6.11 فوق موصلیت اور جوزیفسن کا مظہر

ہوم ／ باب:6 کمیت کا دائرہ

I. مظاہر اور بنیادی سوالات

جب کچھ دھاتیں یا سرامک بہت زیادہ ٹھنڈی کی جاتی ہیں تو برقی مزاحمت پیمائش سے بھی کم ہو جاتی ہے اور ایک بند حلقے میں بہنے والا برقی دھارا برسوں تک کمزور ہوئے بغیر گردش کرتا رہتا ہے۔ بیرونی مقناطیسی میدان عموماً مادے کے اندر سے دھکیل دیا جاتا ہے، مگر خاص حالات میں یہ بے حد باریک اور مقداری نالیوں کی صورت اندر داخل ہوتا ہے جنہیں فلکس ٹیوبیں سمجھا جا سکتا ہے۔ اگر دو فوق موصل ٹکڑوں کے درمیان نہایت باریک موصل شکن تہہ رکھی جائے تو بغیر لگے ہوئے وولٹیج کے بھی ایک مستحکم فوق دھارا بہتا ہے، اور جب ریڈیو فریکوئنسی کی جنبش دی جائے تو وولٹیج صاف صاف درجوں میں بندھ جاتا ہے۔

یہی اوصاف فوق موصلیت اور جوزیفسن کے مظہر کو واضح کرتے ہیں، یعنی صفر مزاحمت، مکمل رد مقناطیسیت یا مقداری فلکس کی صورت اندر داخلہ، صفر وولٹیج پر فوق دھارا اور ریڈیو فریکوئنسی کے تحت وولٹیج کی سیڑھی۔ سوال یہ بنتا ہے کہ ٹھنڈا کرتے ہی برقی دھارے کا گویا گھساٹ کیوں غائب ہو جاتا ہے، میدان صرف مقررہ مقدار کی باریک نالیوں کی شکل میں ہی کیوں داخل ہوتا ہے، دھارا موصل شکن تہہ کے پار کیسے گزرتا ہے اور مائیکرو ویو کیوں ردعمل کو برابر درجوں میں قید کر دیتے ہیں۔

II. توانائی کے ریشوں کا نظریہ کے مطابق تعبیر، جوڑی باندھنے اور مرحلہ بند کرنے سے لے کر رکاوٹ کے پار ہم آہنگ ترسیل تک

• پہلے جوڑی، پھر مرحلے کی سلائی
  توانائی کے ریشوں کے نظریے میں الیکٹران ایک مستحکم یک حلقہ گھماؤ کی مانند ہے جس کی بیرونی پرت توانائی کے سمندر اور قلمی جالے کے ساتھ میل رکھتی ہے۔ درجہ حرارت گھٹنے پر جالے کی لغزش کم ہوتی ہے اور کچھ مادوں میں کھنچاؤ کا ہموار راہداری بنتی ہے جس پر الیکٹران ایک دوسرے کے پیچھے چلتے ہیں، یوں خلاف رخ گھومنے والے دو الیکٹران مل کر جوڑی بناتے ہیں۔ یہ جوڑ بندی توانائی کے ضیاع کی بہت سی راہیں ختم یا کم کر دیتی ہے۔ مزید ٹھنڈک بیرونی پرتوں کے مرحلے ایک رخ کر دیتی ہے اور پورے نمونے پر ایک مشترک مرحلہ جاتی جال بچھ جاتا ہے جو ایک بہتے ہوئے مرحلہ قالین کی طرح برتاؤ کرتا ہے۔
• صفر مزاحمت کی وجہ، ضیاع کی راہوں کا اجتماعی بند ہونا
  عام مزاحمت تب جنم لیتی ہے جب دھارا ننھی ننھی راہوں سے توانائی ماحول کو سونپتا ہے، جیسے میل، فونون یا کھردری سرحدیں۔ جب مرحلہ قالین تنا رہتا ہے تو مقامی سلوٹیں بننا دشوار ہو جاتا ہے جو ہم آہنگی توڑتی ہیں، یوں ضیاع کی حد فوراً بلند ہو جاتی ہے۔ جب تک دباؤ قالین کو نہ چیر دے دھارا توانائی نہیں بہاتا اور مشاہدہ صفر مزاحمت کا ہوتا ہے۔
• رد مقناطیسیت اور فلکس کا مقداری ہونا، مرحلہ من مانی مروٹ نہیں سہتا
  اندرونی ہمواری کو قائم رکھنے کے لیے مرحلہ قالین مقناطیسی مروٹ کی مزاحمت کرتا ہے، اسی لیے سطح پر واپسی دھارے پیدا ہو کر میدان کو باہر دھکیلتے ہیں۔ کچھ مادوں میں میدان باریک ریشوں کے طور پر اندر جانے دیا جاتا ہے اور ہر ریشہ مرحلے کے گرد ایک پوری گنتی کے چکر کے برابر ہوتا ہے، یہی مقناطیسی فلکس کی مقداری حیثیت ہے۔ ان ریشوں کو کھنچے ہوئے ریشے کی کھوکھلی جڑ سمجھا جا سکتا ہے جس کے گرد مرحلہ لپٹتا ہے، یہ ایک دوسرے کو دھکیلتے ہیں اور جیومیٹری ترتیبیں بناتے ہیں۔
• جوزیفسن کا فوق دھارا کیوں بنتا ہے، تنگ خلا کے پار ہم آہنگ حوالگی
  جب دو مرحلہ قالینوں کے بیچ نہایت باریک موصل شکن یا کمزور دھاتی پُل رکھا جائے تو درمیانی خطہ قریب قریب تنقیدی حالت میں ہوتا ہے، ابھی پورا ہم آہنگ نہیں مگر بہت نزدیک۔ اس تنگ درز میں جوڑیوں کے مرحلے ہم آہنگی سے ایک دوسرے کو دے سکتے ہیں، یعنی کوئی اکیلا ذرہ رکاوٹ نہیں توڑتا بلکہ ایک چھوٹا سا مرحلہ پُل گویا سل کر خلا کے اوپر بن جاتا ہے۔ جب دونوں طرف تال ایک جیسا ہو تو یہ پُل مرحلہ کو ٹھہراؤ سے لے جاتا ہے اور بغیر وولٹیج کے فوق دھارا بہتا ہے۔ تال میں فرق ہو تو لگے ہوئے وولٹیج یا ریڈیو فریکوئنسی کی وجہ سے مرحلے کا فرق یکنواں بدلتا ہے یا بیرونی سر کی گرفت میں آ جاتا ہے، یوں پُل ٹھہرے ہوئے آہنگ میں فوق دھارا پمپ کرتا ہے اور بدلتی رو جیسا برتاؤ اور بندھی بندھی درجے بنتے ہیں۔
• ہمیشہ کمال کیوں نہیں، عیب اور شگاف ضیاع کو پھر کھول دیتے ہیں
  زیادہ دھارا، طاقتور میدان، بڑھتا ہوا درجہ حرارت یا وہ عیوب جو مرحلے کو پن کر دیتے ہیں مقداری بگولوں کو چلنے پر اکساتے ہیں۔ جب بگولے رینگتے ہیں تو مرحلہ قالین میں چھوٹے سوراخوں کی زنجیریں بنتی ہیں جن سے توانائی نکل جاتی ہے اور نتیجہ یہ نکلتا ہے کہ ایک حدی دھارا طے ہوتا ہے، ضیاع کی چوٹیاں نمودار ہوتی ہیں اور ردعمل خطی نہ رہتا۔

III. عام منظرنامے

• فوق موصل مادّوں کی دو خاندان نما قسमें
  ایک قسم تقریباً سارا میدان باہر دھکیل دیتی ہے اور حد پار ہونے پر یک لخت فوق موصلیت سے ہاتھ دھو بیٹھتی ہے۔ دوسری قسم باریک نالیوں کی صورت فلکس اندر آنے دیتی ہے، زور دار میدان میں بگولوں کی جالیاں بنتی ہیں جو پھر بھی دھارا تھامے رہتی ہیں۔ یہ فرق بتاتا ہے کہ مرحلہ قالین مقناطیسی مروٹ کتنا جھیلتا ہے۔
• فوق موصل حلقہ اور پائیدار دھارا
  بند کڑی میں مرحلے کا گھیرا پورے گنتی چکروں کے برابر ہونا چاہیے، قالین سلامت رہے تو دھارا بہت دراز مدت تک باقی رہتا ہے۔ اگر مقید فلکس پوری گنتی کا ضارب نہ ہو تو نظام نزدیک ترین پوری حالت پر جست لگا دیتا ہے اور جدا جدا مستحکم درجے دکھائی دیتے ہیں۔
• سرنگی جوڑ اور کمزور ربط
  نہایت باریک درز میں فوق دھارا بغیر وولٹیج کے بھی بہہ جاتا ہے، ریڈیو فریکوئنسی پر وولٹیج کی سیڑھیاں ظاہر ہوتی ہیں جو بتاتی ہیں کہ مرحلے کا فرق بیرونی تال کے ساتھ بندھ گیا ہے۔
• متوازی حلقہ، تداخل ناپنے کا آلہ
  جب دو مرحلہ پُل مل کر چھوٹا حلقہ بناتے ہیں تو بیرونی فلکس کے نیچے دونوں پر مرحلے کی کھسک مختلف ہوتی ہے، نتیجہ یہ نکلتا ہے کہ فوق دھارا فلکس کے ساتھ باقاعدہ جھولا کھاتا ہے اور نہایت حساس فلکس میٹر کی طرح کام دیتا ہے۔

IV. قابل مشاہدہ نشانیاں

• حدی درجہ حرارت سے نیچے مزاحمت کا تیزی سے صفر پر گر جانا۔
• مکمل رد مقناطیسیت یا باریک فلکس نالیوں کے جال جو باقاعدہ نمونوں میں نظر آئیں۔
• صفر وولٹیج پر فوق دھارا اور وہ حدی دھارا جس پر نظام ٹوٹ جاتا ہے۔
• ریڈیو فریکوئنسی کے تحت وولٹیج کی بندھی ہوئی سیڑھیاں جو مرحلے کے فرق کی تال بندی کی تصدیق کرتی ہیں۔
• چھوٹے حلقوں میں فلکس کے حوالے سے تداخل کی مدت کا مستقل رہنا۔
• بگولوں کا پِن ہونا اور رینگنا جو ضیاع کم کرتے ہیں مگر حدی دھارا بڑھا دیتے ہیں اور ضیاع کی چوٹیاں ابھارتے ہیں۔

V. رائج بیان کے ساتھ پہلو بہ پہلو

رائج بیان جوڑ باندھنے کو بڑے پیمانے کے ترتیب پیرامیٹر کے ذریعے دکھاتا ہے جس میں مرحلہ شامل ہوتا ہے۔ صفر مزاحمت مرحلہ جاتی دھار کے بے ضیاع بہاؤ سے جنم لیتی ہے، رد مقناطیسیت مرحلے کی مروٹ کے خلاف مزاحمت سے پیدا ہوتی ہے اور فلکس کی مقداری خاصیت اور بگولے اس شرط سے آتے ہیں کہ گھیرا پوری گنتی کے مطابق ہو۔ توانائی کے ریشوں کا نظریہ اسی منظر کو زیادہ ملموس زبان میں رکھتا ہے، الیکٹران کی جوڑیاں جڑی ہوئی حلقے بنتی ہیں، مرحلہ قالین پورے نمونے پر مشترک جال بنتا ہے، صفر مزاحمت ضیاع کی راہوں کے اجتماعی بند سے نکلتی ہے، فلکس کی مقداری حالت کھنچے ہوئے ریشے کی کھوکھلی جڑ کے گرد ایک بلند مرتبت عیب بن کر ظاہر ہوتی ہے اور جوزیفسن کی کیفیت قریب تنقیدی خلا پر چھوٹے مرحلہ پُل کی صورت میں سامنے آتی ہے۔ مقداری قوانین اور مظاہر باہم موافق ہیں، فرق بس حکایت کا ہے جو جیومیٹری کو ریشوں اور سمندر کی کہانی سے جوڑ دیتی ہے۔

VI. خلاصہ یہ کہ

فوق موصلیت کا مطلب یہ نہیں کہ الیکٹران اک دم کامل ہو جائیں، اصل ترتیب یہ ہے کہ الیکٹران جوڑی بناتے ہیں، ان کے مرحلے ایک مشترک قالین میں بندھتے ہیں اور پھر یہی مرحلہ ہم آہنگی سے رکاوٹوں کے پار حوالہ ہوتا ہے۔

• ہلکی سی جنبش پر قالین توانائی کے رساؤ کے راستے بند کرتا ہے، نتیجہ صفر مزاحمت۔
• قالین من مانی مروٹ کے خلاف ڈٹتا ہے، مقناطیسی میدان کو باہر دھکیلتا ہے یا صرف مقداری بگولوں کو اندر گزرنے دیتا ہے۔
• دو قالینوں کے بیچ قریب تنقیدی خلا مرحلہ پُل سے پاٹا جا سکتا ہے جو بغیر وولٹیج کے فوق دھارا اٹھاتا ہے اور بیرونی تال کے تحت وولٹیج کی سیڑھی بناتا ہے۔

ایک سطر میں یاد رکھیے جوڑی بنائیں، مرحلہ باندھیں، اور ہم آہنگی سے پار پہنچائیں — فوق موصلیت اور جوزیفسن کے سارے کرشمے اسی تین قدمی سلسلے سے پھوٹتے ہیں۔