RSS
انجمن @ شبکه‌های اجتماعی
شرح خبر
اخبار علمی و پژوهشی
شارشِ وارونِ گرما در پیوند جوزفسون (۱۳۹۱/۱۰/۲۲)
اثر گرمایی جوزفسون برای اولین بار در آزمایشگاه اندازه گیری شده است. این اثر زمانی اتفاق می‌افتد که گرما در طول شکافی که بین دو ابررسانا قرار دارد٬ منتقل گردد. این آزمایش تأیید نظریه‌ای‌ست که طبق آن، جریان تداخلی می‌تواند بعضی اوقات٬ گرما را از طرف سرد به طرف گرم منتقل کند.
این آزمایش توسط دو فیزیک‌دان در ایتالیا انجام شده و پیش‌بینی نظری بنا نهاده شده در سال ۱۹۶۵ را اثبات می‌کند. بعلاوه٬ اثبات این پیش‌بینی عجیب که در آن مقداری گرما از طرفِ سردِ پیوند به طرفِ گرم جاری می‌شود٬ پیشرفت غیرمنتظره را می‌تواند در توسعه بیشتر مدارهای گرمایی باعث شود؛ بسیار شبیه روشی است که بار الکتریکی در قطعات الکترونیکی استفاده می‌کند.
اثر سنتی جوزفسون در سال ۱۹۶۲ توسط فیزیک‌دان انگلیسی٬ برایان جوزفسون٬ پیش‌بینی شد و کمتر از یک سال پیش در آزمایشگاه مشاهده شده است. این اثر در پیوند جوزفسون اتفاق می‌افتد و زمانی ایجاد می‌شود که دو ابررسانا توسط یک لایه‌ی نازکی از ماده‌ی غیرابررسانا٬ یا فضای تهی از همدیگر جدا شده‌اند. جوزفسون نشان داد که جفت‌های کوپر-الکترون‌های جفت‌شده که هیچ مقاومت الکتریکی را داخل ابررسانا تجربه نمی‌کنند- می توانند در طول پیوند٬ تونل زنی کنند. همه‌ی جفت‌های کوپری در حالت کوانتومیِ یکسانی قرار داشته و بنابراین با تابع موج یکسانی نمایش داده می‌شوند. جریان تونل‌زنی٬ تابع سینوسی از اختلاف فازِ تابعِ موج میان یک طرف شکاف و طرف دیگر آن است. نتیجه اینکه٬ حتی اگر هیچ ولتاژ اعمالی وجود نداشته باشد٬ جفت‌های کوپری در طول شکاف جریان خواهند داشت.
اگر ولتاژ در طول پیوند اعمال شود٬ آنگاه شرایط پیچیده‌تر می‌شود و سه فرآیند متفاوت٬ چگونگی شارش جریان در طول پیوند را تحت تاثیر قرار می‌دهد. اولاً٬ جمله‌ی غالب٬ ابرجریان جوزفسون است که بایستی حتی در غیاب ولتاژ نیز وجود داشته باشد. سهم دوم از ناحیه‌ی جفت‌های کوپری است که به اجزایشان٬ که همان الکترون‌های طبیعی هستند٬ شکسته شده و می‌توانند تحت اثر ولتاژ اعمالی٬ در طول سد پتانسیل٬ تونل زنی کنند. نهایتاً یک جریان تداخلی وجود خواهد داشت که ناشی از اندرکنش بین دو فرآیند اولیه است.
بایاس گرمایی
در سال ۱۹۶۵ کازومی ماکی و الان گریفین از دانشگاه کالیفرنیای سن دییِگو آنچه را که در زمان ایجاد یک پیوند جوزفسون در بایاس حرارتی معین - یعنی یک طرف اندکی گرم‌تر از طرف دیگر باشد- به جای یک بایاس عادی ولتاژ٬ اتفاق می‌افتد را محاسبه کرده‌اند. فلزات عادی می‌توانند٬ توسط الکترون‌های پرانرژی که از نواحی گرم به مناطق سرد حرکت می‌کنند٬ حرارت را منتقل کنند- آن الکترون‌ها محیط پیرامون را با پراکندگیِ از اتم‌ها گرم کرده و باعث ایجاد نوسانات شبکه می‌شوند. چون جفت‌های کوپر بدون پراکندگی حرکت می کنند٬ این را نمی توان در مورد ابررساناها بکار برد. بنابراین در یک پیوند جوزفسونی که به شکل گرمایی بایاس شده٬ ابَرجریان هیچ سهمی در جریان گرمایی ندارد. با این وجود٬ هم تونل‌زنی الکترونی و هم جریان تداخلی می توانند در انتقال حرارت در طول یک پیوند سهیم باشند.
شارش گرمایی ناشی از تونل‌زنی الکترون‌ها٬ فرآیند سرراستی است که در آن همیشه گرما از طرف گرم‌تر به طرف سردترِ پیوند حرکت می‌کند. آن بخشی از پیش‌بینی ماکی و گریفین که کنجکاوبرانگیز است٬ این است که جریان تداخلی می‌تواند بعضی اوقات٬ گرما را از طرف سرد به طرف گرم ببرد. دلیل آن این است که٬ همانند ابرجریان٬ به تابع ابررسانایی بستگی دارد.
دشوارِ برای آزمایش
بر اساس گفته‌ی فرانسیسکو جیازاتو و ماریا خوزه مارتینز-پرز از موسسه نِست علم‌نانو و Scuola Normale Superiore در پیزا٬ که برای اولین بار این کار را انجام دادند٬ آزمودن این پیش‌بینی به سختی اثبات شده است. به این دلیل که برخلاف جریان‌های الکتریکی٬ جریان‌های گرمایی نمی‌توانند به طور مستقیم اندازه گیری شوند. به گفته‌ی جیازاتو٬ تناظری برای یک آمپرمتر برای جریان گرمایی وجود ندارد که بتوان٬ کمیت مشاهده پذیری را اندازه‌گیری کرد که مانند دما فقط به جریان گرمایی مرتبط باشد. وی همچنین بیان می‌کند که برخلاف آنچه برای بار الکتریکی اتفاق می‌افتد٬ در مورد این آزمایش بسیار دشوار است که بتوان مسیر شارش گرمایی را دنبال کرد.
جیازاتو و مارتینز-پرز اندازه‌گیری‌هایشان را بر دستگاه تداخل کوانتومی ابررسانایی (SQUID) - حلقه‌ای از ابررسانا که توسط دو پیوند جوزفسون شکسته شده- بنا نهاده‌اند. یک نیمه از حلقه در دمای کمی گرم‌تر نگه داشته شده است و باعث می شود٬ همچنان‌که پش‌بینی می‌شد٬ الکترون‌های عادی گرما را در طول دو پیوند به طرف خنک‌تر برسانند.
این آزمایش شامل تغییر مقدار شار مغناطیسی است که از طول SQUID می‌گذرد٬ که به نوبه‌ی خود طبیعت تابع موج را در پیوند جوزفسون تحت تاثیر قرار می‌دهد. با نشان دادن اینکه٬ چنانچه شار مغناطیسی تغییر می‌یابد٬ شارش گرمایی بین مقادر بیشینه و کمینه مدوله می‌شود٬ جیازاتو و مارتینز-پرز تایید کرده اند که جریان تداخلی می‌تواند گرما را از ناحیه‌ی سرد به گرم منتقل کند. هرچند شارش گرمایی کلی معکوس نمی‌شود٬ زیرا شارشی که توسط تونل‌زنی الکترون‌های عادی در طول پیوندها ایجاد می شود جریان غالب است.
نتیجه بسیار روشن
ریموند سایموند از موسسه ملی استاندارد و فناوری در بولدرِ کرادو با چالش‌های آزمایشی که محققان بر آن غلبه کردند تحت تاثیر واقع شده است. او اظهار می‌کند: واقعاً شگفت‌آور است که آنها توانسته‌اند یک نتیجه‌ی بسیار روشن را اندازه گیری کنند. بایستی برای ساخت دستگاه‌های گرماده٬ مهندسی بسیار خوبی را بکار برده باشند٬ دماسنجی آن ها نیز به خوبی٬ همگی بر روی یک دستگاه کوچک نقش بسته است. همچنین مهندسی تمامی اتصالات آن٬ به منظور مطمئن شدن از اینکه سیستم توسط زیرلایه دچار اتصالِ کوتاه نشود٬ تحسین برانگیز است.
جازیوتو و همکارانش به دنبال کاربردهای عملی ممکن این نتیجه هستند. او حدس می‌زند نوعی مدار کالُریترونیک همدوس- تناظری برای الکترونیک اما با حرارت٬ وجود داشته باشد. وی پیشنهاد می‌دهد که ممکن است این تکنیک برای مثال جهت تولید ترانزیستورهای یا یکسوکننده‌های گرمایی یا حتی برای تولید قطعاتی که هیچ تناظر الکتریکی ندارند نیز بکار رود.
اندازه‌گیری‌ها در مجله نیچر توصیف شده‌اند.
درباره نویسنده:
تیم وگان نویسنده‌ی علمی مستقر در انگلستان است.
منبع:
Heat flows 'backwards' across Josephson junction
نویسنده خبر: بهنام زینال‌وند فرزین
کد خبر : 816
آمار بازدید: ۲۹۹
آمار بازدید: ۲۹۹
«استفاده از اخبار انجمن فیزیک ایران و انتشار آنها، به شرط
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»
حامیان انجمن فیزیک ایران (به حامیان انجمن بپیوندید)
Server:
Iran (45.82.138.40)
