تأثير التقارب (الموصلية الفائقة)

يُستخدم مصطلح تأثير التقارب أو تأثير هولم-مايسنر في مجال الموصلية الفائقة لوصف الظواهر التي تحدث عند وضع موصل فائق (S) على اتصال مع مادة غير موصلة فائقة (N). عادةً ما تكون درجة الحرارة الحرجة${\displaystyle T_{c}}$يُقمع التيار الفائق في المادة فائقة التوصيل، وتُلاحظ علامات ضعف التوصيل الفائق في المادة العادية على مسافات متوسطة الحجم . عُرف تأثير التقارب منذ العمل الرائد الذي قام به راجنار هولم ووالتر مايسنر عام 1932. ^{[ 1 ] [ 2 ]} لاحظا مقاومة معدومة في نقاط التلامس المضغوطة SNS، حيث يفصل بين معدنين فائقَي التوصيل غشاء رقيق من معدن غير فائق التوصيل (أي عادي). يُنسب اكتشاف التيار الفائق في نقاط التلامس SNS أحيانًا، خطأً، إلى عمل برايان جوزيفسون عام 1962، مع أن هذا التأثير كان معروفًا قبل نشره بفترة طويلة، وكان يُفهم على أنه تأثير التقارب. ^{[ 3 ]} أدى اكتشاف هذا التأثير إلى دحض نموذج ألبرت أينشتاين للتوصيل الفائق. ^{[ 2 ]}

تترتب الإلكترونات في حالة الموصلية الفائقة بطريقة مختلفة تمامًا عن ترتيبها في المعادن العادية، أي أنها تتجمع في أزواج كوبر . علاوة على ذلك، لا يمكن تحديد موقع ثابت للإلكترونات في المادة نظرًا لتكامل الزخم والموقع . في فيزياء المواد الصلبة، يُختار عادةً أساس فضاء الزخم، وتُملأ جميع مستويات الإلكترونات بالإلكترونات حتى سطح فيرمي في المعدن، أو حتى حافة فجوة الطاقة في الموصل الفائق.

بسبب عدم تمركز الإلكترونات في المعادن، لا يمكن أن تتغير خصائصها بسرعة لانهائية. في الموصلات الفائقة، تترتب الإلكترونات على شكل أزواج كوبر فائقة التوصيل؛ أما في المعادن العادية، فيكون ترتيب الإلكترونات بلا فجوة طاقة (حيث تمتلئ مستويات الإلكترون المفرد حتى سطح فيرمي ). عند تقريب الموصل الفائق من المعدن العادي، لا يمكن أن يتغير ترتيب الإلكترونات في أحدهما فجأةً وبشكل لانهائي إلى ترتيب الآخر عند الحد الفاصل. بدلاً من ذلك، تنتقل حالة الاقتران في الطبقة فائقة التوصيل إلى المعدن العادي، حيث يتلاشى الاقتران بفعل عمليات التشتت، مما يؤدي إلى فقدان أزواج كوبر تماسكها. بالنسبة للمعادن فائقة النقاء، كالنحاس ، يمكن أن يستمر الاقتران لمئات الميكرونات.

وعلى العكس من ذلك، فإن ترتيب الإلكترونات (بدون فجوة) الموجود في المعدن العادي ينتقل أيضًا إلى الموصل الفائق حيث يتم خفض فجوة التوصيل الفائق بالقرب من السطح البيني.

يُطلق على النموذج المجهري الذي يصف هذا السلوك من حيث عمليات الإلكترون المفرد اسم انعكاس أندرييف . وهو يصف كيف تتخذ الإلكترونات في مادة ما ترتيب الطبقة المجاورة لها، مع الأخذ في الاعتبار شفافية السطح البيني والحالات (في المادة الأخرى) التي يمكن أن تتشتت منها الإلكترونات.

كتأثير تلامسي، يرتبط تأثير التقارب ارتباطًا وثيقًا بالظواهر الكهروحرارية مثل تأثير بلتييه أو تكوين وصلات pn في أشباه الموصلات . ويعزز تأثير التقارب من${\displaystyle T_{c}}$ تكون أكبر ما يمكن عندما تكون المادة العادية معدنًا ذا معامل انتشار عالٍ بدلاً من عازل (I). كبح تأثير التقارب لـ${\displaystyle T_{c}}$تكون أكبر قيمة في الموصل الفائق ذي الدوران الأحادي عندما تكون المادة العادية مغناطيسية حديدية، حيث أن وجود المجال المغناطيسي الداخلي يضعف الموصلية الفائقة ( كسر أزواج كوبر ).

تُعدّ دراسة الطبقات الثنائية والمتعددة من نوع S/N وS/I وS/S' (حيث S' هي الموصل الفائق الأدنى) مجالًا نشطًا للغاية في أبحاث تأثير التقارب الفائق التوصيل. يختلف سلوك البنية المركبة في الاتجاه الموازي للسطح البيني عن سلوكها في الاتجاه العمودي عليه. في الموصلات الفائقة من النوع الثاني المعرضة لمجال مغناطيسي موازٍ للسطح البيني، تتشكل عيوب الدوامات بشكل تفضيلي في الطبقات N أو I، ويُلاحظ انقطاع في السلوك عندما يُجبرها المجال المتزايد على الانتقال إلى الطبقات S. وبالمثل، في الموصلات الفائقة من النوع الأول، يخترق التدفق الطبقات N أولًا. لا تحدث تغيرات نوعية مماثلة في السلوك عند تطبيق مجال مغناطيسي عمودي على السطح البيني S/I أو S/N. في الطبقات المتعددة S/N وS/I عند درجات حرارة منخفضة، تسمح أعماق الاختراق الطويلة وأطوال التماسك لأزواج كوبر للطبقات S بالحفاظ على حالة كمومية ثلاثية الأبعاد متبادلة. مع ارتفاع درجة الحرارة، ينقطع التواصل بين طبقات الكبريت، مما يؤدي إلى تحولها إلى سلوك ثنائي الأبعاد. وقد شكّل السلوك غير المتناحي للطبقات الثنائية والمتعددة من الكبريت/النيتروجين، والكبريت/العازل، والكبريت/الكبريت أساسًا لفهم ظواهر المجال الحرج الأكثر تعقيدًا التي لوحظت في الموصلات الفائقة النحاسية عالية الحرارة ذات الخواص غير المتناحية للغاية .

رصدت مجموعة موربورغو البحثية مؤخرًا تأثير هولم-مايسنر التقاربي في الجرافين . ^{[ 4 ]} أُجريت التجارب على أجهزة نانوية مصنوعة من طبقات جرافين أحادية مع أقطاب كهربائية فائقة التوصيل متراكبة، مصنوعة من أغشية التيتانيوم بسمك 10 نانومتر والألومنيوم بسمك 70 نانومتر. يُعد الألومنيوم موصلًا فائقًا، وهو المسؤول عن تحفيز التوصيل الفائق في الجرافين. تراوحت المسافة بين الأقطاب الكهربائية بين 100 و500 نانومتر. يتجلى تأثير التقارب من خلال رصد تيار فائق، أي تيار يمر عبر وصلة الجرافين عند تطبيق جهد صفري عليها. باستخدام أقطاب البوابة، أظهر الباحثون أن تأثير التقارب يحدث سواء كانت حاملات الشحنة في الجرافين إلكترونات أم فجوات. كان التيار الحرج للأجهزة أعلى من الصفر حتى عند نقطة ديراك.    

يُبين هنا أنه يمكن أن توجد دوامة كمومية ذات نواة محددة جيدًا في معدن عادي سميك إلى حد ما، بالقرب من موصل فائق. ^{[ 5 ]}

• انعكاس أندرييف – عملية التشتت عند واجهة المعدن العادي والموصل الفائق 
• تأثير جوزيفسون – ظاهرة فيزيائية كمومية 

• الموصلية الفائقة للمعادن والسبائك، بقلم بي جي دي جين ، رقم ISBN 0-201-40842-2، وهو كتاب مدرسي يخصص مساحة كبيرة لتأثير التقارب فائق التوصيل (يسمى "تأثير الحدود" في الكتاب).