ابر رسانایی، شگفتی دنیای بدون مقاومت

زمانی که در سال 1908 دانشمند هلندی "کامرلینگ اونز" (1) موفق به میعان هلیوم شد، در بین فیزیکدانان سه نظریه در رابطه با رسانایی الکتریکی مواد وجود داشت.
1- مقاومت در دمای محیط با کاهش دما، کاهش می یابد. بعضی می پنداشتند که در دماهای پایین نیز چنین است.
2- با کاهش دما مقاومت تا یک حدی کاهش می یابد.
3- گروهی نیز تصور می کردند که در دماهای نزدیک به صفر مطلق با کاهش دما، مقاومت الکتریکی افزایش می یابد. استدلال آنها این بود که در این دماها، حرکت الکترون ها یعنی حاملات بار الکتریکی، سخت می شود.
سه سال بعد، اونز اقدام به سرد کردن جیوه به کمک هلیوم مایع کرد. او می خواست بداند در دماهایی پایین واقعاً چه اتفاقی برای مقاومت الکتریکی مواد می افتد. نموداری که او برای جیوه به دست آورد، غیرمنتظره بود و شباهتی به نظریات بالا نداشت. او مشاهده کرد که در دمای حدود 4/2 کلوین، مقاومت الکتریکی جیوه دچار افت ناگهانی شده و ناپدید می شود. او ابررسانایی را کشف کرده بود!
اونز در ادامه کارهایش نشان داد که قلع و سرب نیز می توانند ابر رسانا شوند. در سال های بعد، دانشمندان بسیاری در زمینه ابررسانایی تحقیق کردند و مواد ابررسانای گوناگونی را کشف کردند که نشان داد ابررسانایی، پدیده ای نادر نیست.
همان طور که گفته شد، ابررساناها موادی هستند که مقاومت الکتریکی آنها، وقتی دما از حد معینی پایین تر برود، از بین می رود. این دما که در آن ماده به ابررسانا تبدیل می شود، به "دمای گُذار" موسوم است. به عبارت دیگر، جریان درون یک مدار ابر رسانشی بسته با گذشت زمان کاهش نمی یابد. ابر رساناها را به دو نوع I و II تقسیم می کنند. بسیاری از عناصر ابررساناهای نوع I هستند اما ابررساناهای نوع II بیشتر شامل آلیاژها و ترکیبات بین فلزی هستند. تفاوت اصلی بین این دو نوع ابررسانا، مربوط به تفاوت در رفتار آنها در برابر میدان مغناطیسی خارجی است.
با آن که پدیده ابر رسانایی در سال 1911 کشف شده بود، اما یک نظریه موفق برای توجیه آن اولین بار در سال 1957 توسط سه فیزیکدان به نام های "باردین"، "کوپر" و "شریفر" ارائه شد. این نظریه به نام BSC (2) معروف است و این سه دانشمند جایزه نوبل سال 1972 را برای این نظریه دریافت کردند. باردین قبل از این، جایزه نوبل دیگری را برای ساخت ترانزیستور گرفته بود و او اولین کسی بود که در یک رشته، دوبار جایزه نوبل را گرفت (پس از او "فردریک سانگر" (3) در رشته شیمی دوبار جایزه نوبل را برد). به بیان ساده می توان گفت که بر اساس نظریه BSC، شارش جفت الکترون های کوپر، ردپا و مسیری را برای شارش الکترون های دیگر به وجود می آورند. جزئیات مربوط به این نظریه نیازمند دانشی قوی از ریاضیات و فیزیک است.

خواص و کاربردها

هنگامی که یک ماده ابر رسانا داخل میدان مغناطیسی قرار می گیرد، به میدان مغناطیسی اجازه نمی دهد تا از درون آن عبور کند. در این حالت، جریان هایی داخل ابررسانا به وجود می آیند تا میدان خارجی را خنثی کنند. این خاصیت طرد کردن میدان مغناطیسی، "اثر مایسنر" (4) نام دارد. بنابراین، اگر آهن ربایی را روی یک ماده ابررسانا قرار دهیم، میدان مغناطیسی به وجود آمده توسط ابررسانا، سبب شناور شدن آهن ربا می شود.
این بدان معناست که می توان توسط ابررسانا و با بهره گیری از مایسنر، مواد مغناطیسی را شناور ساخت. در حال حاضر در کشورهایی همچون آلمان و ژاپن، تحقیقات برای ساخت قطارهای معلق و بدون تماس با ریل ادامه دارد. در واگن های این قطارها، مغناطیس های ابررسانشی قرارمی دهند و ریل های آن را نیز از حلقه های رسانا می سازند. وقتی قطار توسط یکی از روش های عادی سرعت می گیرد، جریان هایی در حلقه های رسانا طوری القا می شوند که با میدان مغناطیسی اولیه مخالفت می کند (قانون لنز (5)) و قطار را روی ریل معلق نگه می دارد. چنین قطارهای سریع السیری به دلیل نبود نیروی اصطکاک بین ریل و قطار، می توانند با سرعت های بسیار بالاحرکت کنند. نمونه ای از این قطارها در ژاپن آزمایش شده است که سرعتی درحدود 580 کیلومتر بر ساعت دارد.
اگرچه ابر رساناها به دلیل نیاز به دمای پایین، در خانه و یا محل کار استفاده نمی شوند، اما در دستگاه هایی همچون شتاب دهنده های ذرات و دستگاه های عکس برداری پزشکی، به خاطر ویژگی شان در تولید میدان های مغناطیسی بزرگ، به شکل گسترده کاربرد دارند. تنها در ساخت راکتور گرماهسته ای آزمایشی بین المللی (ITER)‌(6) حدود 600 تن ابر رسانا از جنس Nb3sn و 250 تن ابر رسانا از جنس NbTi استفاده می شود.

آینده ابر رسانایی

در سال 1986 "مولر" (7) و "بدنورز" (8) ماده ابررسانایی را یافتند که در دمای 35 درجه کلوین ابررسانا بود. این ماده بر خلاف ابررساناهای قبلی، از جنس فلزها و آلیاژهای فلزی نبود بلکه ماده سرامیکی اکسید مس لانتانوم باریوم بود. این کشف بسیار مهمی بود، زیرا ساز و کار آن با نظریه کلاسیک BSC توجیه نمی شد. آنها یک سال بعد جایزه نوبل را برای کشف این ابررسانا دریافت کردند. از آن زمان به بعد، تلاش های دانشمندان باعث شناسایی مواد ابررسانای دیگری و با دمای گذار بالاتر شده است. این مواد بر پایه اکسید مس هستند و دمای گذار برخی از آنها به 135 درجه کلوین هم می رسد. به این ابررساناها، "ابررساناهای دمای بالا" گفته می شود. دمای گذاراین ابررساناها به اندازه ای بالاست که می توان از نیتروژن مایع به جای هلیوم مایع، برای خنک کردن استفاده کرد. تولید نیتروژن مایع ارزان تر و راحت تر است که این سبب شده است تا کاربرد ابررساناها گسترش یابد.
تحقیقات برای یافتن مواد با دمای گذار بالاتر همچنان ادامه دارد. دانشمندان امیدوارند روزی موادی را کشف کنند که در دمای محیط ابررسانا باشند. به عبارت دیگر، دمای گذارشان بیش از 293 درجه کلوین باشد. این مواد می توانند باعث انقلابی در فناوری شوند. در این صورت، می توانیم انتظار گسترش کاربرد این مواد و حتی انتظار استفاده از آنها در خانه هایمان را داشته باشیم. آینده، از آن سیم های اَبَررسانا است.

پی نوشت ها :

1- kamerlingh onnes
2- Bardeen,cooper,and schrieffer
3- frederick sanger
4- Meissner effect
5- Lenz law
بر اساس قانون لنز، جهت جریان القایی به شکلی است که میدان مغناطیسی حاصل از آن با تغییرات شار مخالفت می کند.
6- International Thermonuclear Experimental Reactor
پروژه بین المللی و تحقیقاتی ساخت بزرگ ترین راکتور همجوشی هسته ای/
7- Muller
8- Bednorz