ابررسانایی

رسانایی خاصیتی از مواد است که باعث انتقال انرژی الکتریکی در آنها می شود. این خاصیت در مواد مختلف، یکسان نیست. طلا و نقره رسانا های خیلی خوبی هستند در حالی که شیشه یا پلاستیک اصلاً رسانا نیستند. مانعی در برابر رسانش الکتریکی است که مقاومت نامیده می شود. تغییرات جزیی ترمودینامیکی و الکترو مغناطیسی، روی آن تاثیر می گذارد.
بشر همواره می خواسته که راه های تولید انرژی را ارزان تر کند و یکی از بهترین گزینه ها برای کم کردن هزینه کشف موادی است که مقاومت کمتری دارند. اما در بعضی از مواد وقتی که به یک دمای خاص برسیم، تغییری در حالت ماده به وجود می آید که به آن ابررسانایی می گویند. در این حالت مقاومت الکتریکی از بین می رود به طوری که جریانی که در یک حلقه ابررسانا تولید می شود تا صد هزار سال بدون تغییر باقی می ماند!
● کشف ابررساناها
نرنست فیزیکدان آلمانی نشان داده بود که با کم شدن دما، مقاومت فلز باید به تدریج کاهش یابد تا سرانجام در صفر مطلق به کلی ناپدید شود. یکی از خالص ترین فلزات در آن زمان جیوه بود. به همین دلیل کامرلینگ اونس فیزیکدان هلندی به سراغ اندازه گیری مقاومت جیوه رفت.
نتایجی که وی به دست آورد تا دمای ۴ کلوین طبیعی بود اما پایین تر از این دما ناگهان مقاومت الکتریکی به حدی می رسید که با دستگاه هایی که تا آن روز وجود داشت، قابل اندازه گیری نبود. در سلسله مقالاتی که اونس تا سال ۱۹۱۳ در مورد این پدیده منتشر کرد، نام ابررسانایی را بر روی آن گذاشت. این خاصیت توسط خود اونس در سرب و قلع نیز مشاهده شد.
البته به نظر می رسد که اونس این کلمه را برای صرفه جویی در لغات به کاربرده در مقاله هایش به کار برد و در ابتدا درک عمیقی از آنچه که کشف کرده بود، نداشت.«کارهه کامرلینگ اونس» اصیل زاده هلندی در سال ۱۹۱۳ به خاطر کشف خاصیت ابررسانایی به دریافت بزرگترین جایزه علمی دنیا، نوبل فیزیک مفتخر شد.
● اندازه گیری مقاومت ابررسانا
اونس برای اندازه گیری مقاومت ابررسانا آزمایشی را به این صورت طرح کرد که ابتدا جریانی را در دو سر یک پیچه برقرار کرد و سپس آن را داخل یک ظرف هلیم مایع فرو برد تا به حالت ابررسانایی درآید.
سپس دو سر پیچه را به هم وصل کرد تا اتصال کوتاه شود. سپس با قرار دادن یک قطب نما، هرگونه افت در میعان مغناطیسی تولید شده توسط جریان در پیچه را اندازه گرفت. چنین آزمایشی، چندین سال بعد در MIT (موسسه فناوری ماساچوست) در ابعاد بسیار بزرگ انجام شد و پس از مدت دو سال هیچ گونه افت جریانی مشاهده نشد. اما سرانجام اعتصاب صنفی کارگران بخش حمل و نقل در ایالت ماساچوست باعث شد که هلیم مایع به موقع به آزمایشگاه نرسد و آزمایش متوقف شود.
● اثر میدان مغناطیسی
کشف خاصیت ابررسانایی در نخستین مراحل، دانشمندان را مصمم به ساخت منبع لایزالی برای تولید انرژی کرد؛ یعنی ساخت سیم پیچ هایی عظیم از ابررسانا برای صرفه جویی در مصرف برق. اما این بار هم اونس بود که نشان داد زیاد شدن میدان مغناطیسی باعث از بین رفتن خاصیت ابررسانایی می شود.در واقع هم دما و هم میدان مغناطیسی و هم شدت جریان الکتریکی عبوری در ایجاد خاصیت ابررسانایی در فلزات موثر است. اگر میدان مغناطیسی در محیط ایجاد شود، دمای ابررسانی پایین تر می رود.
● ماهیت ابررسانایی
از زمان کشف خاصیت ابررسانایی تا بیش از نیم قرن پس از آن هر دهه به طور متوسط ۷ یا ۸ نظریه برای توضیح ابررسانایی ارایه می شد. اما همه این نظرات در یک نکته با هم مشترک بودند و آن عدم انطباق با واقعیت بود. کار به جایی رسید که فلیکس بلوخ، فیزیکدان حالت جامد فرضیه جدیدی را به طنز منتشر کرد که تا مدت مدیدی تنها نظر صحیح در مورد ابررسانایی بود: «می توان ثابت کرد هر نظریه ای که برای توضیح ابررسانایی داده شود، غلط است!»
در تمام این مدت افرادی نظیر مایسنر، برادران لاندن، گورتر، کازیمیر، ابریکوسوف، لاندایو و گینزبرگ کشفیات نظری و تجربی مهمی در مورد ابررسانایی انجام داده بودند که بعضی از آنها هم به خاطر کشفیات شان موفق به اخذ جایزه نوبل فیزیک شدند. اما سرانجام در ۱۹۵۷ سه فیزیکدان آمریکایی باردین، کوپر و شریفر در مقاله ای که ۱۵ سال بعد (۱۹۷۲) جایزه نوبل فیزیک را برایشان به ارمغان آورد، موفق به توضیح ابررسانایی شدند.
این تیوری که به اختصار BCS (ابتدای نام سه نویسنده) نامیده می شود، در مجله فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسید. ایده این نظریه را سال قبل کوپر در مقاله‌ای که در آن تشکیل یک زوج از الکترون ها را داده بود، فراهم کرده بود.در حقیقت تشکیل یک زوج از الکترون باعث می شود که این زوج در هنگام حرکت در طول یک رسانا اثرات اصطکاکی ناشی از مقاومت را حس نکنند. البته این تنها یک توصیف بسیار ساده شده از آنچه که واقعاً رخ می دهد است.
پدیده های مهمی در این بین رخ می دهند که باردین، کوپر و شریفر در مقاله شان توضیح دادند. لازم به ذکر است که جان باردین تنها فیزیکدانی است که دو بار موفق به کسب جایزه نوبل فیزیک شده است: در ۱۹۵۶ به خاطر کشف نیم‌رساناها و در ۱۹۷۲ به خاطر توضیح ابررسانایی.
● ابر رسانا های دمای بالا
اما ماجرا با توضیح ابررسانایی خاتمه نیافت. در دهه ۱۹۸۰ در آزمایشگاه IBM در زوریخ فیزیکدان سوییسی، الکس مولر به همراه دستیار جوانش جورج بدنورز در حال ساخت نوعی سرامیک بودند که اشتباه این جوان در گرم نکردن یک اجاق باعث کشفی شد که هم پای کشف آتش از بزرگترین دستاورد های بشر در تهیه انرژی است.
این سرامیک در دمای بسیار بالاتری از صفر مطلق در حدود ۷۰ تا ۸۰ کلوین خاصیت ابررسانایی از خود بروز می دهد. البته امروزه ابررساناهای سرامیکی ساخته شده اند که تا بیش از ۲۰۰ کلوین (منفی ۶۰ درجه سانتیگراد) از خود خاصیت ابررسانایی نشان می دهند. امروزه گروه های مختلفی از سرتاسر جهان به دنبال این هستند که بالاخره ماده ای را کشف کنند که بتواند در دمای معمولی (۳۰۰ کلوین) هم از خود خاصیت ابررسانایی نشان دهد.
همان طور که از ظاهر امر برمی آید، خاصیت ابررسانایی در سرامیک ها و فلزات، سرشتی متفاوت دارند. سرامیک ها، نارسانا هستند و سپس به ابررسانا تبدیل می شوند. در حالی که فلزات رسانا هستند و ناگهان مقاومت در آنها صفر می شود. دمای گذار به ابررسانایی هم در فلزات بسیار پایین تر از سرامیک ها است. به این ترتیب نظریه BCS دیگر قادر به توضیح ماهیت ابررسانایی در سرامیک ها یا ابررسانا های دمای بالا (High TC) نیستند. دانشمندان تاکنون نظریه ای رضایت بخش برای توضیح این پدیده نیافته اند و این مسیله یکی از مهم ترین مسایل حل نشده تاریخ فیزیک است.
● تکنولوژی ابررساناها
در ارتباط با ابررسانا های جدید در دمای بالا تاکنون هیچ کاربرد تجاری در گستره دمایی که فعلاً کشف شده (زیر ۲۰۰ کلوین) به طور کامل به منصه ظهور نرسیده است. حتی در آزمایش های فضایی که در دمایی پایین تر از دمای گذار به ابررسانایی در این مواد انجام می شود، پژوهشگران ترجیح می دهند از همان ابررسانا های قبلی و در محیط هلیم مایع استفاده کنند تا به تمام جنبه های مسیله مسلط باشند. فوری ترین کاربرد برای ابررسانا های دمای بالا ساخت تراشه های فوق سریع است که انقلابی عظیم را در فناوری اطلاعات ایجاد خواهد کرد که با اختراع ترانزیستور ها قابل قیاس است.
یکی از کاربرد های ابررسانا ها با توجه به حساسیت آنها به میدان مغناطیسی اکتشافات معدنی، زمین شناختی و حتی ردیابی زیردریایی ها است. ساخت قطار هایی که با استفاده از خاصیت ابررسانایی میدان مغناطیسی تولید می کنند که آنها را بالاتر از سطح زمین و بدون هیچ گونه اصطکاک با ریل که موجب تلف کردن مقدار زیادی از انرژی می شود، قطار را به حرکت درمی آورد، یکی از شناخته شده و معروف ترین کاربرد های ابررسانایی است. این قطار ها قادرند مسافت بیش از ۵۰۰ کیلومتر را در کمتر از یک ساعت بپیمایند.
به کار بردن ابررسانا ها در خطوط انتقال نیرو حتی با احتساب کلیه هزینه های سرد نگه داشتن ابررسانا رقمی معادل ۷۰ تا ۸۰ درصد صرفه جویی در مصرف برق را نشان می دهد که بسیار عظیم است.به کار بردن ابررسانا ها در وسایل تحقیقاتی (مثل شتاب دهنده ها) و وسایل پزشکی (مثل دستگاه MRI) از کاربرد های عادی ابررسانا ها شده است.
به کار بردن ابررسانا های سرامیکی مزیت دیگری هم دارند و آن این که برای سرد کردن آنها (با توجه به دمای بالاتر نسبت به ابررسانا های فلزی) به جای هلیم مایع می توان از نیتروژن مایع استفاده کرد که بسیار ارزان تر و فراوان تر است. یکی از مهم ترین مسایل فنی، تبدیل ابررسانای سرامیکی به هلیم است که باید حل شود و تا آن زمان چاره ای جز صبر نداریم.

منبع: دانشجویان