تاریخچه ساخت ابررساناها

پژوهش برای بررسی تغییر مقاومت الكتریكی اجسام در دماهای پائین برای نخستین بار توسط دانشمند اسكاتلندی جیمز دئِور در اواسط قرن نوزدهم آغاز شد. در سال ۱۸۶۴، دو دانشمند لهستانی به نامهای زیگموند روبلوفسكی و كارل اولزفسكی كه روشی برای برای مایع ساختن اكسیژن و نیتروژن، یافته بودند، به بررسی خواص فیزیكی عناصر و ازجمله مقاومت الكتریكی در دماهای خیلی كم ادامه دادند و پیش‌بینی نمودند مقاومت الكتریكی در دماهای كم به شدت كاهش می‌یابد.
روبلوفسكی و اولزفسكی نتایج فعالیت خود را در سال ۱۸۸۰ منتشر ساختند. بعد از آن دِئور و فلمینگ نیز پیش‌بینی ‌خود را مبنی بر الكترومغناطیس شدن كامل فلزات خالص در دمای صفر مطلق بیان داشتند. البته دئور بعدها تئوری خود را اصلاح و اعلام داشت مقاومت اینگونه فلزات در دمای مورد اشاره به صفر نمی‌رسد اما مقدار بسیار كمی خواهد بود.
والتر نرست نیز با بیان قانون سوم ترمودینامیك بیان داشت كه صفر مطلق دست‌نیافتنی است. كارل لیند و ویلیام همپسون آلمانی در همین زمانها روش خنك‌سازی و مایع ساختن گازها با افزایش فشار را به ثبت رساندند.
در سال ۱۹۰۰، نیكلا تسلا كه با سیستم خنك‌سازی لیند كار می‌كرد، پدیده تقویت سیگنالهای الكتریكی را با سرد شدن اجسام كه درنتیجه كاهش مقاومت آنها بود، مشاهده و به ثبت رساند. سرانجام خاصیت ابررسانایی توسط پروفسور هلندی، كمرلینک اونز، در سال ۱۹۱۱ و زمانی‌كه وی سرگرم آزمایش تئوری دئور بود، در دانشگاه لیدن مشاهده شد.
اونز دریافت که اگر جیوه در هلیم مایع یعنی حدود ۲/۴ درجه كلوین قرار گیرد، مقاومت الکتریکی آن از بین می‌رود. سپس یك حلقه سربی را در دمای ۷ درجه كلوین ابررسانا نمود و قوانین فارادی را بر روی آن آزمایش كرد و مشاهده نمود وقتی با تغییر شار در حلقه جریان القایی تولید شود، حلقه سربی بر عكس رساناهای دیگر رفتار می‌نماید. یعنی بعد از قطع میدان تا زمانی‌كه در حالت ابر رسانایی قرار دارد، جریان الكتریكی را تا مدت زیادی حفظ می‌كند.
به عبارت دیگر بعد از به وجود آمدن جریان الكتریكی ناشی از میدان مغناطیسی در یك سیم ابررسانا، سیم حتی بدون میدان خارجی یا مولد الكتریكی نیز می‌تواند حامل جریان باشد. اونز این رخداد را در آزمایشگاه دانشگاه لیدن با ایجاد جریان ابررسانایی در یک سیم‌پیچ و سپس حمل سیم‌پیچ همراه با سرد کننده‌ای که آن را سرد نگه می‌داشت به دانشگاه کمبریج به عموم نشان داد. یافته اونز منجر به اعطای جایزه نوبل فیزیك در سال ۱۹۱۳ به وی شد.
اونز همچنین متوجه شد برای هر یك از مواد ابررسانا، دمایی به نام دمای بحرانی وجود دارد كه وقتی ماده از این دما سردتر شود، جسم ابررسانا می‌گردد و در دماهای بالاتر از این دما، جسم دارای مقاومت الکتریکی است.
دمای بحرانی عناصر مختلف متفاوت است. مثلا" دمای بحرانی جیوه حدود ۵ درجه كلوین، سرب ۹ درجه كلوین و نیوبیوم ۲/۹ درجه كلوین می‌باشد و برای بعضی آلیاژها و تركیبات مانند Nb۳Sn و Nb۳Ge دمای بحرانی به ۱۸ و ۲۳ درجه كلوین نیز می‌رسد. البته فلزات رسانایی مانند طلا، نقره و حتی مس نیز هستند كه تلاش برای رساندن مقاومت ویژه‌شان به صفر بی نتیجه مانده است و مشخص نیست اگر به صفر مطلق برسند مقاومت آنها چقدر خواهد بود.
رسانیدن دمای ابررساناهای متعارف به این دما نیازمند وجود هلیم مایع می‌باشد كه بسیار پرهزینه، خطرناك و مشکل است. لذا از همان ابتدا تلاش برای تولید ابررساناهایی با دمای بحرانی بالاتر شروع شد و محققان در تلاشند مواد ابررسانایی با دمای بحرانی بالاتر پیدا كنند.
از كشف ابررسانایی در سال ۱۹۱۱ تاكنون، هیچ نظریه فیزیكی جامعی نتوانسته است به بیان دقیق علت خاصیت ابررسانایی بپردازد. در سال ۱۹۵۷ سه فیزیكدان آمریكایی به نام‌های باردین، كوپر و شریفر در دانشگاه ایلی‌نویز نظریه‌ای برای توجیه پدیده ابررسانایی در ابررساناهای متعارف ارائه دادند كه با نام آنها به نظریه BCS معروف گردید.
براساس این نظریه در ابررساناهای معمولی، الكترونهایی كه در رسانایی جریان نقش دارند، جفت‌هایی تشكیل می‌دهند و متقابلاً با عواملی كه باعث مقاومت الكتریكی می‌شوند، مقابله می‌كنند. ابداع تئوری BCS نیز برای سه دانشمند آمریكایی جایزه توبل ۱۹۷۲ را به ارمغان آورد. این‌كه ۴۶ سال طول کشید تا توجیهی برای پدیده ابررسانایی یافت شود، دلایلی داشت. دلیل اول این‌كه جامعهٔ فیزیک تا حدود بیست سال مبانی علمی لازم برای ارائه راه حل مسئله را كه تئوری کوانتوم فلزات معمولی بود نداشت.
دوم این‌که تا سال ۱۹۳۴ هیچ آزمایش اساسی در این زمینه انجام نشد. سوم اینکه وقتی مبانی علمی لازم بدست آمد، به زودی مشخص شد انرژی مشخصه وابسته به تشکیل ابررسانایی بسیار کوچک یعنی حدود یک ملیونیم انرژی الکتریکی مشخصهٔ حالت عادی است.
بنابراین نظریه پردازان توجه‌شان را به توسعهٔ یک تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب کردند. این مسیر توسط فریتز لاندن رهبری می‌شد. وی در سال ۱۹۵۳ به نکتهٔ زیر اشاره کرد:‌ "ابررسانایی پدیده‌ای کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی است و با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریک شده بوسیلهٔ وقفه های زمانی رخ می‌دهد." به علاوه وی بیان داشت كه دیامغناطیس شدن ابررساناها یک مشخصه بنیادی است.
تئوری BCS در توضیح و تفسیر رویدادهای ابررسانایی موجود و هم چنین در پیشگویی رویدادهای جدید نسبتاً موفق بود. در ژوئیه ۱۹۵۹، در اولین کنفرانس بزرگی كه بعد از ارائه ی نظریه ی BCS با موضوع با ابررسانایی در دانشگاه کمبریج برگزار شد، دیوید شوئنبرگ كنفرانس را با این جمله آغاز کرد: «حالا باید ببینیم تا چه حد مشاهدات با حقایق نظری جور در می‌آیند ...؟»
کمی بعد از انتشار نتایج اولیهٔ تئوری BCS، در تابستان سال ۱۹۵۷ سه دانشمند دانماركی به نامهای آگ بور، بن موتلسون و دیوید پاینز، در کپنهاگ نشان دادند که نوترونها و پروتونهای موجود در هسته اتم به خاطر جذب دوسویه شان جفت می‌شوند و بدینوسیله توانستند معمای قدیمی پدیدهٔ هسته‌ای را توجیه نمایند. در همین زمان یوشیرو نامبونیز در شیکاگو دریافت که ترتیب جفت شدن BCS برای پدیده‌های انرژی بالا در فیزیک ذرات ابتدائی نیز صحت دارد.
باید گفت در اثر ارائه تئوری BCS بود كه پژوهشگران فلزات ابررسانی جدیدی را معرفی کردند و مشتاقانه به دنبال موادی گشتند که در دماهای نسبتاً بالاتر از ۲۰ کلوین ابررسانا می‌شوند. بعد از ارائه تئوری BCS، دو آلیاژ جدید نیز معرفی شدند.
یكی مواد الکترون سنگین مانند CeCu۲Si۲، UPt۳ و UBe۱۳ که به عنوان ابررساناهایی در دماهای حدود یک کلوین توسط فرانك استگلیش در آلمان و زاچاری فیسك، جیم اسمیت و هانس اوت در آمریكا شناخته شدند و دیگری فلزات آلی تقریبا دو بعدی با دمای بحرانی حدود ده درجه کلوین كه در پاریس توسط دانیل ژرومه کشف شد.
باوجود تلاش‌های زیاد بند ماتیوس که حدود صد ماده ابررسانا را کشف کرد، هنوز حد بالایی برای دمای مواد ابررسانا وجود داشت. دمایی که از مکانیسم به کار رفته برای ابررسانایی یعنی تعامل فونون القائی ناشی می‌شد. چنانكه نور كوانتومی را فوتون می‌نامند، اصوات كوانتومی را نیز فونون نامیده‌اند.
در سال ۱۹۶۲ جوزفسون انگلیسی در ۲۲ سالگی آزمایشاتی روی جفت الكترونهای كوپر انجام داد كه منجر به مشاهده و اعلام پدیده‌ای شد كه خاصیت تونل‌زنی یا اثر جوزفسون نام گرفت. بر اساس اثر جوزفسون، درصورتیكه دو قطعه ابررسانا توسط یك عایق بسیار نازك (حدود یك نانومتر) به یكدیگر متصل شوند، جفت الكترونهای كوپر می‌توانند از عایق عبور نمایند.
مقدار جریان الكتریكی ایجاد شده به ولتاژ اتصال و میدان مغناطیسی وابسته است. ارائه تئوری مزبور برای جوزفسون و دو دانشمند دیگر یعنی لئو ایزاكی و ایوار گیاور كه فعالیتهای مشابهی در بررسی پدیده تونل زنی داشتند جایزه نوبل ۱۹۷۳ را به ارمغان آورد.حدود ۷۰ سال پیشرفتهای انجام شده برای افزایش دمای بحرانی به كندی انجام گرفت. از سال ۱۹۱۱ تا سال ۱۹۷۳ یعنی حدود ۶۲ سال دانشمندان تنها توانستند دمای بحرانی را از ۴ درجه به ۳/۲۳ درجه كلوین كه كمی بیشتر ۳/۲۰ كلوین یعنی دمای ئیدروژن مایع است برسانند اما كار با ئیدروژن مایع نیز پرهزینه، مشكل‌آفرین و خطرساز بود و كاربردهای ابررسانا را محدود می‌ساخت. در سالهای بعد علاوه بر فلزات و آلیاژهای فلزی، فعالیتهایی در زمینه تركیبات نیمه‌فلزی توسط برخی دانشمندان آغاز شد اما هنوز ماده‌ای دیگری به جز فلزات و آلیاژها یافته نشده بود كه بتواند در دماهای مورد انتظار ابررسانا باشد.
سرانجام در ۲۷ ژانویه سال ۱۹۸۶ جرج بدنورز و آلكس مولر در مؤسسه تحقیقاتی IBM شهر زوریخ سوئیس موفق به كشف پدیدهٔ ابررسانایی در سرامیكی از نوع اكسید مس و شامل لانتانوم و باریوم شدند. دمای بحرانی نمونه ساخته شده، حدود ۳۵ درجه كلوین بود و آنها نیز به خاطر كشف ابررساناهای دمابالا (HTS) موفق به دریافت جایزهٔ نوبل در سال ۱۹۸۷ شدند. طی مدت زمان كوتاهی پس از كشف ابررسانایی دما بالا، دسترسی به دماهای بحرانی بالاتر به سرعت توسعه یافت.
یک ماه بعد از كشف بدنورز و مولر، تاناكا و همکاران وی در توکیو نتایج آنها را تأیید نمودند و نتایج فعالیت آنها در یکی از نشریات ژاپنی به چاپ رسید. اندكی بعد از كشف اكسید مس حاوی باریوم و لانتانوم، در نتیجه همکاری پاول چو از دانشگاه هوستون و مانگ كنگ وو از دانشگاه آلاباما، عضو جدیدی از خانواده مواد ابررساناهای دما بالا با جایگزینی ایتریوم Y به جای لانتانوم كشف شد. این ماده سرامیكی كه دمای بحرانی آن به ۹۲ درجه كلوین می‌رسید، به YBCO معروف شد. با توجه به نقطه جوش نیتروژن كه ۷۷ درجه كلوین در فشار یك اتمسفر است، برای سرد شدن این ابررسانا تا دمای بحرانی استفاده از نیتروژن مایع هم امكانپذیر بود كه بسیار ارزان‌تر و بی‌خطرتر از ئیدروژن و هلیم مایع بود.
بنابراین فقط در طی یک سال از کشف اصلی، دمای انتقال به حالت ابررسانایی افزایش سه برابر داشت و واضح بود که انقلاب ابررساناها شروع شده است. برای پاسداشت تحول مهمی كه در علم فیزیك واقع شده بود، توسط انجمن فیزیکدانان آمریکایی در بعدازظهر یکی از روزهای مارس ۱۹۸۷ جشنی هم در نیویورک برگزار شد.
این جشن ۳۰۰۰ شرکت کننده داشت و حدود ۳۰۰۰ نفر نیز این جشن را از طریق تلویزیون مدار بسته در خارج از محل اصلی تماشا کردند. در طول شش سال بعد، چند خانواده دیگر از ابررساناها کشف شدند که شامل تركیبات شامل تولیوم (Tl) و جیوه (Hg) بوده و دارای حداکثر دمای بحرانی بیشتر از ۱۲۰ درجه کلوین بودند.
بالاترین مقدار تأیید شده دمای بحرانی در فشار معمولی یك اتمسفر، ۱۳۵ درجه كلوین و متعلق به HgBa۲Ca۲Cu۳O۸ می‌باشد. به صورت تجربی معلوم شده است اگر ماده ابررسانا به صورت مكانیكی تحت فشار قرار گیرد، دمای بحرانی ابررسانا كمی تغییر می‌كند. در سال ۱۹۹۳، دمای بحرانی ۱۶۵ درجه كلوین (۱۰۸- درجه سانتیگراد) نیز در تركیبی از اكسید مس و جیوه و البته تحت فشارهای خیلی بالا گزارش شد.
همگی ابررساناهای مورد اشاره یک ویژگی مشترك داشتند. وجود سطوح تراز شامل اتمهای اكسیژن و مس که با مواد حامل بار برای سطوح تراز از یكدیگر جدا می‌شوند. با توجه به كاربردهای مختلف ابررساناها، بسیاری از تلاشها بر افزایش دمای عملكرد ابررساناها تا دستیابی به دمای اتاق متمركز شده است.
هر چند دمای بحرانی تركیبات جدید سرامیكی در حد قابل توجهی از دمای بحرانی مواد ابررسانای متعارف (فلزات و آلیاژها) بزرگتر است، به دلیل خصوصیات فیزیكی این مواد مانند شكنندگی و پایین بودن چگالی و جریان بحرانی كاربردهای این مواد هنوز در مرحله‌ی تحقیق است.
اخیراً سعید سلطانیان به همراه یك گروه علمی به سرپرستی پروفسور شی زو دو در دانشگاه ولونگونگ استرالیا ابررسانایی ساخته‌اند كه بالاترین ركورد را از نظر خواص مكانیكی در میان ابررسانا دارد. این ابررسانا به شكل سیم یا نواری از جنس دی برید منیزیم (MgB۲) با پوششی از آهن است و امكان انعطاف برای ساخت تجهیزات مختلف الكتریكی را داراست.
ابررساناهای جدید عموماً سرامیكی و اكسیدهای فلزی ورقه ورقه هستند که در دمای اتاق مواد نسبتاً بی‌ارزشی محسوب می‌شوند و البته كاربردهای متفاوتی نیز دارند. اكسیدهای فلزی ابررسانا در مقایسه با فلزات شامل کمی حامل بار معمولی هستند و داری خواص انیسوتوروپیک الکتریکی و مغناطیسی می‌باشند.
این خواص به نحو قابل ملاحظه‌ای حساس به محتوای اكسیژن می‌باشند. نمونه‌های ابررسانای موادی مانند YBa۲Cu۳O۷ را یک دانش‌آموز دبیرستانی نیز می‌تواند در یک اجاق میکروویو تولید کند اما برای تشخیص خواص فیزیکی ذاتی، کریستالهای یکتایی با درجه خلوص بالا مورد نیاز است كه فرآیند ساخت پیچیده‌ای دارند.
بعد از كشف ابررساناها، تا چند سال تصور می‌شد رفتار مغناطیسی ابررسانا مانند رساناهای كامل است. اما در سال ۱۹۳۳ مایسنر و اوشنفلد دریافتند اگر ماده مورد آزمایش قبل از ابررسانا شدن در میدان مغناطیسی باشد، شار از آن عبور می‌كند ولی وقتی در حضور میدان به دمای بحرانی برسد و ابررسانا گردد دیگر هیچ‌گونه شار مغناطیسی از آن عبور نخواهد كرد و تبدیل به یك دیامغناطیس كامل می‌شود كه شدت میدان (B) درون آن صفر خواهد بود.
آنها توزیع شار در خارج نمونه‌های قلع و سرب را كه در میدان مغناطیسی تا زیر دمای گذار سرد شده بودند را اندازه­گیری و مشاهده كردند كه ابررسانا دیامغناطیس كامل گردید و تمام شار به بیرون رانده شد. این آزمایش نشان داد كه ماده ابررسانا چیزی بیشتر از ماده رسانای كامل است. براساس ویژگی مهم ابررساناها، فلزات در حالت ابررسانایی هرگز اجازه نمی‌دهند كه چگالی شار مغناطیسی در درون آنها وجود داشته باشد. به عبارت دیگر در داخل ابررسانا همیشه B=۰ است. این پدیده به اثر مایسنر معروف شد.
در اثر پدیده مایسنر اگر یك آهنربا روی ماده ابررسانا قرار گیرد، روی آن شناور می‌ماند. در شكل یك آهنربای استوانه‌ای روی یك قطعه ابررسانا كه توسط نیتروژن خنك شده شناور است. علت شناور ماندن، اثر مایسنر است كه براساس آن خطوط میدان مغناطیسی امكان عبور از ابررسانا را نیافته و چنانكه مشاهده می‌شود، ابررسانا قرص مغناطیسی را شناور نگه می‌دارد.
پس از کشف دیامغناطیس بودن ابررساناها، در سال ۱۹۵۰ آلیاژهای ابررسانایی مانند سرب+بیسموت و سرب+تیتانیوم كشف شدند که میدانهای بحرانی خیلی بالایی از خود نشان می‌دادند. پژوهشهای بعدی نشان داد که این مواد نوع متفاوتی از ابررساناها هستند که بعداً نوع II نامیده شدند.
لاندن با استفاده از موازنه انرژی در محدوده کوچکی بین مرز فازهای ابررسانا و نرمال، شرط تعادل فاز را به دست آورده و به حضور یک سطح انرژی دیگر با منشأ غیرمغناطیسی اشاره کرد كه علاوه بر انرژی مرز بین دو فاز ابررسانا و نرمال وجود داشت. وی متذکر شد که اگر سطح انرژی کل مثبت باشد ابررسانایی ازنوع اول و اگر منفی باشد از نوع دوم است که در این صورت میدان مغناطیسی به درون ابررسانا نفوذ می‌کند.
در سال ۲۰۰۳ نیز آلكسی آبریكوزوف و ویتالی گینزبورگ به خاطر بسط تئوری ابررسانایی همراه با آنتونی لگت برنده جایزه نوبل فیزیك شدند. به تازگی هم پژوهشگران فرانسوی خاصیت جدیدی را در ابررساناها پیدا كرده‌اند كه قبلاً در هیچ نظریه‌ای پیش‌بینی نشده بود. چنانكه اشاره شد خواص ابررسانایی در مواد، به دمای محیط، میدان مغناطیسی و شدت جریان عبوری بستگی دارد. محققان فرانسوی بلوری ساخته‌ بودند كه در دمای ۰۴/۰ درجه كلوین ابررسانا می‌شد و وقتی شدت میدان مغناطیسی به بیشتر از ۲ تسلا می‌رسید، این خاصیت از بین می‌رفت.
یكی از پژوهشگران این گروه، از روی كنجكاوی، شدت میدان مغناطیسی را باز هم بیشتر كرد. وقتی شدت میدان به ۱۲ تسلا رسید، بلور دوباره ابررسانا شد. وقتی میدان باز هم بالاتر رفت، این خاصیت دوباره از بین رفت. این گزارش كه اخیراً در نشریه علمی ساینس به چاپ رسیده، توجه بسیاری از فیزیكدانان حالت جامد را برانگیخته است چرا كه هیچ توضیح خاصی برای این پدیده وجود ندارد.
با توجه به موارد گفته شده، به نظر می‌رسد كه میدان مغناطیسی متغیر باعث ایجاد رفتارهای جالب پیش‌بینی نشده در ابررساناها می‌شود. البته باید توجه داشت كه ابررسانایی یك خاصیت كاملاً كوانتمی است و به سادگی نمی‌توان وضعیت پیش آمده در این آزمایش را توصیف كرد.

منبع : بانک اطلاعات مهندسی برق