ابر رسانايي، شگفتي دنياي بدون مقاومت

زماني كه در سال 1908 دانشمند هلندي "كامرلينگ اونز" (1) موفق به ميعان هليوم شد، در بين فيزيكدانان سه نظريه در رابطه با رسانايي الكتريكي مواد وجود داشت.
1- مقاومت در دماي محيط با كاهش دما، كاهش مي يابد. بعضي مي پنداشتند كه در دماهاي پايين نيز چنين است.
2- با كاهش دما مقاومت تا يك حدي كاهش مي يابد.
3- گروهي نيز تصور مي كردند كه در دماهاي نزديك به صفر مطلق با كاهش دما، مقاومت الكتريكي افزايش مي يابد. استدلال آنها اين بود كه در اين دماها، حركت الكترون ها يعني حاملات بار الكتريكي، سخت مي شود.
سه سال بعد، اونز اقدام به سرد كردن جيوه به كمك هليوم مايع كرد. او مي خواست بداند در دماهايي پايين واقعاً چه اتفاقي براي مقاومت الكتريكي مواد مي افتد. نموداري كه او براي جيوه به دست آورد، غيرمنتظره بود و شباهتي به نظريات بالا نداشت. او مشاهده كرد كه در دماي حدود 4/2 كلوين، مقاومت الكتريكي جيوه دچار افت ناگهاني شده و ناپديد مي شود. او ابررسانايي را كشف كرده بود!
اونز در ادامه كارهايش نشان داد كه قلع و سرب نيز مي توانند ابر رسانا شوند. در سال هاي بعد، دانشمندان بسياري در زمينه ابررسانايي تحقيق كردند و مواد ابررساناي گوناگوني را كشف كردند كه نشان داد ابررسانايي، پديده اي نادر نيست.
همان طور كه گفته شد، ابررساناها موادي هستند كه مقاومت الكتريكي آنها، وقتي دما از حد معيني پايين تر برود، از بين مي رود. اين دما كه در آن ماده به ابررسانا تبديل مي شود، به "دماي گُذار" موسوم است. به عبارت ديگر، جريان درون يك مدار ابر رسانشي بسته با گذشت زمان كاهش نمي يابد. ابر رساناها را به دو نوع I و II تقسيم مي كنند. بسياري از عناصر ابررساناهاي نوع I هستند اما ابررساناهاي نوع II بيشتر شامل آلياژها و تركيبات بين فلزي هستند. تفاوت اصلي بين اين دو نوع ابررسانا، مربوط به تفاوت در رفتار آنها در برابر ميدان مغناطيسي خارجي است.
با آن كه پديده ابر رسانايي در سال 1911 كشف شده بود، اما يك نظريه موفق براي توجيه آن اولين بار در سال 1957 توسط سه فيزيكدان به نام هاي "باردين"، "كوپر" و "شريفر" ارائه شد. اين نظريه به نام BSC (2) معروف است و اين سه دانشمند جايزه نوبل سال 1972 را براي اين نظريه دريافت كردند. باردين قبل از اين، جايزه نوبل ديگري را براي ساخت ترانزيستور گرفته بود و او اولين كسي بود كه در يك رشته، دوبار جايزه نوبل را گرفت (پس از او "فردريك سانگر" (3) در رشته شيمي دوبار جايزه نوبل را برد). به بيان ساده مي توان گفت كه بر اساس نظريه BSC، شارش جفت الكترون هاي كوپر، ردپا و مسيري را براي شارش الكترون هاي ديگر به وجود مي آورند. جزئيات مربوط به اين نظريه نيازمند دانشي قوي از رياضيات و فيزيك است.

خواص و كاربردها
 

هنگامي كه يك ماده ابر رسانا داخل ميدان مغناطيسي قرار مي گيرد، به ميدان مغناطيسي اجازه نمي دهد تا از درون آن عبور كند. در اين حالت، جريان هايي داخل ابررسانا به وجود مي آيند تا ميدان خارجي را خنثي كنند. اين خاصيت طرد كردن ميدان مغناطيسي، "اثر مايسنر" (4) نام دارد. بنابراين، اگر آهن ربايي را روي يك ماده ابررسانا قرار دهيم، ميدان مغناطيسي به وجود آمده توسط ابررسانا، سبب شناور شدن آهن ربا مي شود.
اين بدان معناست كه مي توان توسط ابررسانا و با بهره گيري از مايسنر، مواد مغناطيسي را شناور ساخت. در حال حاضر در كشورهايي همچون آلمان و ژاپن، تحقيقات براي ساخت قطارهاي معلق و بدون تماس با ريل ادامه دارد. در واگن هاي اين قطارها، مغناطيس هاي ابررسانشي قرارمي دهند و ريل هاي آن را نيز از حلقه هاي رسانا مي سازند. وقتي قطار توسط يكي از روش هاي عادي سرعت مي گيرد، جريان هايي در حلقه هاي رسانا طوري القا مي شوند كه با ميدان مغناطيسي اوليه مخالفت مي كند (قانون لنز (5)) و قطار را روي ريل معلق نگه مي دارد. چنين قطارهاي سريع السيري به دليل نبود نيروي اصطكاك بين ريل و قطار، مي توانند با سرعت هاي بسيار بالاحركت كنند. نمونه اي از اين قطارها در ژاپن آزمايش شده است كه سرعتي درحدود 580 كيلومتر بر ساعت دارد.
اگرچه ابر رساناها به دليل نياز به دماي پايين، در خانه و يا محل كار استفاده نمي شوند، اما در دستگاه هايي همچون شتاب دهنده هاي ذرات و دستگاه هاي عكس برداري پزشكي، به خاطر ويژگي شان در توليد ميدان هاي مغناطيسي بزرگ، به شكل گسترده كاربرد دارند. تنها در ساخت راكتور گرماهسته اي آزمايشي بين المللي (ITER)‌(6) حدود 600 تن ابر رسانا از جنس Nb3sn و 250 تن ابر رسانا از جنس NbTi استفاده مي شود.

آينده ابر رسانايي
 

در سال 1986 "مولر" (7) و "بدنورز" (8) ماده ابررسانايي را يافتند كه در دماي 35 درجه كلوين ابررسانا بود. اين ماده بر خلاف ابررساناهاي قبلي، از جنس فلزها و آلياژهاي فلزي نبود بلكه ماده سراميكي اكسيد مس لانتانوم باريوم بود. اين كشف بسيار مهمي بود، زيرا ساز و كار آن با نظريه كلاسيك BSC توجيه نمي شد. آنها يك سال بعد جايزه نوبل را براي كشف اين ابررسانا دريافت كردند. از آن زمان به بعد، تلاش هاي دانشمندان باعث شناسايي مواد ابررساناي ديگري و با دماي گذار بالاتر شده است. اين مواد بر پايه اكسيد مس هستند و دماي گذار برخي از آنها به 135 درجه كلوين هم مي رسد. به اين ابررساناها، "ابررساناهاي دماي بالا" گفته مي شود. دماي گذاراين ابررساناها به اندازه اي بالاست كه مي توان از نيتروژن مايع به جاي هليوم مايع، براي خنك كردن استفاده كرد. توليد نيتروژن مايع ارزان تر و راحت تر است كه اين سبب شده است تا كاربرد ابررساناها گسترش يابد.
تحقيقات براي يافتن مواد با دماي گذار بالاتر همچنان ادامه دارد. دانشمندان اميدوارند روزي موادي را كشف كنند كه در دماي محيط ابررسانا باشند. به عبارت ديگر، دماي گذارشان بيش از 293 درجه كلوين باشد. اين مواد مي توانند باعث انقلابي در فناوري شوند. در اين صورت، مي توانيم انتظار گسترش كاربرد اين مواد و حتي انتظار استفاده از آنها در خانه هايمان را داشته باشيم. آينده، از آن سيم هاي اَبَررسانا است.

پي نوشت ها :
 

1- kamerlingh onnes
2- Bardeen,cooper,and schrieffer
3- frederick sanger
4- Meissner effect
5- Lenz law
بر اساس قانون لنز، جهت جريان القايي به شكلي است كه ميدان مغناطيسي حاصل از آن با تغييرات شار مخالفت مي كند.
6- International Thermonuclear Experimental Reactor
پروژه بين المللي و تحقيقاتي ساخت بزرگ ترين راكتور همجوشي هسته اي/
7- Muller
8- Bednorz
 

منبع: ماهنامه دانشمند شماره 577