رسانايى خاصيتى از مواد است که باعث انتقال انرژى الکتريکى در آنها مى شود. اين خاصيت در مواد مختلف، يکسان نيست. طلا و نقره رسانا هاى خيلى خوبى هستند در حالى که شيشه يا پلاستيک اصلاً رسانا نيستند. مانعى در برابر رسانش الکتريکى است که مقاومت ناميده مى شود. تغييرات جزيى ترموديناميکى و الکترو مغناطيسى، روى آن تاثير مى گذارد.بشر همواره مى خواسته که راه هاى توليد انرژى را ارزان تر کند و يکى از بهترين گزينه ها براى کم کردن هزينه کشف موادى است که مقاومت کمترى دارند. اما در بعضى از مواد وقتى که به يک دماى خاص برسيم، تغييرى در حالت ماده به وجود مى آيد که به آن ابررسانايى مى گويند. در اين حالت مقاومت الکتريکى از بين مى رود به طورى که جريانى که در يک حلقه ابررسانا توليد مى شود تا صد هزار سال بدون تغيير باقى مى ماند!

کشف ابر رساناها

نرنست فيزيکدان آلماني نشان داده بود که با کم شدن دما، مقاومت فلز بايد به تدريج کاهش يابد تا سرانجام در صفر مطلق به کلى ناپديد شود. يکى از خالص ترين فلزات در آن زمان جيوه بود. به همين دليل کامرلينگ اونس فيزيکدان هلندي به سراغ اندازه گيرى مقاومت جيوه رفت. نتايجى که وى به دست آورد تا دماى 4 کلوين طبيعى بود اما پايين تر از اين دما ناگهان مقاومت الکتريکى به حدى مى رسيد که با دستگاه هايى که تا آن روز وجود داشت، قابل اندازه گيرى نبود. در سلسله مقالاتى که اونس تا سال 1913 در مورد اين پديده منتشر کرد، نام ابررسانايى را بر روى آن گذاشت. اين خاصيت توسط خود اونس در سرب و قلع نيز مشاهده شد. البته به نظر مى رسد که اونس اين کلمه را براى صرفه جويى در لغات به کاربرده در مقاله هايش به کار برد و در ابتدا درک عميقى از آنچه که کشف کرده بود، نداشت.«کارهه کامرلينگ اونس» اصيل زاده هلندى در سال 1913 به خاطر کشف خاصيت ابررسانايى به دريافت بزرگترين جايزه علمى دنيا، نوبل فيزيک مفتخر شد.

اندازه گيرى مقاومت ابر رسانا

اونس براى اندازه گيرى مقاومت ابررسانا آزمايشى را به اين صورت طرح کرد که ابتدا جريانى را در دو سر يک پيچه برقرار کرد و سپس آن را داخل يک ظرف هليم مايع فرو برد تا به حالت ابررسانايى درآيد. سپس دو سر پيچه را به هم وصل کرد تا اتصال کوتاه شود. سپس با قرار دادن يک قطب نما، هرگونه افت در ميعان مغناطيسى توليد شده توسط جريان در پيچه را اندازه گرفت. چنين آزمايشى، چندين سال بعد در MIT (موسسه فناورى ماساچوست) در ابعاد بسيار بزرگ انجام شد و پس از مدت دو سال هيچ گونه افت جريانى مشاهده نشد. اما سرانجام اعتصاب صنفى کارگران بخش حمل و نقل در ايالت ماساچوست باعث شد که هليم مايع به موقع به آزمايشگاه نرسد و آزمايش متوقف شود.

اثر ميدان مغناطيسى

کشف خاصيت ابررسانايى در نخستين مراحل، دانشمندان را مصمم به ساخت منبع لايزالى براى توليد انرژى کرد؛ يعنى ساخت سيم پيچ هايى عظيم از ابررسانا براى صرفه جويى در مصرف برق. اما اين بار هم اونس بود که نشان داد زياد شدن ميدان مغناطيسى باعث از بين رفتن خاصيت ابررسانايى مى شود.در واقع هم دما و هم ميدان مغناطيسى و هم شدت جريان الکتريکى عبورى در ايجاد خاصيت ابررسانايى در فلزات موثر است. اگر ميدان مغناطيسى در محيط ايجاد شود، دماى ابررسانى پايين تر مى رود.

ماهيت ابر رسانايي

از زمان کشف خاصيت ابررسانايى تا بيش از نيم قرن پس از آن هر دهه به طور متوسط 7 يا 8 نظريه براى توضيح ابررسانايى ارايه مى شد. اما همه اين نظرات در يک نکته با هم مشترک بودند و آن عدم انطباق با واقعيت بود. کار به جايى رسيد که فليکس بلوخ، فيزيکدان حالت جامد فرضيه جديدى را به طنز منتشر کرد که تا مدت مديدى تنها نظر صحيح در مورد ابررسانايى بود: «مى توان ثابت کرد هر نظريه اى که براى توضيح ابررسانايى داده شود، غلط است!»
در تمام اين مدت افرادى نظير مايسنر، برادران لاندن، گورتر، کازيمير، ابريکوسوف، لاندايو و گينزبرگ کشفيات نظرى و تجربى مهمى در مورد ابررسانايى انجام داده بودند که بعضى از آنها هم به خاطر کشفيات شان موفق به اخذ جايزه نوبل فيزيک شدند. اما سرانجام در 1957 سه فيزيکدان آمريکايى باردين، کوپر و شريفر در مقاله اى که 15 سال بعد (1972) جايزه نوبل فيزيک را برايشان به ارمغان آورد، موفق به توضيح ابررسانايى شدند. اين تيورى که به اختصار BCS (ابتداى نام سه نويسنده) ناميده مى شود، در مجله فيزيکال ريويو لترز به چاپ رسيد. ايده اين نظريه را سال قبل کوپر در مقاله‌اى که در آن تشکيل يک زوج از الکترون ها را داده بود، فراهم کرده بود.در حقيقت تشکيل يک زوج از الکترون باعث مى شود که اين زوج در هنگام حرکت در طول يک رسانا اثرات اصطکاکى ناشى از مقاومت را حس نکنند. البته اين تنها يک توصيف بسيار ساده شده از آنچه که واقعاً رخ مى دهد است. پديده هاى مهمى در اين بين رخ مى دهند که باردين، کوپر و شريفر در مقاله شان توضيح دادند. لازم به ذکر است که جان باردين تنها فيزيکداني است که دو بار موفق به کسب جايزه نوبل فيزيک شده است: در 1956 به خاطر کشف نيم‌رساناها و در 1972 به خاطر توضيح ابررسانايى.

ابر رسانا هاى دماى بالا

اما ماجرا با توضيح ابررسانايى خاتمه نيافت. در دهه 1980 در آزمايشگاه IBM در زوريخ فيزيکدان سوييسى، الکس مولر به همراه دستيار جوانش جورج بدنورز در حال ساخت نوعى سراميک بودند که اشتباه اين جوان در گرم نکردن يک اجاق باعث کشفى شد که هم پاى کشف آتش از بزرگترين دستاورد هاى بشر در تهيه انرژى است. اين سراميک در دماى بسيار بالاترى از صفر مطلق در حدود 70 تا 80 کلوين خاصيت ابررسانايى از خود بروز مى دهد. البته امروزه ابررساناهاى سراميکى ساخته شده اند که تا بيش از 200 کلوين (منفي 60 درجه سانتيگراد) از خود خاصيت ابررسانايى نشان مى دهند. امروزه گروه هاى مختلفى از سرتاسر جهان به دنبال اين هستند که بالاخره ماده اى را کشف کنند که بتواند در دماى معمولى (300 کلوين) هم از خود خاصيت ابررسانايى نشان دهد.همان طور که از ظاهر امر برمى آيد، خاصيت ابررسانايى در سراميک ها و فلزات، سرشتى متفاوت دارند. سراميک ها، نارسانا هستند و سپس به ابررسانا تبديل مى شوند. در حالى که فلزات رسانا هستند و ناگهان مقاومت در آنها صفر مى شود. دماى گذار به ابررسانايى هم در فلزات بسيار پايين تر از سراميک ها است. به اين ترتيب نظريه BCS ديگر قادر به توضيح ماهيت ابررسانايى در سراميک ها يا ابررسانا هاى دماى بالا (High TC) نيستند. دانشمندان تاکنون نظريه اى رضايت بخش براى توضيح اين پديده نيافته اند و اين مسيله يکى از مهم ترين مسايل حل نشده تاريخ فيزيک است.

تکنولوژى ابر رساناها

در ارتباط با ابررسانا هاى جديد در دماى بالا تاکنون هيچ کاربرد تجارى در گستره دمايى که فعلاً کشف شده (زير 200 کلوين) به طور کامل به منصه ظهور نرسيده است. حتى در آزمايش هاى فضايى که در دمايى پايين تر از دماى گذار به ابررسانايى در اين مواد انجام مى شود، پژوهشگران ترجيح مى دهند از همان ابررسانا هاى قبلى و در محيط هليم مايع استفاده کنند تا به تمام جنبه هاى مسيله مسلط باشند. فورى ترين کاربرد براى ابررسانا هاى دماى بالا ساخت تراشه هاى فوق سريع است که انقلابى عظيم را در فناورى اطلاعات ايجاد خواهد کرد که با اختراع ترانزيستور ها قابل قياس است. يکى از کاربرد هاى ابررسانا ها با توجه به حساسيت آنها به ميدان مغناطيسى اکتشافات معدنى، زمين شناختى و حتى رديابى زيردريايى ها است. ساخت قطار هايى که با استفاده از خاصيت ابررسانايى ميدان مغناطيسى توليد مى کنند که آنها را بالاتر از سطح زمين و بدون هيچ گونه اصطکاک با ريل که موجب تلف کردن مقدار زيادى از انرژى مى شود، قطار را به حرکت درمى آورد، يکى از شناخته شده و معروف ترين کاربرد هاى ابررسانايى است. اين قطار ها قادرند مسافت بيش از 500 کيلومتر را در کمتر از يک ساعت بپيمايند. به کار بردن ابررسانا ها در خطوط انتقال نيرو حتى با احتساب کليه هزينه هاى سرد نگه داشتن ابررسانا رقمى معادل 70 تا 80 درصد صرفه جويى در مصرف برق را نشان مى دهد که بسيار عظيم است.به کار بردن ابررسانا ها در وسايل تحقيقاتى (مثل شتاب دهنده ها) و وسايل پزشکى (مثل دستگاه MRI) از کاربرد هاى عادى ابررسانا ها شده است.به کار بردن ابررسانا هاى سراميکى مزيت ديگرى هم دارند و آن اين که براى سرد کردن آنها (با توجه به دماى بالاتر نسبت به ابررسانا هاى فلزى) به جاى هليم مايع مى توان از نيتروژن مايع استفاده کرد که بسيار ارزان تر و فراوان تر است. يکى از مهم ترين مسايل فنى، تبديل ابررساناى سراميکى به هليم است که بايد حل شود و تا آن زمان چاره اى جز صبر نداريم.
منبع:http://www.academist.ir
/خ