محققین کو ایک ایسے میکانزم کے لیے مقداری ثبوت ملے ہیں جس کی طویل عرصے سے پیش گوئی کی گئی ہے کہ وہ اعلی درجہ حرارت کی سپر کنڈکٹیویٹی کے لیے ذمہ دار ہے۔ کی قیادت میں جے سی سیمس ڈیوس کی آکسفورڈ، برطانیہ کی یونیورسٹی، ٹیم نے کوانٹم مائکروسکوپی کا استعمال ایک اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹر کا مطالعہ کرنے کے لئے کیا جسے بسمتھ سٹرونٹیم کیلشیم کاپر آکسائڈ (BSCCO) کہا جاتا ہے۔ کام سے پتہ چلتا ہے کہ اس مواد میں الیکٹران مضبوط الیکٹران جوڑی کی وجہ سے ایک غیر معمولی حالت میں داخل ہوتے ہیں، جو پھر انہیں بغیر کسی کھپت کے حرکت کرنے کی اجازت دیتا ہے۔
سپر کنڈکٹرز وہ مواد ہیں جو بغیر کسی مزاحمت کے بجلی چلاتے ہیں جب ان کے سپر کنڈکٹنگ ٹرانزیشن درجہ حرارت سے نیچے ٹھنڈا ہوتا ہے، Tc. دریافت ہونے والا پہلا سپر کنڈکٹر 1911 میں ٹھوس پارا تھا، لیکن اس کا منتقلی درجہ حرارت مطلق صفر سے صرف چند کیلون ہے، یعنی اسے سپر کنڈکٹنگ مرحلے میں رکھنے کے لیے مہنگا مائع ہیلیم کولنٹ درکار ہے۔ کئی دوسرے "روایتی" سپر کنڈکٹرز، جیسا کہ وہ جانا جاتا ہے، کچھ ہی دیر بعد دریافت ہوئے، جن کی قدریں اسی طرح کی ٹھنڈی ہیں۔ Tc.
تاہم، 1980 کی دہائی کے اواخر سے شروع ہونے والے، "اعلی درجہ حرارت" کے سپر کنڈکٹرز کی ایک نئی کلاس Tc مائع نائٹروجن کے نقطہ ابلتے سے اوپر (77 K) ابھرا۔ یہ مواد دھاتیں نہیں تھے بلکہ انسولیٹر تھے جن میں تانبے کے آکسائیڈ (کپریٹس) تھے، اور ان کے وجود نے تجویز کیا کہ اس سے بھی زیادہ درجہ حرارت پر سپر کنڈکٹیوٹی حاصل کرنا ممکن ہے۔ کمرے کے درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز کی تلاش تب سے جاری ہے، کیوں کہ اس طرح کے مواد سے برقی جنریٹرز اور ٹرانسمیشن لائنوں کی کارکردگی میں خاطر خواہ بہتری آئے گی، جبکہ سپر کنڈکٹیویٹی کی عام ایپلی کیشنز (بشمول پارٹیکل ایکسلریٹرز میں سپر کنڈکٹنگ میگنےٹ اور ایم آر آئی سکینرز جیسے طبی آلات) آسان اور سستا.
بی سی ایس تھیوری کم پڑتی ہے۔
سپر کنڈکٹیویٹی کا کلاسیکی نظریہ (جس کو اس کے دریافت کنندگان، بارڈین، کوپر اور شریفر کے ابتدائی ناموں کے بعد BCS تھیوری کہا جاتا ہے) اس بات کی وضاحت کرتا ہے کہ پارا اور زیادہ تر دھاتی عناصر ان کے نیچے سپر کنڈکٹ کیوں ہیں۔ Tc: ان کے فرمیونک الیکٹران بوسنز بنانے کے لیے جوڑ کر کوپر پیئر کہتے ہیں۔ یہ بوسنز ایک مرحلے سے مربوط کنڈینسیٹ بناتے ہیں جو مادے کے ذریعے ایک سپر کرنٹ کے طور پر بہہ سکتے ہیں جو بکھرنے کا تجربہ نہیں کرتا ہے، اور سپر کنڈکٹیویٹی اس کا نتیجہ ہے۔ تاہم، جب یہ اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز کے پیچھے میکانزم کی وضاحت کرنے کی بات آتی ہے تو نظریہ کم پڑ جاتا ہے۔ درحقیقت، اعلی درجہ حرارت کی سپر کنڈکٹیویٹی کے پیچھے میکانزم کو طبیعیات میں بنیادی حل نہ ہونے والے مسائل میں سے ایک سمجھا جاتا ہے۔
ایک ممکنہ نظریہ، مرحوم امریکی ماہر طبیعیات اور نوبل انعام یافتہ نے پیش کیا۔ فلپ اینڈرسن، ایک کوانٹم رجحان شامل ہے جسے سپر ایکسچینج کہتے ہیں۔ زیادہ مانوس تبادلے کے تعامل کے برعکس، جو الیکٹرانوں کو متاثر کرتا ہے جو جسمانی طور پر اتنے قریب ہوتے ہیں کہ کوانٹم مکینیکل ویو فنکشن اوور لیپنگ ہو، سپر ایکسچینج کو اوورلیپ کی ضرورت نہیں ہوتی۔ اس کے بجائے، یہ ایک کرسٹل مواد میں ایک جالی والے مقام پر تانبے کے ایٹم سے الیکٹرانوں کے "ہاپنگ" سے اگلی سائٹ پر دوسرے تانبے کے ایٹم تک پہنچتا ہے - ایک کوانٹم مکینیکل عمل جس میں الیکٹران آکسیجن کے ایٹموں کے ذریعے سرنگوں میں داخل ہوتا ہے جو تانبے کے دو ایٹموں کو الگ کرتا ہے۔ . اس عمل کے دوران، الیکٹران "عملی طور پر" اپنے پڑوسی کا دورہ کرتا ہے، صرف پکوسیکنڈ بعد دوبارہ واپس آنے کے لیے۔
اینڈرسن کے سپر ایکسچینج تھیوری میں ایک اہم نکتہ یہ ہے کہ اس کا مطلب یہ ہے کہ الیکٹران ایسے حالات تلاش کرتے ہیں جن میں وہ زیادہ بہتر طور پر ہاپ کر سکتے ہیں - مثال کے طور پر، جب ہمسایہ الیکٹران کے گھماؤ مخالف سمتوں میں اشارہ کرتے ہیں، ایک باقاعدہ اسپن اپ/اسپن-ڈاؤن پیٹرن قائم کرتے ہیں۔ ورچوئل ہاپنگ کا رجحان الیکٹرانوں کو ایک دوسرے کے نسبتاً قریب رہنے پر بھی مجبور کرتا ہے، ایک طاقتور قسم کی کوانٹم کشش فراہم کرتا ہے جو مضبوط کوپر جوڑے بنانے میں مدد کر سکتا ہے۔
الیکٹران کے جوڑوں کے کرنٹ کی پیمائش
اب تک، اس طرح کے نظریے کی جانچ کرنا مشکل تھا، لیکن ڈیوس اور ساتھیوں نے اسے معمول کے عام دھاتی نظریے کے بجائے ایک سپر کنڈکٹنگ ٹپ کے ساتھ ترمیم شدہ اسکیننگ ٹنلنگ مائیکروسکوپ (STM) کا استعمال کرتے ہوئے ایسا کرنے کا طریقہ تلاش کیا۔ بی ایس سی سی او کے ایک نمونے میں اس سپر کنڈکٹنگ ٹپ کو جھاڑو دینے سے، وہ انفرادی الیکٹران کے کرنٹ کی بجائے الیکٹران کے جوڑوں کے کرنٹ کی پیمائش کرنے کے قابل تھے۔ اس نے انہیں ہر ایٹم کے ارد گرد کوپر جوڑوں کی کثافت کا نقشہ بنانے کی اجازت دی - سپر کنڈکٹیویٹی کا براہ راست پیمانہ۔
کی سربراہی میں شین اومہونی at آئرلینڈ میں یونیورسٹی کالج کارک اور وانگپنگ رین آکسفورڈ یونیورسٹی میں، ڈیوس کی ٹیم نے پایا کہ جب الیکٹران کو ہاپ کرنا زیادہ مشکل تھا، تو سپر کنڈکٹیویٹی کمزور تھی۔ اس کے برعکس، جب ہاپنگ آسان تھی، سپر کنڈکٹیویٹی مضبوط تھی۔ یہ مشاہدہ مقداری طور پر سپر ایکسچینج پیئرنگ تھیوری کے ساتھ بہترین معاہدے میں تھا، جس کا اب عددی تجزیہ کیا جا سکتا ہے، محققین کا کہنا ہے کہ، اور اس کا سختی سے مطلب ہے کہ سپر ایکسچینج سپر کنڈکٹیو بی ایس سی سی او میں الیکٹران جوڑا بنانے کا طریقہ کار ہے۔
"اگر یہ نئی تجرباتی تکنیک اور نقطہ نظر کسی خاص نظریہ کو درست طور پر پیش گوئی کرنے کے طور پر توثیق کرتا ہے، تو اسے نظریہ سازوں کو مختلف مقامات پر مختلف ایٹموں کے ساتھ مصنوعی مواد ڈیزائن کرنے کی اجازت دینی چاہیے جس کے لیے Tc زیادہ ہے، "ڈیوس کہتے ہیں. "بالآخر، ان مواد میں میگلیو ٹرینوں، نیوکلیئر فیوژن ری ایکٹرز، کوانٹم کمپیوٹرز اور ہائی انرجی پارٹیکل ایکسلریٹر سے لے کر دور رس ایپلی کیشنز ہو سکتی ہیں، جس میں انتہائی موثر توانائی کی منتقلی اور اسٹوریج کا ذکر نہیں کرنا چاہیے۔"
کے مطابق سیڈرک ویبر of کنگز کالج لندن، جو اس کام میں شامل نہیں تھا، ڈیوس کی ٹیم نے "اعلی درجہ حرارت کی سپر کنڈکٹیویٹی کی خوردبینی اصلیت کے بارے میں ہماری سمجھ میں نئے امکانات کا آغاز کیا، خاص طور پر الیکٹرانوں کے مضبوط تعامل کے مسئلے کے تناظر میں"۔ ویبر نے مزید کہا کہ اس طرح کے نظریات کو حل کرنا فطری طور پر مشکل ہے، اور اس کا مقصد ان کلیدی مقداروں کی نشاندہی کرنا ہے جو کمرے کے درجہ حرارت کی کارروائیوں کو حاصل کرنے کے لیے مارکر فراہم کر سکیں۔
کپریٹ سپر کنڈکٹرز میں ایک عجیب جز ہوتا ہے۔
"محققین نے ایک حاصل کیا ٹور ڈی فورس اور چارج ٹرانسفر انرجی میں تبدیلیوں کے حوالے سے سپر کنڈکٹنگ خصوصیات کا ایک منظم مطالعہ فراہم کیا، اور اس پیرامیٹر کی کلیدی مطابقت کا مظاہرہ کیا،" ویبر کہتے ہیں۔ چارج ٹرانسفر انرجی بھی ایک خاص متغیر ہے جو سپر ایکسچینج کپلنگ کی وضاحت کرتا ہے۔ یہ نہ صرف نظریہ اور تجربات کو بہت قریب لاتا ہے، بلکہ یہ بالآخر بہتر سپر کنڈکٹرز کو ڈیزائن کرنے کے لیے روڈ میپ فراہم کرنے کی طرف بھی ایک چھلانگ ہے۔
آکسفورڈ کارک ٹیم، اپنے کام کی اطلاع دے رہی ہے۔ PNAS، کا کہنا ہے کہ یہ نئی تکنیک کا استعمال ہائی ٹمپریچر سپر کنڈکٹنگ کپریٹس کے فیز ڈایاگرام کو دریافت کرنے کے لیے کرے گا تاکہ اس نظریہ کی جانچ کی جا سکے جسے انھوں نے مختلف پیرامیٹرز کی ایک حد کے لیے تجرباتی طور پر درست کیا ہے۔ ڈیوس بتاتا ہے، "اگر کامیاب ہوا، تو ہم دوسرے مواد کے مساوی مطالعے کی کوشش کریں گے۔ طبیعیات کی دنیا.
