ابررسانا چیست؟

ابررسانا ماده ای است که به ابررسانایی می رسد، که حالتی از ماده است که مقاومت الکتریکی ندارد و به میدان های مغناطیسی اجازه نفوذ نمی دهد. یک جریان الکتریکی در یک ابررسانا می تواند به طور نامحدود باقی بماند.

ابررسانایی معمولاً فقط در دماهای بسیار سرد قابل دستیابی است. ابررساناها کاربردهای روزمره بسیار متنوعی دارند، از ماشین های MRI گرفته تا قطارهای مغناطیسی فوق سریع که از آهنربا در جهت کاهش اصطکاک، قطارها را در مسیر معلق می کنند. اکنون محققان در تلاش هستند تا ابر رساناهایی را بیابند و توسعه دهند که در دماهای بالاتر کار می کنند، که انتقال و ذخیره انرژی را متحول می کند.

چه کسی ابررسانایی را کشف کرد؟

اعتبار کشف ابر رسانایی به فیزیکدان هلندی هایکه کامرلینگ اونس تعلق دارد. در سال 1911 او در حال مطالعه خواص الکتریکی جیوه در آزمایشگاه خود در دانشگاه لیدن در هلند بود که متوجه شد با کاهش دما به زیر 4.2 کلوین، یعنی فقط 4.2 درجه سانتیگراد (7.56 درجه فارنهایت) بالای صفر مطلق، مقاومت الکتریکی در جیوه کاملاً از بین می رود.
برای تأیید این نتیجه،اونس یک جریان الکتریکی را به نمونه‌ای از جیوه فوق‌خنک شده اعمال کرد و سپس باتری را قطع کرد. او دریافت که جریان الکتریکی بدون کاهش در جیوه باقی می‌ماند، که فقدان مقاومت الکتریکی را تأیید می‌کند و دری را برای کاربردهای آینده ابر رسانایی باز می‌کند.

تاریخچه ابررسانایی

فیزیکدانان چندین دهه تلاش کردند تا ماهیت ابررسانایی و علت آن را درک کنند. آنها دریافتند که بسیاری از عناصر و مواد، اما نه همه آنها، هنگامی که زیر دمای بحرانی خاصی سرد می شوند، ابررسانا می شوند.

در سال 1933، فیزیکدانان والتر مایسنر و رابرت اوکسنفلد کشف کردند که ابر رساناها هر میدان مغناطیسی نزدیک را بیرون می‌اندازند، به این معنی که میدان های مغناطیسی ضعیف نمی توانند در داخل ابر رسانا نفوذ کنند(با استناد به Hyper Physics، یک سایت آموزشی از گروه فیزیک و دانشگاه ایالتی جورجیا). این پدیده را اثر مایسنر می نامند.

بر اساس زندگینامه گینزبورگ در وب سایت جایزه نوبل، تا سال 1950 بود که فیزیکدانان نظری لو لاندو و ویتالی گینزبورگ نظریه ای درباره نحوه عملکرد ابررساناها منتشر کردند. در حالی که در پیش‌بینی ویژگی‌های ابر رساناها موفق بودند، نظریه آن‌ها «ماکروسکوپی» بود، به این معنی که بر رفتارهای مقیاس بزرگ ابر رساناها تمرکز داشت و در عین حال از آنچه در سطح میکروسکوپی در حال وقوع بود ناآگاه ماند.

سرانجام، در سال 1957، فیزیکدانان جان باردین، لئون ان. کوپر و رابرت شریفر یک نظریه میکروسکوپی کامل از ابر رسانایی را توسعه دادند. برای ایجاد مقاومت الکتریکی، الکترون‌های یک فلز باید آزاد باشند تا به اطراف بپرند. اما وقتی الکترون‌های درون یک فلز به‌طور باورنکردنی سرد می‌شوند، می‌توانند جفت شوند و از جهش آن‌ها به اطراف جلوگیری کنند.

این جفت‌های الکترون که جفت‌های کوپر نامیده می‌شوند، در دماهای پایین بسیار پایدار هستند و بدون الکترون‌های «آزاد» برای جهش به اطراف، مقاومت الکتریکی از بین می‌رود. باردین، کوپر و شریفر این قطعات را کنار هم قرار دادند تا نظریه خود را شکل دهند که به نظریه BCS معروف است و آن را در مجله Physical Review Letters منتشر کردند.

ابررساناها چگونه کار می کنند؟

هنگامی که یک فلز به زیر دمای بحرانی می‌رسد، الکترون‌های فلز پیوندهایی به نام جفت کوپر تشکیل می‌دهند. به گفته دانشگاه کمبریج، الکترون‌ها که به این شکل قفل شده‌اند، نمی‌توانند هیچ مقاومت الکتریکی ایجاد کنند و الکتریسیته می‌تواند به طور کامل از فلز عبور کند.

با این حال، این فقط در دمای پایین کار می کند. وقتی فلز خیلی گرم می‌شود، الکترون‌ها انرژی کافی برای شکستن پیوندهای جفت کوپر و بازگشت به مقاومت را دارند. به همین دلیل است که اونس در آزمایش های اولیه خود دریافت که جیوه در 4.19 K به عنوان یک ابررسانا رفتار می کند، اما نه 4.2 K.

کاربرد ابررساناها چیست؟

به احتمال زیاد بدون اینکه متوجه شوید با یک ابر رسانا مواجه شده اید. به منظور تولید میدان های مغناطیسی قوی مورد استفاده در تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) و تصویربرداری تشدید مغناطیسی هسته ای (NMRI)، ماشین ها از آهنرباهای الکتریکی قوی استفاده می کنند.

این الکترومغناطیس های قدرتمند با اندکی گرمای ناشی از مقاومت ، فلزات معمولی را ذوب می کنند. با این حال، از آنجایی که ابررساناها مقاومت الکتریکی ندارند، گرما تولید نمی شود و آهنرباهای الکتریکی می توانند میدان های مغناطیسی لازم را ایجاد کنند.

الکترومغناطیس‌های ابر رسانای مشابه نیز در قطارهای مگلو، راکتورهای همجوشی هسته‌ای آزمایشی و آزمایشگاه‌های شتاب‌دهنده ذرات با انرژی بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. ابررساناها همچنین برای تغذیه تفنگ‌های ریلی و کویل‌گوشی، ایستگاه‌های پایه تلفن همراه، مدارهای دیجیتال سریع و آشکارسازهای ذرات استفاده می‌شوند.

اساساً، هر زمان که به یک میدان مغناطیسی یا جریان الکتریکی واقعاً قوی نیاز داشتید و نمی‌خواهید تجهیزاتتان در لحظه‌ای که آن را روشن می‌کنید ذوب شود، به یک ابررسانا نیاز دارید.
الکسی بزریادین، متخصص فیزیک ماده چگال در دانشگاه ایلینویز، گفت: یکی از جالب‌ترین کاربردهای ابر رساناها برای کامپیوتر کوانتومی است. به دلیل خواص منحصر به فرد جریان های الکتریکی در ابر رساناها، می توان از آنها برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی استفاده کرد.

بزریادین می گوید: “اینگونه کامپیوترها از بیت های کوانتومی یا کیوبیت تشکیل شده اند. کیوبیت ها، بر خلاف بیت های کلاسیک اطلاعات، می توانند در حالت های برهم نهی کوانتومی “0” و “1” به طور همزمان وجود داشته باشند. دستگاه های ابر رسانا می توانند این را تقلید کنند.” . “به عنوان مثال، جریان در یک حلقه ابر رسانا می تواند همزمان در جهت عقربه های ساعت و خلاف جهت عقربه های ساعت جریان یابد. چنین حالتی نمونه ای از یک کیوبیت ابر رسانا را تشکیل می دهد.”

آخرین مورد در تحقیقات ابررسانا چیست؟

مهمت دوگان، محقق فوق دکترا در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، گفت: اولین چالش برای محققان امروزی «توسعه موادی است که در شرایط محیطی ابررسانا هستند، زیرا در حال حاضر ابر رسانایی فقط در دماهای بسیار پایین یا در فشارهای بسیار بالا وجود دارد.”  چالش بعدی ایجاد نظریه ای است که توضیح دهد چگونه ابررساناهای جدید کار می کنند و خواص آن مواد را پیش بینی می کند.

ابررساناها به دو دسته اصلی تقسیم می شوند: ابررساناهای دمای پایین (LTS) که به عنوان ابررساناهای معمولی نیز شناخته می شوند و ابررساناهای دمای بالا (HTS) یا ابررساناهای غیر متعارف. LTS را می توان با تئوری BCS توصیف کرد تا توضیح دهد که چگونه الکترون ها جفت های کوپر را تشکیل می دهند، در حالی که HTS از روش های میکروسکوپی دیگر برای دستیابی به مقاومت صفر استفاده می کند. منشأ HTS یکی از مشکلات عمده حل نشده فیزیک مدرن است.

بیشتر تحقیقات تاریخی در مورد ابررسانایی در جهت LTS بوده است، زیرا کشف و مطالعه آن ابررساناها بسیار ساده تر است و تقریباً تمام کاربردهای ابررسانایی شامل LTS می شود.

در مقابل، HTS یک حوزه فعال و هیجان انگیز از تحقیقات مدرن است. هر چیزی که به عنوان یک ابر رسانا بالای 70 K کار می کند، به طور کلی HTS در نظر گرفته می شود. با وجود اینکه هنوز خیلی سرد است، این دما مطلوب است، زیرا می توان با خنک کردن با نیتروژن مایع به آن رسید، که بسیار رایج تر و آسان تر از هلیوم مایع مورد نیاز برای خنک شدن تا دمای پایین تر مورد نیاز برای LTS است.

آینده ابررساناها

“جام مقدس” تحقیقات ابر رساناها یافتن ماده ای است که بتواند در دمای اتاق به عنوان ابر رسانا عمل کند. تا به امروز، بالاترین دمای ابررسانا با سولفور هیدرید کربنی بسیار تحت فشار بدست آمد که در دمای 59 درجه فارنهایت (15 درجه سانتیگراد یا حدود 288 کلوین) به ابررسانایی رسید، اما برای انجام آن به 267 گیگا پاسکال فشار نیاز داشت. این فشار معادل فضای داخلی سیارات غول پیکری مانند مشتری است که آن را برای کاربردهای روزمره غیر عملی می کند.

ابر رساناهای دمای اتاق امکان انتقال الکتریکی انرژی بدون تلفات یا اتلاف، قطارهای مگلو کارآمدتر و استفاده ارزان تر و فراگیرتر از فناوری MRI را فراهم می کنند. کاربردهای عملی ابررساناهای دمای اتاق بی حد و حصر است – فیزیکدانان فقط باید دریابند که ابررساناها در دمای اتاق چگونه کار می کنند و ماده “Goldilocks” که امکان ابررسانایی را فراهم می کند، چه چیزی می تواند باشد.

منبع : Livescience