ابررسانایی

[AnzaliChi]

در سال 1908 هايك كمرلينگ اونز هلندي در دانشگاه ليدن موفق به توليد هليوم مايع گرديد و با استفاده از آن توانست به درجه حرارت حدود يك درجه كلوين برسد. يكي از اولين بررسي‌هايي كه اونز با دسترسي به اين درجه حرارت پايين انجام داد، مطالعه تغييرات مقاومت الكتريكي فلزات بر حسب درجه حرارت بود. چندين سال قبل از آن معلوم شده بود كه مقاومت فلزات وقتي دماي آنها به كمتر از دماي اتاق برسد كاهش پيدا مي‌كند؛ اما معلوم نبود كه اگر درجه حرارت تا حدود كلوين تنزل يابد، مقاومت تا چه حد كاهش مي‌يابد. اونز كه با پلاتينيوم كار مي‌كرد متوجه شد كه سرد شدن نمونه پلاتينيوم با اندكي كاهش در مقاومت الكتريكي آن همراه است كه متناسب با خلوص نمونه متغير بود. در آن زمان خالص‌ترين فلز قابل دسترس جيوه بود و اونز در تلاش براي به دست آوردن رفتار فلز خيلي خالص، مقاومت جيوه خالص را در دماهاي مختلف اندازه گرفت. در سال 1911 وي دريافت كه در درجه حرارت خيلي پايين، مقاومت جيوه تا حد غيرقابل اندازه‌گيري كاهش مي‌يابد كه البته موضوع شگفت‌انگيزي نبود اما نحوه ازبين رفتن مقاومت غير منتظره به نظر مي‌رسيد. اونز مشاهده نمود هنگامي كه درجه حرارت جيوه به سمت صفر درجه مطلق تنزل داده مي‌شود، كاهش آرام مقاومت ناگهان در حدود 4 درجه كلوين با افت بسيار بزرگي مواجه شده و پايين‌تر از اين درجه حرارت، جيوه هيچ‌گونه مقاومتي از خود نشان نمي‌داد. همچنين اين گذار ناگهاني به حالت بي‌مقاومتي، فقط مربوط به خواص فلزات نمي‌شد و حتي در جيوه ناخالص نيز اتفاق مي‌افتاد. اونز به اين نتيجه رسيد كه پايين تر از 4 درجه كلوين، جيوه به حالت ديگري از خواص الكتريكي كه كاملا با حالتهاي شناخته شده قبلي متفاوت بود رسيده است. اين حالت تازه «ابررسانايي» نام گرفت.

مدتي بعد مشخص شد كه با تغيير برخي شرايط مانند افزايش دوباره دما، ابررسانايي از بين مي‌رود يعني مقاومت الكتريكي فلزاتي كه به وضعيت ابررسانايي رسيده‌اند، مجددا قابل بازيابي است. همچنين با بررسي خصوصيتهاي مغناطيسي فلزات ابررسانا، مشخص شد كه اگر يك ميدان مغناطيسي قوي به ابررسانا اعمال شود، خواص مغناطيسي فلز ابررسانا نسبت به درجه حرارت‌هاي معمولي بسيار متفاوت مي‌باشد. بر اساس تحقيقات انجام شده، تاكنون مشخص شده است كه نصف عناصر فلزي و همچنين برخي آلياژها و سراميكها در درجه حرارت‌هاي پايين ابررسانا مي‌شوند. مشكل اصلي در استفاده از ابررساناها، ايجاد دماي بسيار پايين آن است. دماي ابررسانايي براي ابررساناهاي اوليه در حدود كمتر از 25 درجه كلوين (248- درجه سانتيگراد) بود و تنها با كمك ئيدروژن يا هليوم مايع مهيا مي‌شد كه بسيار گران قيمت و خطرناك است. بعد از حدود هفت دهه از كشف ابررساناهاي معمولي، سرانجام در سال 1986 مواد سراميكي جديدي از نوع اكسيدهاي مس كشف شدند كه در دماي بالاتر از 77 درجه كلوين كه دماي جوش نيتروژن مايع است، توانايي بروز خاصيت ابررسانايي داشتند و به ابررساناهاي دمابالا (hts) معروف شدند. تحقيقات صورت گرفته تا سال 2005 منجر به ساخت ابررساناهايي شده است كه در فشار بالا و دماي حدود 165 درجه كلوين (108- درجه سانتيگراد) ابررسانا مي‌شوند.

[AnzaliChi]

درمورد مهمترين خواص ابررساناها مي‌توان به موارد ذيل اشاره داشت.
1. مقاومت ناچيز در مقابل عبور جريان مستقيم و توانايي عبور چگالي جريان بالا: امروزه صرفه‌جويي در مصرف انرژي، يكي از مهم‌ترين نيازهاي كشورهاي صنعتي است. بودجه‌هاي زيادي صرف تحقيقات در زمينه كشف راه‌هاي تازه و موثرتر براي يافتن انرژي‌هاي ارزان‌ و با ريسك كمتر مي‌شود. برپاية اين پديده، بارهاي الكتريكي مي‌توانند بدون تلفات گرمايي از يك رسانا عبور كنند. بنابراين ابررسانايي با نقشي كه مي‌تواند در زمينه صرفه جويي در توليد و انتقال انرژي الكتريكي بازي كند، در آينده بشر نقشي اساسي خواهد داشت و به همين دليل در سالهاي اخير بيش از ده هزار پژوهشگر با صرف هزينه‌هاي زياد، تحقيقات خود را روي موضوع ابررسانايي و كاربردهاي آن در علوم مختلف متمركز ساخته‌اند. با توجه به مقاومت تقريباٌ صفر، ابررساناها درشبکه‌هاي توزيع و انتقال و همچنين ماشينهاي الکتريکي قابل استفاده هستند. اين خاصيت باعث مي‌شود که اگر جرياني در يک ابررسانا ايجاد شود، بدون کاهش قابل توجهي براي مدت طولاني برقرار بماند. همينطور شدت جريان عبوري از ابررسانا نيز به علت فقدان افت اهمي بسيار بالاست. براي مثال آلياژ نيوبيوم و تيتانيوم که در درجه حرارت 4/4 كلوين به حالت ابررسانايي مي‌رسد قادر به عبور جريان 2000 آمپر بر ميليمتر مربع در شدت ميدان 5 تسلا است. اين چگالي صد بار بيشتر از چگالي جريان در سيمهاي مسي معمولي است. البته در صورت افزايش چگالي جريان از حد معيني، ابررسانا در وضعيت مقاومتي قرار مي‌گيرد و خصوصيت ابررسانايي را از دست خواهد داد. جريان يا چگالي جرياني که ابررسانا مي‌تواند از خود عبور دهد و خاصيت ابررسانايي را از دست ندهد به جريان بحراني يا چگالي جريان بحراني معروف است.

2. توانايي در توليد ميدانهاي مغناطيسي قوي: پديدة ابررسانايي در فن‌آوري‌هاي جديد از توانايي‌هاي گسترده‌اي برخوردار است. خواص ابررسانايي در مواد، علاوه بر دماي محيط و شدت جريان عبوري، به ميدان مغناطيسي هم بستگي دارد. يعني حتي اگر جسم در دمايي پايين‌تر از حد ابررسانايي باشد، وقتي ميدان مغناطيسي از ميزان مشخصي بيشتر باشد، خاصيت ابررسانايي از بين خواهد رفت. از اين ميدان‌ها مي‌توان در قطارهاي مغناطيسي استفاده کرد. شدت اين ميدانها براي آلياژ نيوبيوم و تيتانيوم (NbTi) به حدود 10 تسلا نيز مي‌رسد. شدت ميدان مغناطيسي در جهت از بين بردن خاصيت ابررسانايي عمل مي‌کند. ميدان بحراني به شدت ميداني اشاره دارد که ابررسانا خاصيت خود را در آن شدت ميدان از دست مي‌دهد. براي توضيح خصوصيات مغناطيسي ابررسانا، فرض كنيد كه در غياب هر گونه مغناطيسي ابتدا مقاومت ابررسانا با سرد شدن از بين برود و سپس ميدان مغناطيسي به آن اعمال شود. به دليل آنكه چگالي شار نمي‌تواند در داخل فلز تغيير كند، بايد حتي بعد از اعمال ميدان مغناطيسي نيز صفر باقي بماند. در واقع اعمال ميدان مغناطيسي، جريانهاي بدون مقاومتي را القا مي‌كند كه در سطح نمونه طوري گردش مي‌كنند كه چگالي شار مغناطيسي آنها در داخل نمونه دقيقاً برابر و در جهت مخالف چگالي شار ميدان مغناطيسي اعمال شده باشد و از آنجايي كه اين جريانها از بين نمي‌روند، چگالي شار خالص در داخل نمونه صفر باقي مي‌ماند.
سالهاي بسياري تصور مي‌شد كه تمام ابررساناها بر اساس اصول فيزيكي مشابهي رفتار مي‌كنند. اما اكنون ثابت شده ابررساناها با توجه به رفتار فيزيكي، به دو گروه مختلف كه به ابررساناهاي نوع I وII معروفند بايد دسته‌بندي شوند. بيشتر عناصر در شرايط ابررسانايي، رفتار ابررسانايي از نوع I را از خود نشان مي‌دهند اما تعداد كمي از عناصر و بيشتر آلياژها عموماً رفتار ابررسانايي از نوع II را بروز مي‌دهند. در شكل زير ابررساناهاي نوع I و II در جدول مندليف مشاهده مي‌شود.

توجيه اختلاف بين ابررساناهاي نوع Iو II مبتني بر مسافت آزاد ميانگين الکترونهاي هدايتي در فاز نرمال است. مقاومت الکتروني در مواد ابررساناي نوع I يعني آلياژها و فلزات واسط در حالت عادي کوتاه است اما با افزودن مقداري از يک عنصر خاص، مسافت آزاد ميانگين الکترونهاي هدايتي افزايش يافته و ابررساناي نوع اول به ابررساناي نوع دوم تبديل مي‌شود. از نظر مغناطيسي، ابررساناهاي نوع اول داراي دو محدوده و ابررساناهاي نوع دوم داراي سه ناحيه براي فعاليت هستند.

3. خاصيت تونل‌زني: اين مشخصه به اين معني است که اگر دو ابررسانا راخيلي به هم نزديک کنيم، مقداري از جريان يکي به ديگري نشت مي‌کند. در دو سر اين پيوندگاه يا تونل هيچ ولتاژي وجود ندارد. يعني ميزان جريان نشتي به ولتاژبستگي ندارد ولي به ميدان مغناطيسي و تابش مغناطيسي حتي در مقادير خيلي کوچک بشدت وابسته است.