ابررسانايى گامى بزرگ در فناورى هاى قرن بيست و يكم

كشف دوباره آتش

مهدى صارمى فر

رسانايى خاصيتى از مواد است كه باعث انتقال انرژى الكتريكى در آنها مى شود. اين خاصيت در مواد مختلف، يكسان نيست. طلا و نقره رسانا هاى خيلى خوبى هستند در حالى كه شيشه يا پلاستيك اصلاً رسانا نيستند. مانعى در برابر رسانش الكتريكى است كه مقاومت ناميده مى شود. تغييرات جزيى ترموديناميكى و الكترو مغناطيسى، روى آن تاثير مى گذارد.بشر همواره مى خواسته كه راه هاى توليد انرژى را ارزان تر كند و يكى از بهترين گزينه ها براى كم كردن هزينه كشف موادى است كه مقاومت كمترى دارند. اما در بعضى از مواد وقتى كه به يك دماى خاص برسيم، تغييرى در حالت ماده به وجود مى آيد كه به آن ابررسانايى مى گويند. در اين حالت مقاومت الكتريكى از بين مى رود به طورى كه جريانى كه در يك حلقه ابررسانا توليد مى شود تا صد هزار سال بدون تغيير باقى مى ماند!
• كشف ابررسانا ها
در نيمه دوم قرن نوزدهم عده زيادى از دانشمندان در پى اين بودند كه عناصرى كه در شرايط معمولى به صورت گازى موجود بودند را به حالت مايع دربياورند. يكى از پيشتازان اين مسابقه «كايته» فرانسوى بود كه موفق شده بود براى اولين بار اكسيژن را به حالت مايع درآورد. هدف بعدى هيدروژن بود. سه نفر به طور جداگانه در اروپا در اين زمينه فعاليت مى كردند «اشلوسكى» در لهستان، «كامرلينگ اونس» در دانشگاه ليدن در هلند كه با استفاده از دستگاه هاى فوق العاده پيشرفته اى در آزمايشگاهش روى اين موضوع كار مى كرد و نفر سوم «سر جيمز دوآر» از انجمن پادشاهى انگلستان بود كه توانست در ۱۸۹۸ هيدروژن مايع توليد كرده و فاتح اين مسابقه شود. اما مسئله مهم به وجود آمده، اندازه گيرى دماى هيدروژن در هنگام تبديل از حالت گازى به حالت مايع بود. طبق پيشگويى هاى نظرى (معادله واندروالس) اين مقدار بين ۲۰ تا ۳۰ كلوين بود. اما دمايى كه دماسنج هاى الكتريكى (ترموكوپل) نشان مى دادند، مقدارى بيشتر از اين پيش بينى بود. حتى وقتى تمام تصحيحات ناشى از افت مقاومت در اثر دماى پايين هم به حساب مى آمد، دماسنج باز هم ۳۵ كلوين نشان مى داد. در حالى كه دماسنج هاى گازى مقدار واقعى ۲۰ كلوين را نشان مى دادند.كشف ابررسانايى در واقع از اين مسئله آغاز شد. تا سال ۱۹۰۸ تمام عناصر گازى به حالت مايع درآمده بودند و تنها هليم بود كه باقى مانده بود. تلاش براى ميعان هليم مايع توسط كامرلينگ اونس نتيجه داد و دانشمندان با رسيدن به گستره جديدى از دما ها (در حدود چند كلوين) اقدام به سنجش خواص مواد در اين محدوده كردند. «نرنست» در برلين نشان داده بود كه با كم شدن دما، مقاومت فلز بايد به تدريج كاهش يابد تا سرانجام در صفر مطلق به كلى ناپديد شود. يكى از خالص ترين فلزات در آن زمان جيوه بود. به همين دليل اونس به سراغ اندازه گيرى مقاومت جيوه رفت. نتايجى كه وى به دست آورد تا دماى ۴ كلوين طبيعى بود اما پايين تر از اين دما ناگهان مقاومت الكتريكى به حدى مى رسيد كه با دستگاه هايى كه تا آن روز وجود داشت، قابل اندازه گيرى نبود. در سلسله مقالاتى كه اونس تا سال ۱۹۱۳ در مورد اين پديده منتشر كرد، نام ابررسانايى را بر روى آن گذاشت. اين خاصيت توسط خود اونس در سرب و قلع نيز مشاهده شد. البته به نظر مى رسد كه اونس اين كلمه را براى صرفه جويى در لغات به كاربرده در مقاله هايش به كار برد و در ابتدا درك عميقى از آنچه كه كشف كرده بود، نداشت.«كارهه كامرلينگ اونس» اصيل زاده هلندى در سال ۱۹۱۳ به خاطر كشف خاصيت ابررسانايى به دريافت بزرگترين جايزه علمى دنيا، نوبل فيزيك مفتخر شد.
• اندازه گيرى مقاومت ابررسانا
اونس براى اندازه گيرى مقاومت ابررسانا آزمايشى را به اين صورت طرح كرد كه ابتدا جريانى را در دو سر يك پيچه برقرار كرد و سپس آن را داخل يك ظرف هليم مايع فرو برد تا به حالت ابررسانايى درآيد. سپس دو سر پيچه را به هم وصل كرد تا اتصال كوتاه شود. سپس با قرار دادن يك 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 كارگران بخش حمل و نقل در ايالت ماساچوست باعث شد كه هليم مايع به موقع به آزمايشگاه نرسد و آزمايش متوقف شود.
• كشفى نااميد كننده
كشف خاصيت ابررسانايى در نخستين مراحل، دانشمندان را مصمم به ساخت منبع لايزالى براى توليد انرژى كرد؛ يعنى ساخت سيم پيچ هايى عظيم از ابررسانا براى صرفه جويى در مصرف برق. اما اين بار هم اونس بود كه 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 الكتريكى عبورى در ايجاد خاصيت ابررسانايى در فلزات موثر است. اگر ميدان مغناطيسى در محيط ايجاد شود، دماى ابررسانى پايين تر مى رود.
• ماهيت ابررسانايى
از زمان كشف خاصيت ابررسانايى تا بيش از نيم قرن پس از آن هر دهه به طور متوسط ۷ يا ۸ نظريه براى توضيح ابررسانايى ارائه مى شد. اما همه اين نظرات در يك نكته با هم مشترك بودند و آن عدم انطباق با واقعيت بود. كار به جايى رسيد كه فليكس بلوخ، فيزيكدان حالت جامد فرضيه جديدى را به طنز منتشر كرد كه تا مدت مديدى تنها نظر صحيح در مورد ابررسانايى بود: «مى توان ثابت كرد هر نظريه اى كه براى توضيح ابررسانايى داده شود، غلط است!»در تمام اين مدت افرادى نظير مايسنر، برادران لاندن، گورتر، كازيمير، ابريكوسوف، لاندائو و گينزبرگ كشفيات نظرى و تجربى مهمى در مورد ابررسانايى انجام داده بودند كه بعضى از آنها هم به خاطر كشفيات شان موفق به اخذ جايزه نوبل فيزيك شدند. اما سرانجام در ۱۹۵۷ سه فيزيكدان آمريكايى «باردين، كوپر و شريفر» در مقاله اى كه ۱۵ سال بعد (۱۹۷۲) جايزه نوبل فيزيك را برايشان به ارمغان آورد، موفق به توضيح ابررسانايى شدند. اين تئورى كه به اختصار BCS (ابتداى نام سه نويسنده) ناميده مى شود، در مجله فيزيكال ريويو لترز به چاپ رسيد. ايده اين نظريه را سال قبل كوپر در مقاله اى كه در آن تشكيل يك زوج از الكترون ها را داده بود، فراهم كرده بود.در حقيقت تشكيل يك زوج از الكترون باعث مى شود كه اين زوج در هنگام حركت در طول يك رسانا اثرات اصطكاكى ناشى از مقاومت را حس نكنند. البته اين تنها يك توصيف بسيار ساده شده از آنچه كه واقعاً رخ مى دهد است. پديده هاى مهمى در اين بين رخ مى دهند كه باردين، كوپر و شريفر در مقاله شان توضيح دادند. لازم به ذكر است كه «جان باردين» تنها فيزيكدان است كه دو بار موفق به كسب جايزه نوبل فيزيك شده است: در ۱۹۵۶ به خاطر كشف نيم رسانا ها و در ۱۹۷۲ به خاطر توضيح ابررسانايى.
• ابر رسانا هاى دماى بالا
اما ماجرا با توضيح ابررسانايى خاتمه نيافت. در دهه ۱۹۸۰ در آزمايشگاه IBM در زوريخ فيزيكدان سوئيسى، «الكس مولر» به همراه دستيار جوانش «جورج بدنورز» در حال ساخت نوعى سراميك بودند كه اشتباه اين جوان در گرم نكردن يك اجاق باعث كشفى شد كه هم پاى كشف آتش از بزرگترين دستاورد هاى بشر در تهيه انرژى است. اين سراميك در دماى بسيار بالاترى از صفر مطلق در حدود ۷۰ تا ۸۰ كلوين خاصيت ابررسانايى از خود بروز مى دهد. البته امروزه ابررسانا هاى سراميكى ساخته شده اند كه تا بيش از ۲۰۰ كلوين (۶۰ _ درجه سانتيگراد) از خود خاصيت ابررسانايى نشان مى دهند. به اين ترتيب همان طور كه بشر با به خدمت گرفتن آتش فلز را ذوب كرد و از دوران پارينه سنگى به دوران فلز پاى گذاشت، بشر امروزى با به كار بردن ابررسانا ها در دماى معمولى خواهد توانست گامى عظيم در به خدمت گرفتن انرژى براى رسيدن به اهداف خود بردارد. امروزه گروه هاى مختلفى از سرتاسر جهان به دنبال اين هستند كه بالاخره ماده اى را كشف كنند كه بتواند در دماى معمولى (۳۰۰ كلوين) هم از خود خاصيت ابررسانايى نشان دهد.همان طور كه از ظاهر امر برمى آيد، خاصيت ابررسانايى در سراميك ها و فلزات، سرشتى متفاوت دارند. سراميك ها، نارسانا هستند و سپس به ابررسانا تبديل مى شوند. در حالى كه فلزات رسانا هستند و ناگهان مقاومت در آنها صفر مى شود. دماى گذار به ابررسانايى هم در فلزات بسيار پايين تر از سراميك ها است. به اين ترتيب نظريه BCS ديگر قادر به توضيح ماهيت ابررسانايى در سراميك ها يا ابررسانا هاى دماى بالا (High TC) نيستند. دانشمندان تاكنون نظريه اى رضايت بخش براى توضيح اين پديده نيافته اند و اين مسئله يكى از مهم ترين مسائل حل نشده تاريخ فيزيك است.
• تكنولوژى ابررسانا ها
در ارتباط با ابررسانا هاى جديد در دماى بالا تاكنون هيچ كاربرد تجارى در گستره دمايى كه فعلاً كشف شده (زير ۲۰۰ كلوين) به طور كامل به منصه ظهور نرسيده است. حتى در آزمايش هاى فضايى كه 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 كنند تا به تمام جنبه هاى مسئله مسلط باشند. فورى ترين كاربرد براى ابررسانا هاى دماى بالا ساخت تراشه هاى فوق سريع است كه انقلابى عظيم را در فناورى اطلاعات ايجاد خواهد كرد كه با اختراع ترانزيستور ها قابل قياس است. يكى از كاربرد هاى ابررسانا ها با توجه به حساسيت آنها به ميدان مغناطيسى اكتشافات معدنى، زمين شناختى و حتى رديابى زيردريايى ها است. ساخت قطار هايى كه با استفاده از خاصيت ابررسانايى ميدان مغناطيسى توليد مى كنند كه آنها را بالاتر از سطح زمين و بدون هيچ گونه اصطكاك با ريل كه موجب تلف كردن مقدار زيادى از انرژى مى شود، قطار را به حركت درمى آورد، يكى از شناخته شده و معروف ترين كاربرد هاى ابررسانايى است. اين قطار ها قادرند مسافت بيش از ۵۰۰ كيلومتر را در كمتر از يك ساعت بپيمايند. به كار بردن ابررسانا ها در خطوط انتقال نيرو حتى با احتساب كليه هزينه هاى سرد نگه داشتن ابررسانا رقمى معادل ۷۰ تا ۸۰ درصد صرفه جويى در مصرف برق را نشان مى دهد كه بسيار عظيم است.به كار بردن ابررسانا ها در وسايل تحقيقاتى (مثل شتاب دهنده ها) و وسايل پزشكى (مثل دستگاه MRI) از كاربرد هاى عادى ابررسانا ها شده است.به كار بردن ابررسانا هاى سراميكى مزيت ديگرى هم دارند و آن اين كه براى سرد كردن آنها (با توجه به دماى بالاتر نسبت به ابررسانا هاى فلزى) به جاى هليم مايع مى توان از نيتروژن مايع استفاده كرد كه بسيار ارزان تر و فراوان تر است. يكى از مهم ترين مسائل فنى، تبديل ابررساناى سراميكى به هليم است كه بايد حل شود و تا آن زمان چاره اى جز صبر نداريم.
روزنامه شرق