رسانایى خاصیتى از مواد است که باعث انتقال انرژى الکتریکى در آنها مى شود. این خاصیت در مواد مختلف، یکسان نیست. طلا و نقره رسانا هاى خیلى خوبى هستند در حالى که شیشه یا پلاستیک اصلاً رسانا نیستند. مانعى در برابر رسانش الکتریکى است که مقاومت نامیده مى شود. تغییرات جزیى ترمودینامیکى و الکترو مغناطیسى، روى آن تاثیر مى گذارد.بشر همواره مى خواسته که راه هاى تولید انرژى را ارزان تر کند و یکى از بهترین گزینه ها براى کم کردن هزینه کشف موادى است که مقاومت کمترى دارند. اما در بعضى از مواد وقتى که به یک دماى خاص برسیم، تغییرى در حالت ماده به وجود مى آید که به آن ابررسانایى مى گویند. در این حالت مقاومت الکتریکى از بین مى رود به طورى که جریانى که در یک حلقه ابررسانا تولید مى شود تا صد هزار سال بدون تغییر باقى مى 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 کلى ناپدید شود. یکى از خالص ترین فلزات در آن زمان جیوه بود. به همین دلیل کامرلینگ اونس فیزیکدان هلندی به سراغ اندازه گیرى مقاومت جیوه رفت. نتایجى که وى به دست آورد تا دماى ۴ کلوین طبیعى بود اما پایین تر از این دما ناگهان مقاومت الکتریکى به حدى مى رسید که با دستگاه هایى که تا آن روز وجود داشت، قابل اندازه گیرى نبود. در سلسله مقالاتى که اونس تا سال ۱۹۱۳ در مورد این پدیده منتشر کرد، نام ابررسانایى را بر روى آن گذاشت. این خاصیت توسط خود اونس در سرب و قلع نیز مشاهده شد. البته به نظر مى رسد که اونس این کلمه را براى صرفه جویى در لغات به کاربرده در مقاله هایش به کار برد و در ابتدا درک عمیقى از آنچه که کشف کرده بود، نداشت.«کارهه کامرلینگ اونس» اصیل زاده هلندى در سال ۱۹۱۳ به خاطر کشف خاصیت ابررسانایى به دریافت بزرگترین جایزه علمى دنیا، نوبل فیزیک مفتخر شد.

اندازه گیرى مقاومت ابررسانا

اونس براى اندازه گیرى مقاومت ابررسانا آزمایشى را به این صورت طرح کرد که ابتدا جریانى را در دو سر یک پیچه برقرار کرد و سپس آن را داخل یک ظرف هلیم مایع فرو برد تا به حالت ابررسانایى 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 مغناطیسى تولید شده توسط جریان در پیچه را اندازه گرفت. چنین آزمایشى، چندین سال بعد در MIT (موسسه فناورى ماساچوست) در ابعاد بسیار بزرگ انجام شد و پس از مدت دو سال هیچ گونه افت جریانى مشاهده نشد. اما سرانجام اعتصاب صنفى کارگران بخش حمل و نقل در ایالت ماساچوست باعث شد که هلیم مایع به موقع به آزمایشگاه نرسد و آزمایش متوقف شود.

اثر میدان مغناطیسى

کشف خاصیت ابررسانایى در نخستین مراحل، دانشمندان را مصمم به ساخت منبع لایزالى براى تولید انرژى کرد؛ یعنى ساخت سیم پیچ هایى عظیم از ابررسانا براى صرفه جویى در مصرف برق. اما این بار هم اونس بود که نشان داد زیاد شدن میدان مغناطیسى باعث از بین رفتن خاصیت ابررسانایى مى شود.در واقع هم دما و هم میدان مغناطیسى و هم شدت جریان الکتریکى عبورى در ایجاد خاصیت ابررسانایى در فلزات موثر است. اگر میدان مغناطیسى در محیط ایجاد شود، دماى ابررسانى پایین تر مى رود.

ماهیت ابررسانایی

از زمان کشف خاصیت ابررسانایى تا بیش از نیم قرن پس از آن هر دهه به طور متوسط ۷ یا ۸ نظریه براى توضیح ابررسانایى ارایه مى شد. اما همه این نظرات در یک نکته با هم مشترک بودند و آن عدم انطباق با واقعیت بود. کار به جایى رسید که فلیکس بلوخ، فیزیکدان حالت جامد فرضیه جدیدى را به طنز منتشر کرد که تا مدت مدیدى تنها نظر صحیح در مورد ابررسانایى بود: «مى توان ثابت کرد هر نظریه اى که براى توضیح ابررسانایى داده شود، غلط است!»

در تمام این مدت افرادى نظیر مایسنر، برادران لاندن، گورتر، کازیمیر، ابریکوسوف، لاندایو و گینزبرگ کشفیات نظرى و تجربى مهمى در مورد ابررسانایى انجام داده بودند که بعضى از آنها هم به خاطر کشفیات شان موفق به اخذ جایزه نوبل فیزیک شدند. اما سرانجام در ۱۹۵۷ سه فیزیکدان آمریکایى باردین، کوپر و شریفر در مقاله اى که ۱۵ سال بعد (۱۹۷۲) جایزه نوبل فیزیک را برایشان به ارمغان آورد، موفق به توضیح ابررسانایى شدند. این تیورى که به اختصار BCS (ابتداى نام سه نویسنده) نامیده مى شود، در مجله فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسید. ایده این نظریه را سال قبل کوپر در مقاله‌اى که در آن تشکیل یک زوج از الکترون ها را داده بود، فراهم کرده بود.در حقیقت تشکیل یک زوج از الکترون باعث مى شود که این زوج در هنگام حرکت در طول یک رسانا اثرات اصطکاکى ناشى از مقاومت را حس نکنند. البته این تنها یک توصیف بسیار ساده شده از آنچه که واقعاً رخ مى دهد است. پدیده هاى مهمى در این بین رخ مى 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 ابررسانایى.

ابر رسانا هاى دماى بالا

اما ماجرا با توضیح ابررسانایى خاتمه نیافت. در دهه ۱۹۸۰ در آزمایشگاه IBM در زوریخ فیزیکدان سوییسى، الکس مولر به همراه دستیار جوانش جورج بدنورز در حال ساخت نوعى سرامیک بودند که اشتباه این جوان در گرم نکردن یک اجاق باعث کشفى شد که هم پاى کشف آتش از بزرگترین دستاورد هاى بشر در تهیه انرژى است. این سرامیک در دماى بسیار بالاترى از صفر مطلق در حدود ۷۰ تا ۸۰ کلوین خاصیت ابررسانایى از خود بروز مى دهد. البته امروزه ابررساناهاى سرامیکى ساخته شده اند که تا بیش از ۲۰۰ کلوین (منفی ۶۰ درجه سانتیگراد) از خود خاصیت ابررسانایى نشان مى دهند. امروزه گروه هاى مختلفى از سرتاسر جهان به دنبال این هستند که بالاخره ماده اى را کشف کنند که بتواند در دماى معمولى (۳۰۰ کلوین) هم از خود خاصیت ابررسانایى نشان دهد.همان طور که از ظاهر امر برمى آید، خاصیت ابررسانایى در سرامیک ها و فلزات، سرشتى متفاوت دارند. سرامیک ها، نارسانا هستند و سپس به ابررسانا تبدیل مى شوند. در حالى که فلزات رسانا هستند و ناگهان مقاومت در آنها صفر مى شود. دماى گذار به ابررسانایى هم در فلزات بسیار پایین تر از سرامیک ها است. به این ترتیب نظریه BCS دیگر قادر به توضیح ماهیت ابررسانایى در سرامیک ها یا ابررسانا هاى دماى بالا (High TC) نیستند. دانشمندان تاکنون نظریه اى رضایت بخش براى توضیح این پدیده نیافته اند و این مسیله یکى از مهم ترین مسایل حل نشده تاریخ فیزیک است.

تکنولوژى ابررساناها

در ارتباط با ابررسانا هاى جدید در دماى بالا تاکنون هیچ کاربرد تجارى در گستره دمایى که فعلاً کشف شده (زیر ۲۰۰ کلوین) به طور کامل به منصه ظهور نرسیده است. حتى در آزمایش هاى فضایى که در دمایى پایین تر از دماى گذار به ابررسانایى در این مواد انجام مى شود، پژوهشگران ترجیح مى دهند از همان ابررسانا هاى قبلى و در محیط هلیم مایع استفاده کنند تا به تمام جنبه هاى مسیله مسلط باشند. فورى ترین کاربرد براى ابررسانا هاى دماى بالا ساخت تراشه هاى فوق سریع است که انقلابى عظیم را در فناورى اطلاعات ایجاد خواهد کرد که با اختراع ترانزیستور ها قابل قیاس است. یکى از کاربرد هاى ابررسانا ها با توجه به حساسیت آنها به میدان مغناطیسى اکتشافات معدنى، زمین شناختى و حتى ردیابى زیردریایى ها است. ساخت قطار هایى که با استفاده از خاصیت ابررسانایى میدان مغناطیسى تولید مى کنند که آنها را بالاتر از سطح زمین و بدون هیچ گونه اصطکاک با ریل که موجب تلف کردن مقدار زیادى از انرژى مى شود، قطار را به حرکت درمى آورد، یکى از شناخته شده و معروف ترین کاربرد هاى ابررسانایى 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 حتى با احتساب کلیه هزینه هاى سرد نگه داشتن ابررسانا رقمى معادل ۷۰ تا ۸۰ درصد صرفه جویى در مصرف برق را نشان مى دهد که بسیار عظیم است.به کار بردن ابررسانا ها در وسایل تحقیقاتى (مثل شتاب دهنده ها) و وسایل پزشکى (مثل دستگاه MRI) از کاربرد هاى عادى ابررسانا ها شده است.به کار بردن ابررسانا هاى سرامیکى مزیت دیگرى هم دارند و آن این که براى سرد کردن آنها (با توجه به دماى بالاتر نسبت به ابررسانا هاى فلزى) به جاى هلیم مایع مى توان از نیتروژن مایع استفاده کرد که بسیار ارزان تر و فراوان تر است. یکى از مهم ترین مسایل فنى، تبدیل ابررساناى سرامیکى به هلیم است که باید حل شود و تا آن زمان چاره اى جز صبر نداریم.