুপারকন্ডাক্টিভিটির মাইক্রোস্কোপিক তত্ত্ব তৈরি করেছিলেন। তাদের বিসিএস তত্ত্ব অনুসারে, জালি কম্পনের (তথাকথিত "ফোনন") সাথে মিথস্ক্রিয়ার মাধ্যমে ইলেকট্রন জোড়ায় জোড়ায় জোড়ায় পরিণত হয়, এইভাবে কুপার জোড়া তৈরি করে যেগুলি কঠিনের ভিতরে ঘর্ষণ ছাড়াই চলে। একটি কঠিনকে ইলেকট্রনের মেঘে নিমজ্জিত ধনাত্মক আয়নের জালি হিসাবে দেখা যেতে পারে। যখন একটি ইলেক্ট্রন এই জালির মধ্য দিয়ে যায়, তখন আয়নগুলি ইলেক্ট্রনের ঋণাত্মক চার্জ দ্বারা আকৃষ্ট হয়ে সামান্য সরে যায়। এই আন্দোলন একটি বৈদ্যুতিকভাবে ইতিবাচক অঞ্চল তৈরি করে, যা অন্য ইলেকট্রনকে আকর্ষণ করে।
ইলেক্ট্রনিক মিথস্ক্রিয়া শক্তি বেশ দুর্বল, এবং বাষ্পগুলি তাপ শক্তি দ্বারা সহজেই ভেঙে যেতে পারে - তাই অতিপরিবাহীতা সাধারণত খুব কম তাপমাত্রায় ঘটে। যাইহোক, BCS তত্ত্ব প্রায় 80 K (-193 °C) এবং তার উপরে উচ্চ-তাপমাত্রা সুপারকন্ডাক্টরের অস্তিত্বের জন্য একটি ব্যাখ্যা প্রদান করে না, যার জন্য অন্যান্য ইলেকট্রন-বাইন্ডিং মেকানিজম অবশ্যই জড়িত। সুপারকন্ডাক্টিভিটির ঘটনার প্রয়োগ উপরের প্রক্রিয়ার উপর ভিত্তি করে।
তাপমাত্রা
1986 সালে, কিছু কাপরেট-পেরোভস্কাইট সিরামিক পদার্থের 90 K (-183 °C) এর উপরে গুরুতর তাপমাত্রা পাওয়া গেছে। এই উচ্চ জংশন তাপমাত্রা তাত্ত্বিকভাবেএকটি প্রচলিত সুপারকন্ডাক্টরের পক্ষে অসম্ভব, যার ফলে পদার্থগুলিকে উচ্চ-তাপমাত্রা সুপারকন্ডাক্টর হিসাবে উল্লেখ করা হয়। উপলব্ধ শীতল তরল নাইট্রোজেন 77 কে-তে ফুটে, এবং এইভাবে এর চেয়ে বেশি তাপমাত্রায় সুপারকন্ডাক্টিভিটি অনেক পরীক্ষা-নিরীক্ষা এবং প্রয়োগের সুবিধা দেয় যা নিম্ন তাপমাত্রায় কম ব্যবহারিক। কোন তাপমাত্রায় অতিপরিবাহীতার ঘটনা ঘটে এই প্রশ্নের উত্তর।
শ্রেণীবিভাগ
সুপারকন্ডাক্টরগুলিকে বিভিন্ন মানদণ্ড অনুসারে শ্রেণিবদ্ধ করা যেতে পারে যা তাদের শারীরিক বৈশিষ্ট্যগুলির প্রতি আমাদের আগ্রহের উপর নির্ভর করে, তাদের সম্পর্কে আমাদের বোঝার উপর, তাদের শীতল করা কতটা ব্যয়বহুল বা তারা যে উপাদান থেকে তৈরি হয় তার উপর।
এর চৌম্বক বৈশিষ্ট্য দ্বারা
টাইপ I সুপারকন্ডাক্টর: যেগুলির শুধুমাত্র একটি গুরুত্বপূর্ণ ক্ষেত্র, Hc, এবং এটি পৌঁছে গেলে হঠাৎ করে এক রাজ্য থেকে অন্য রাজ্যে স্থানান্তরিত হয়৷
টাইপ II সুপারকন্ডাক্টর: দুটি জটিল ক্ষেত্র রয়েছে, Hc1 এবং Hc2, নিখুঁত সুপারকন্ডাক্টর হচ্ছে নিম্ন সমালোচনামূলক ক্ষেত্রের (Hc1) অধীনে এবং সম্পূর্ণরূপে সুপারকন্ডাক্টিং অবস্থাকে উপরের ক্রিটিক্যাল ফিল্ডের (Hc2) উপরে ছেড়ে, এর মধ্যে মিশ্র অবস্থায় থাকা। গুরুত্বপূর্ণ ক্ষেত্র।
যেমন আমরা তাদের সম্পর্কে বুঝি
সাধারণ সুপারকন্ডাক্টর: যেগুলি সম্পূর্ণরূপে বিসিএস তত্ত্ব বা সম্পর্কিত তত্ত্ব দ্বারা ব্যাখ্যা করা যেতে পারে৷
অপ্রচলিত সুপারকন্ডাক্টর: যেগুলিকে এই ধরনের তত্ত্ব ব্যবহার করে ব্যাখ্যা করা যায় না, উদাহরণস্বরূপ: ভারী ফার্মিওনিকসুপারকন্ডাক্টর।
এই মানদণ্ডটি গুরুত্বপূর্ণ কারণ বিসিএস তত্ত্বটি 1957 সাল থেকে প্রচলিত সুপারকন্ডাক্টরের বৈশিষ্ট্য ব্যাখ্যা করছে, কিন্তু অন্যদিকে, সম্পূর্ণ অপ্রচলিত সুপারকন্ডাক্টর ব্যাখ্যা করার মতো কোনো সন্তোষজনক তত্ত্ব নেই। বেশিরভাগ ক্ষেত্রে, টাইপ I সুপারকন্ডাক্টরগুলি সাধারণ, তবে কিছু ব্যতিক্রম রয়েছে, যেমন নিওবিয়াম, যা সাধারণ এবং টাইপ II উভয়ই।
তাদের গুরুতর তাপমাত্রা দ্বারা
নিম্ন তাপমাত্রার সুপারকন্ডাক্টর, বা LTS: যাদের গুরুতর তাপমাত্রা 30 K এর নিচে।
উচ্চ তাপমাত্রার সুপারকন্ডাক্টর, বা HTS: যাদের সমালোচনামূলক তাপমাত্রা 30 K এর উপরে। কেউ কেউ এখন 77 K কে বিচ্ছেদ হিসাবে ব্যবহার করে জোর দেয় যে আমরা তরল নাইট্রোজেন (যার স্ফুটনাঙ্ক 77 K) দিয়ে নমুনাকে ঠান্ডা করতে পারি কিনা। তরল হিলিয়ামের (নিম্ন-তাপমাত্রা সুপারকন্ডাক্টর তৈরি করতে প্রয়োজনীয় তাপমাত্রায় পৌঁছানোর বিকল্প) থেকে অনেক বেশি সম্ভব।
অন্যান্য বিবরণ
একটি সুপারকন্ডাক্টর টাইপ I হতে পারে, যার মানে এটির একটি একক গুরুত্বপূর্ণ ক্ষেত্র রয়েছে, যার উপরে সমস্ত সুপারকন্ডাক্টিভিটি নষ্ট হয়ে গেছে এবং যার নীচে সুপারকন্ডাক্টর থেকে চৌম্বক ক্ষেত্র সম্পূর্ণরূপে নির্মূল হয়ে গেছে। টাইপ II, যার অর্থ এটির দুটি সমালোচনামূলক ক্ষেত্র রয়েছে যার মধ্যে এটি বিচ্ছিন্ন বিন্দুগুলির মাধ্যমে চৌম্বক ক্ষেত্রের আংশিক অনুপ্রবেশের অনুমতি দেয়। এই বিন্দু vortices বলা হয়. উপরন্তু, মাল্টিকম্পোনেন্ট সুপারকন্ডাক্টরগুলিতে, দুটি আচরণের সংমিশ্রণ সম্ভব। এই ক্ষেত্রে, সুপারকন্ডাক্টর টাইপ 1, 5.
বৈশিষ্ট্য
অতিপরিবাহীগুলির বেশিরভাগ ভৌত বৈশিষ্ট্য উপাদান থেকে উপাদানে পরিবর্তিত হয়, যেমন তাপ ক্ষমতা এবং সমালোচনামূলক তাপমাত্রা, গুরুত্বপূর্ণ ক্ষেত্র এবং সমালোচনামূলক বর্তমান ঘনত্ব যেখানে সুপারকন্ডাক্টিভিটি ভেঙে যায়।
অন্যদিকে, বৈশিষ্ট্যের একটি শ্রেণী রয়েছে যা বেস উপাদান থেকে স্বাধীন। উদাহরণস্বরূপ, সমস্ত সুপারকন্ডাক্টরের কম প্রয়োগকৃত স্রোতে একেবারে শূন্য প্রতিরোধ ক্ষমতা থাকে, যখন কোন চৌম্বক ক্ষেত্র থাকে না বা যখন প্রয়োগ করা ক্ষেত্রটি একটি গুরুত্বপূর্ণ মান অতিক্রম করে না।
এই সার্বজনীন বৈশিষ্ট্যগুলির উপস্থিতি বোঝায় যে সুপারকন্ডাক্টিভিটি একটি থার্মোডাইনামিক পর্যায় এবং তাই এর কিছু স্বতন্ত্র বৈশিষ্ট্য রয়েছে যা মূলত মাইক্রোস্কোপিক বিবরণ থেকে স্বাধীন।
অতিপরিবাহীতে পরিস্থিতি ভিন্ন। একটি প্রচলিত সুপারকন্ডাক্টরে, ইলেকট্রন তরল পৃথক ইলেক্ট্রনে আলাদা করা যায় না। পরিবর্তে, এটি কুপার জোড়া নামে পরিচিত ইলেকট্রনের আবদ্ধ জোড়া নিয়ে গঠিত। ফোননের আদান-প্রদানের ফলে ইলেকট্রনের মধ্যে আকর্ষক বলের কারণে এই জুটি তৈরি হয়। কোয়ান্টাম মেকানিক্সের কারণে, কুপার পেয়ারের এই তরলের শক্তির বর্ণালীতে একটি শক্তির ফাঁক রয়েছে, অর্থাৎ, তরলকে উত্তেজিত করার জন্য একটি ন্যূনতম পরিমাণ শক্তি ΔE আছে যা অবশ্যই সরবরাহ করতে হবে।
অতএব, ΔE যদি kT দ্বারা প্রদত্ত ঝাঁঝরির তাপ শক্তির চেয়ে বেশি হয়, যেখানে k হল বোল্টজম্যান ধ্রুবক এবং T হল তাপমাত্রা, তরলটি ঝাঁঝরি দ্বারা বিক্ষিপ্ত হবে না। তাইএইভাবে, কুপার বাষ্পের তরল হল অতিতরল, যার মানে এটি শক্তির অপচয় না করে প্রবাহিত হতে পারে।
অতিপরিবাহী বৈশিষ্ট্য
অতিপরিবাহী পদার্থে, অতিপরিবাহী বৈশিষ্ট্যগুলি উপস্থিত হয় যখন তাপমাত্রা T সমালোচনামূলক তাপমাত্রা Tc-এর নীচে নেমে যায়। এই গুরুত্বপূর্ণ তাপমাত্রার মান উপাদান থেকে উপাদান পরিবর্তিত হয়। প্রচলিত সুপারকন্ডাক্টরগুলির সাধারণত প্রায় 20 K থেকে 1 K এর কম পর্যন্ত গুরুতর তাপমাত্রা থাকে।
উদাহরণস্বরূপ, কঠিন পারদের একটি গুরুতর তাপমাত্রা 4.2 K। 2015 সালের হিসাবে, প্রচলিত সুপারকন্ডাক্টরের জন্য পাওয়া সর্বোচ্চ সমালোচনামূলক তাপমাত্রা হল H2S-এর জন্য 203 K, যদিও প্রায় 90 গিগাপাস্কেলের উচ্চ চাপ প্রয়োজন ছিল। কাপরেট সুপারকন্ডাক্টরগুলির অনেক বেশি সমালোচনামূলক তাপমাত্রা থাকতে পারে: YBa2Cu3O7, আবিষ্কৃত প্রথম কাপরেট সুপারকন্ডাক্টরগুলির মধ্যে একটি, এর একটি গুরুতর তাপমাত্রা 92 K, এবং পারদ-ভিত্তিক কাপরেটগুলি 130 K-এর বেশি সমালোচনামূলক তাপমাত্রার সাথে পাওয়া গেছে৷ এই উচ্চ সমালোচনামূলক তাপমাত্রার ব্যাখ্যা রয়ে গেছে অজানা।
ফোনন এক্সচেঞ্জের কারণে ইলেকট্রন পেয়ারিং প্রচলিত সুপারকন্ডাক্টরগুলিতে সুপারকন্ডাক্টিভিটি ব্যাখ্যা করে, কিন্তু নতুন সুপারকন্ডাক্টরগুলির সুপারকন্ডাক্টিভিটি ব্যাখ্যা করে না যার একটি খুব বেশি গুরুত্বপূর্ণ তাপমাত্রা রয়েছে৷
চৌম্বক ক্ষেত্র
একইভাবে, একটি স্থির তাপমাত্রায় গুরুত্বপূর্ণ তাপমাত্রার নিচে, অতিপরিবাহী পদার্থগুলি সুপারকন্ডাক্টিং বন্ধ করে দেয় যখন একটি বাহ্যিক চৌম্বক ক্ষেত্র প্রয়োগ করা হয় যা এর চেয়ে বেশিসমালোচনামূলক চৌম্বক ক্ষেত্র। এর কারণ হল সুপারকন্ডাক্টিং পর্বের গিবস মুক্ত শক্তি চৌম্বক ক্ষেত্রের সাথে চতুর্মুখীভাবে বৃদ্ধি পায়, যখন স্বাভাবিক পর্যায়ের মুক্ত শক্তি চৌম্বক ক্ষেত্রের থেকে প্রায় স্বাধীন।
যদি কোনও ক্ষেত্রের অনুপস্থিতিতে উপাদানটি অতিপরিবাহী হয়, তবে অতিপরিবাহী পর্যায়ের মুক্ত শক্তি স্বাভাবিক পর্যায়ের তুলনায় কম, এবং তাই, চৌম্বক ক্ষেত্রের কিছু সসীম মানের জন্য (বর্গক্ষেত্রের সমানুপাতিক) শূন্যে মুক্ত শক্তির পার্থক্যের মূল), দুটি মুক্ত শক্তি সমান হবে, এবং স্বাভাবিক পর্যায়ে একটি ফেজ রূপান্তর হবে। আরও সাধারণভাবে, একটি উচ্চ তাপমাত্রা এবং একটি শক্তিশালী চৌম্বক ক্ষেত্রের ফলে অতিপরিবাহী ইলেকট্রনগুলির একটি ছোট অনুপাত হয় এবং তাই বহিরাগত চৌম্বক ক্ষেত্র এবং স্রোতের লন্ডনে অনুপ্রবেশের একটি বৃহত্তর গভীরতা। ফেজ ট্রানজিশনে অনুপ্রবেশের গভীরতা অসীম হয়ে যায়।
শারীরিক
অতিপরিবাহিতার সূত্রপাত বিভিন্ন ভৌত বৈশিষ্ট্যের আকস্মিক পরিবর্তনের সাথে হয়, যা একটি পর্যায় পরিবর্তনের বৈশিষ্ট্য। উদাহরণস্বরূপ, ইলেকট্রন তাপ ক্ষমতা স্বাভাবিক (অতিপরিবাহী নয়) শাসনামলে তাপমাত্রার সমানুপাতিক। সুপারকন্ডাক্টিং ট্রানজিশনে, এটি একটি লাফ অনুভব করে এবং এর পরে এটি রৈখিক হওয়া বন্ধ করে দেয়। নিম্ন তাপমাত্রায়, এটি কিছু ধ্রুবক α এর জন্য e−α/T এর পরিবর্তে পরিবর্তিত হয়। এই সূচকীয় আচরণ একটি শক্তির ব্যবধানের অস্তিত্বের একটি প্রমাণ৷
ফেজ ট্রানজিশন
অতিপরিবাহীতার ঘটনার ব্যাখ্যাটি বেশস্পষ্টতই সুপারকন্ডাক্টিং ফেজ ট্রানজিশনের ক্রমটি দীর্ঘদিন ধরে আলোচনা করা হয়েছে। পরীক্ষাগুলি দেখায় যে কোনও দ্বিতীয়-ক্রম পরিবর্তন নেই, অর্থাৎ, সুপ্ত তাপ। যাইহোক, একটি বাহ্যিক চৌম্বক ক্ষেত্রের উপস্থিতিতে, সুপ্ত তাপ থাকে কারণ সুপারকন্ডাক্টিং ফেজটিতে একটি কম এনট্রপি থাকে, যা ক্রিটিক্যাল তাপমাত্রার চেয়ে কম, স্বাভাবিক পর্যায়ের তুলনায়।
পরীক্ষামূলকভাবে নিম্নলিখিতগুলি প্রদর্শন করা হয়েছে: যখন চৌম্বক ক্ষেত্র বৃদ্ধি পায় এবং সমালোচনামূলক ক্ষেত্রের বাইরে চলে যায়, ফলে পর্যায় পরিবর্তনের ফলে অতিপরিবাহী উপাদানের তাপমাত্রা হ্রাস পায়। অতিপরিবাহীতার ঘটনাটি উপরে সংক্ষেপে বর্ণনা করা হয়েছে, এখন এই গুরুত্বপূর্ণ প্রভাবের সূক্ষ্মতা সম্পর্কে কিছু বলার সময় এসেছে।
1970-এর দশকে করা গণনাগুলি দেখায় যে ইলেক্ট্রোম্যাগনেটিক ক্ষেত্রের দীর্ঘ-পরিসীমা ওঠানামার প্রভাবের কারণে এটি প্রকৃতপক্ষে প্রথম ক্রম থেকে দুর্বল হতে পারে। 1980-এর দশকে, এটি ডিসঅর্ডার ফিল্ড তত্ত্ব ব্যবহার করে তাত্ত্বিকভাবে দেখানো হয়েছিল, যেখানে সুপারকন্ডাক্টর ঘূর্ণি রেখাগুলি একটি প্রধান ভূমিকা পালন করে, যে রূপান্তরটি টাইপ II মোডে দ্বিতীয় ক্রম এবং টাইপ I মোডে প্রথম ক্রম (অর্থাৎ, সুপ্ত তাপ), এবং যে দুটি অঞ্চল একটি ত্রিকোণ বিন্দু দ্বারা পৃথক করা হয়েছে৷
মন্টে কার্লোতে কম্পিউটার সিমুলেশন দ্বারা ফলাফল দৃঢ়ভাবে নিশ্চিত করা হয়েছে। এটি সুপারকন্ডাক্টিভিটির ঘটনা অধ্যয়নে একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করেছে। বর্তমান সময়েও কাজ চলছে। আধুনিক বিজ্ঞানের দৃষ্টিকোণ থেকে সুপারকন্ডাক্টিভিটির ঘটনার সারাংশ পুরোপুরি বোঝা যায় না এবং ব্যাখ্যা করা যায় না।
