کشف دوباره آتش

رسانایی خاصیتی از مواد است كه باعث انتقال انرژی الكتریكی در آنها می شود. این خاصیت در مواد مختلف، یكسان نیست. طلا و نقره رسانا های خیلی خوبی هستند در حالی كه شیشه یا پلاستیك اصلاً رسانا نیستند. مانعی در برابر رسانش الكتریكی است كه مقاومت نامیده می شود. تغییرات جزیی ترمودینامیكی و الكترو مغناطیسی، روی آن تاثیر می گذارد.بشر همواره می خواسته كه راه های تولید انرژی را ارزان تر كند و یكی از بهترین گزینه ها برای كم كردن هزینه كشف موادی است كه مقاومت كمتری دارند. اما در بعضی از مواد وقتی كه به یك دمای خاص برسیم، تغییری در حالت ماده به وجود می آید كه به آن ابررسانایی می گویند. در این حالت مقاومت الكتریكی از بین می رود به طوری كه جریانی كه در یك حلقه ابررسانا تولید می شود تا صد هزار سال بدون تغییر باقی می ماند!
• كشف ابررسانا ها
در نیمه دوم قرن نوزدهم عده زیادی از دانشمندان در پی این بودند كه عناصری كه در شرایط معمولی به صورت گازی موجود بودند را به حالت مایع دربیاورند. یكی از پیشتازان این مسابقه «كایته» فرانسوی بود كه موفق شده بود برای اولین بار اكسیژن را به حالت مایع درآورد. هدف بعدی هیدروژن بود. سه نفر به طور جداگانه در اروپا در این زمینه فعالیت می كردند «اشلوسكی» در لهستان، «كامرلینگ اونس» در دانشگاه لیدن در هلند كه با استفاده از دستگاه های فوق العاده پیشرفته ای در آزمایشگاهش روی این موضوع كار می كرد و نفر سوم «سر جیمز دوآر» از انجمن پادشاهی انگلستان بود كه توانست در ۱۸۹۸ هیدروژن مایع تولید كرده و فاتح این مسابقه شود. اما مسئله مهم به وجود آمده، اندازه گیری دمای هیدروژن در هنگام تبدیل از حالت گازی به حالت مایع بود. طبق پیشگویی های نظری (معادله واندروالس) این مقدار بین ۲۰ تا ۳۰ كلوین بود. اما دمایی كه دماسنج های الكتریكی (ترموكوپل) نشان می دادند، مقداری بیشتر از این پیش بینی بود. حتی وقتی تمام تصحیحات ناشی از افت مقاومت در اثر دمای پایین هم به حساب می آمد، دماسنج باز هم ۳۵ كلوین نشان می داد. در حالی كه دماسنج های گازی مقدار واقعی ۲۰ كلوین را نشان می دادند.كشف ابررسانایی در واقع از این مسئله آغاز شد. تا سال ۱۹۰۸ تمام عناصر گازی به حالت مایع درآمده بودند و تنها هلیم بود كه باقی مانده بود. تلاش برای میعان هلیم مایع توسط كامرلینگ اونس نتیجه داد و دانشمندان با رسیدن به گستره جدیدی از دما ها (در حدود چند كلوین) اقدام به سنجش خواص مواد در این محدوده كردند. «نرنست» در برلین نشان داده بود كه با كم شدن دما، مقاومت فلز باید به تدریج كاهش یابد تا سرانجام در صفر مطلق به كلی ناپدید شود. یكی از خالص ترین فلزات در آن زمان جیوه بود. به همین دلیل اونس به سراغ اندازه گیری مقاومت جیوه رفت. نتایجی كه وی به دست آورد تا دمای ۴ كلوین طبیعی بود اما پایین تر از این دما ناگهان مقاومت الكتریكی به حدی می رسید كه با دستگاه هایی كه تا آن روز وجود داشت، قابل اندازه گیری نبود. در سلسله مقالاتی كه اونس تا سال ۱۹۱۳ در مورد این پدیده منتشر كرد، نام ابررسانایی را بر روی آن گذاشت. این خاصیت توسط خود اونس در سرب و قلع نیز مشاهده شد. البته به نظر می رسد كه اونس این كلمه را برای صرفه جویی در لغات به كاربرده در مقاله هایش به كار برد و در ابتدا درك عمیقی از آنچه كه كشف كرده بود، نداشت.«كارهه كامرلینگ اونس» اصیل زاده هلندی در سال ۱۹۱۳ به خاطر كشف خاصیت ابررسانایی به دریافت بزرگترین جایزه علمی دنیا، نوبل فیزیك مفتخر شد.
• اندازه گیری مقاومت ابررسانا
اونس برای اندازه گیری مقاومت ابررسانا آزمایشی را به این صورت طرح كرد كه ابتدا جریانی را در دو سر یك پیچه برقرار كرد و سپس آن را داخل یك ظرف هلیم مایع فرو برد تا به حالت ابررسانایی درآید. سپس دو سر پیچه را به هم وصل كرد تا اتصال كوتاه شود. سپس با قرار دادن یك قطب نما، هرگونه افت در میعان مغناطیسی تولید شده توسط جریان در پیچه را اندازه گرفت. چنین آزمایشی، چندین سال بعد در MIT (موسسه فناوری ماساچوست) در ابعاد بسیار بزرگ انجام شد و پس از مدت دو سال هیچ گونه افت جریانی مشاهده نشد. اما سرانجام اعتصاب صنفی كارگران بخش حمل و نقل در ایالت ماساچوست باعث شد كه هلیم مایع به موقع به آزمایشگاه نرسد و آزمایش متوقف شود.
• كشفی ناامید كننده
كشف خاصیت ابررسانایی در نخستین مراحل، دانشمندان را مصمم به ساخت منبع لایزالی برای تولید انرژی كرد؛ یعنی ساخت سیم پیچ هایی عظیم از ابررسانا برای صرفه جویی در مصرف برق. اما این بار هم اونس بود كه نشان داد زیاد شدن میدان مغناطیسی باعث از بین رفتن خاصیت ابررسانایی می شود.در واقع هم دما و هم میدان مغناطیسی و هم شدت جریان الكتریكی عبوری در ایجاد خاصیت ابررسانایی در فلزات موثر است. اگر میدان مغناطیسی در محیط ایجاد شود، دمای ابررسانی پایین تر می رود.
• ماهیت ابررسانایی
از زمان كشف خاصیت ابررسانایی تا بیش از نیم قرن پس از آن هر دهه به طور متوسط ۷ یا ۸ نظریه برای توضیح ابررسانایی ارائه می شد. اما همه این نظرات در یك نكته با هم مشترك بودند و آن عدم انطباق با واقعیت بود. كار به جایی رسید كه فلیكس بلوخ، فیزیكدان حالت جامد فرضیه جدیدی را به طنز منتشر كرد كه تا مدت مدیدی تنها نظر صحیح در مورد ابررسانایی بود: «می توان ثابت كرد هر نظریه ای كه برای توضیح ابررسانایی داده شود، غلط است!»در تمام این مدت افرادی نظیر مایسنر، برادران لاندن، گورتر، كازیمیر، ابریكوسوف، لاندائو و گینزبرگ كشفیات نظری و تجربی مهمی در مورد ابررسانایی انجام داده بودند كه بعضی از آنها هم به خاطر كشفیات شان موفق به اخذ جایزه نوبل فیزیك شدند. اما سرانجام در ۱۹۵۷ سه فیزیكدان آمریكایی «باردین، كوپر و شریفر» در مقاله ای كه ۱۵ سال بعد (۱۹۷۲) جایزه نوبل فیزیك را برایشان به ارمغان آورد، موفق به توضیح ابررسانایی شدند. این تئوری كه به اختصار BCS (ابتدای نام سه نویسنده) نامیده می شود، در مجله فیزیكال ریویو لترز به چاپ رسید. ایده این نظریه را سال قبل كوپر در مقاله ای كه در آن تشكیل یك زوج از الكترون ها را داده بود، فراهم كرده بود.در حقیقت تشكیل یك زوج از الكترون باعث می شود كه این زوج در هنگام حركت در طول یك رسانا اثرات اصطكاكی ناشی از مقاومت را حس نكنند. البته این تنها یك توصیف بسیار ساده شده از آنچه كه واقعاً رخ می دهد است. پدیده های مهمی در این بین رخ می دهند كه باردین، كوپر و شریفر در مقاله شان توضیح دادند. لازم به ذكر است كه «جان باردین» تنها فیزیكدان است كه دو بار موفق به كسب جایزه نوبل فیزیك شده است: در ۱۹۵۶ به خاطر كشف نیم رسانا ها و در ۱۹۷۲ به خاطر توضیح ابررسانایی.
• ابر رسانا های دمای بالا
اما ماجرا با توضیح ابررسانایی خاتمه نیافت. در دهه ۱۹۸۰ در آزمایشگاه IBM در زوریخ فیزیكدان سوئیسی، «الكس مولر» به همراه دستیار جوانش «جورج بدنورز» در حال ساخت نوعی سرامیك بودند كه اشتباه این جوان در گرم نكردن یك اجاق باعث كشفی شد كه هم پای كشف آتش از بزرگترین دستاورد های بشر در تهیه انرژی است. این سرامیك در دمای بسیار بالاتری از صفر مطلق در حدود ۷۰ تا ۸۰ كلوین خاصیت ابررسانایی از خود بروز می دهد. البته امروزه ابررسانا های سرامیكی ساخته شده اند كه تا بیش از ۲۰۰ كلوین (۶۰ _ درجه سانتیگراد) از خود خاصیت ابررسانایی نشان می دهند. به این ترتیب همان طور كه بشر با به خدمت گرفتن آتش فلز را ذوب كرد و از دوران پارینه سنگی به دوران فلز پای گذاشت، بشر امروزی با به كار بردن ابررسانا ها در دمای معمولی خواهد توانست گامی عظیم در به خدمت گرفتن انرژی برای رسیدن به اهداف خود بردارد. امروزه گروه های مختلفی از سرتاسر جهان به دنبال این هستند كه بالاخره ماده ای را كشف كنند كه بتواند در دمای معمولی (۳۰۰ كلوین) هم از خود خاصیت ابررسانایی نشان دهد.همان طور كه از ظاهر امر برمی آید، خاصیت ابررسانایی در سرامیك ها و فلزات، سرشتی متفاوت دارند. سرامیك ها، نارسانا هستند و سپس به ابررسانا تبدیل می شوند. در حالی كه فلزات رسانا هستند و ناگهان مقاومت در آنها صفر می شود. دمای گذار به ابررسانایی هم در فلزات بسیار پایین تر از سرامیك ها است. به این ترتیب نظریه BCS دیگر قادر به توضیح ماهیت ابررسانایی در سرامیك ها یا ابررسانا های دمای بالا (High TC) نیستند. دانشمندان تاكنون نظریه ای رضایت بخش برای توضیح این پدیده نیافته اند و این مسئله یكی از مهم ترین مسائل حل نشده تاریخ فیزیك است.
• تكنولوژی ابررسانا ها
در ارتباط با ابررسانا های جدید در دمای بالا تاكنون هیچ كاربرد تجاری در گستره دمایی كه فعلاً كشف شده (زیر ۲۰۰ كلوین) به طور كامل به منصه ظهور نرسیده است. حتی در آزمایش های فضایی كه در دمایی پایین تر از دمای گذار به ابررسانایی در این مواد انجام می شود، پژوهشگران ترجیح می دهند از همان ابررسانا های قبلی و در محیط هلیم مایع استفاده كنند تا به تمام جنبه های مسئله مسلط باشند. فوری ترین كاربرد برای ابررسانا های دمای بالا ساخت تراشه های فوق سریع است كه انقلابی عظیم را در فناوری اطلاعات ایجاد خواهد كرد كه با اختراع ترانزیستور ها قابل قیاس است. یكی از كاربرد های ابررسانا ها با توجه به حساسیت آنها به میدان مغناطیسی اكتشافات معدنی، زمین شناختی و حتی ردیابی زیردریایی ها است. ساخت قطار هایی كه با استفاده از خاصیت ابررسانایی میدان مغناطیسی تولید می كنند كه آنها را بالاتر از سطح زمین و بدون هیچ گونه اصطكاك با ریل كه موجب تلف كردن مقدار زیادی از انرژی می شود، قطار را به حركت درمی آورد، یكی از شناخته شده و معروف ترین كاربرد های ابررسانایی است. این قطار ها قادرند مسافت بیش از ۵۰۰ كیلومتر را در كمتر از یك ساعت بپیمایند. به كار بردن ابررسانا ها در خطوط انتقال نیرو حتی با احتساب كلیه هزینه های سرد نگه داشتن ابررسانا رقمی معادل ۷۰ تا ۸۰ درصد صرفه جویی در مصرف برق را نشان می دهد كه بسیار عظیم است.به كار بردن ابررسانا ها در وسایل تحقیقاتی (مثل شتاب دهنده ها) و وسایل پزشكی (مثل دستگاه MRI) از كاربرد های عادی ابررسانا ها شده است.به كار بردن ابررسانا های سرامیكی مزیت دیگری هم دارند و آن این كه برای سرد كردن آنها (با توجه به دمای بالاتر نسبت به ابررسانا های فلزی) به جای هلیم مایع می توان از نیتروژن مایع استفاده كرد كه بسیار ارزان تر و فراوان تر است. یكی از مهم ترین مسائل فنی، تبدیل ابررسانای سرامیكی به هلیم است كه باید حل شود و تا آن زمان چاره ای جز صبر نداریم.

منبع : روزنامه شرق