انتشار این مقاله


دستاوردهای عظیم (۹۶): هایک اونس و کشف ابررسانایی

ابررسانایی ویژگی برخی از مواد است که نقش گسترده‌ای را در ابزارهای الکترونیک حساس، به خصوص در اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق دارد.

کشف ابررسانایی ممکن است تصادفی باشد، اما آزمایشی که با آن ابررسانایی کشف شده‌است، بخشی از یک برنامه تحقیقاتی بزرگ و به دقت برنامه‌ریزی شده در Leiden بود. مطالعه مقاومت الکتریکی فلزها( مانند طلا و پلاتینیوم) در دماهای بسیار پایین هم از منظر تئوریک و هم از منظر عملی بسیار جالب بود. عملی، چون اینکه مقاومت‌های فلزی وابسته به دما بودند، به دانشمندان این امکان را  داد تا از ان به عنوان ترمومتر استفاده کنند که جایگزین بسیار خوبی برای ترمومترهای گازی شدند. ترمومترهای گازی دقیق بودند اما استفاده از آن زحمت زیادی داشت و پاسخگویی آن آهسته بود. از لحاظ تئوری، Paul Drude در سال ۱۹۰۰ تئوری کینتیک گازها را در گاز الکترونی یک فلز به کار برده‌بود، و براساس آن نتیجه گرفته‌بود که رابطه میان کاهش مقاومت با دمای مطلق خطی است، در عین حال William Thomson (Lord Kelvin) یک سال بعد پیش‌بینی کرده‌بود که الکترون‌های هدایتی در دماهای بسیار پایین، همانند صفر مطلق، به حالت جامدمانند فریز می‌شوند و مقاومت آن‌ها بی‌نهایت می‌شود.

جیوه

با استفاده از هیدروژن مایع به عنوان سردکننده در سال ۱۹۰۶، Jacob Clay و سایر دانشجویان Kamerlingh Onnes توانستند آزمایش‌هایی را در آزمایشگاه فیزیک Leiden با دمای ۱۴ کلوین انجام دهند. در حین این آزمایش‌ها مشاهده شده‌بود با وجود اینکه مقاومت سیم‌های طلایی و پلاتینیومی با سردی دما، کاهش یافته‌بود، همزمان اندکی بعد افزایش یافت. میعان موفقیت‌آمیز هلیوم در سال ۱۹۰۸، باعث پیشرفت بسیار سریع‌تر کارها شد، چون به طور ناگهانی امکان رسیدن به دمای ۱ کلوین برای محققان فراهم شد. نتایج اندازه‌گیری‌های جدید نشان می‌داد که در دماهای بسیار پایین، مقاومت با خالص‌تر شدن سیم‌های فلزی کاهش می‌یابد، به طوری که انتظار می‌رفت که با نزدیک‌شدن به صفر مطلق مقاومت نیز به صفر برسد.

قدم بعدی انتخاب جیوه بود، چون که با تقطیر آن می‌توان به مقادیر بسیار خالص آن رسید. دستگاه مویینگی، که شاهکار Kesserling بود، در کریستات هلیوم درست در کنار دستگاه میعان‌گر نصب شده‌بود. هدف اصلی این آزمایش، تست سیستم انتقالی هلیم مایع بود. در طول این ازمایش مهم که در ۸ آوریل ۱۹۱۱ صورت گرفته‌بود، Kamerlingh Onnes و Gerrit Jan Flim، رییس بخش کریوژنیک آزمایشگاه و استاد ابزار سازی، مسئول تاسیسات کریوژنیک بودند. اندازه‌گیری دما(با استفاده از یک ترمومتر گازی) وظیفه Cornelis Dorsman بود، و میزان مقاومت سیم جیوه‌ای با استفاده از یک مدار پل الکتریکی ویک گالوانومتر آینه‌دار تعیین می‌شد. این گالوانومتر در اتاقی با فاصله ایمن از ضربات پمپ و بر روی یک ستون ضدلرزه قرار داشت و مرتبا تحت نظر Gilles Holst بود. نتایج آزمایش‌ها این شد که مقاومت جیوه به صفر رسید. با این حال، نتایج با رخداد دمای انتقالی کمی پیچیده شد و محققان نتوانستند توضیح تئوریک آن را بیابند.

ابررساناهای جدید

دردسامبر ۱۹۱۲، جیوه به عنوان یک ماده با دارا بودن ابررسانایی با قلع و سرب استفاده شد که فلزاتی بودند که دمای انتقالی‌شان به ترتیب ۳.۸ و ۷.۲ کلوین بود. بدین ترتیب، دیگر نیازی به استفاده از دستگاه‌های مویینه شکننده جیوه‌ای نبود. آزمایش‌ها می‌توانستند با سیم‌پیچ‌های کارآمد نیز انجام بگیرند. سیم‌ها از یک ژاکت سیلندری با استفاده از یک اسکنه برش داده می‌شدند که بهتر از کندن دستی سیم‌ها بود. قسمت‌های مختلف سیم به هم جوش خوردند تا اینکه به طول ۱.۷۵ متر رسیدند، و درنهایت مارپیچی با ۳۰۰ سیم‌پیچ تشکیل شد که سطح مقطع سیم ۱/۷۰ mm۲ بود و هر سیم‌پیچ با ابریشم از دیگری جدا شده‌بود که دور یک هسته‌ی شیشه‌ای پیچیده شده‌بودند. یکی از موانع اصلی آزمایش این بود که جریان استانه‌ای در یک سیم قلعی یا سربی در یک سیم‌پیچ بسیار کمتر از یک سیم صاف بود. در حالیکه در یک سیم قلعی صاف جریان آستانه‌ای ۸ آمپر می‌باشد، در حالت سیم‌پیچ به ۱ آمپر می‌رسد. برای سیم سربی هم وضعیت به همین شکل بود. اوایل Kamerlingh Onnes عامل این اتفاقات را سیم‌پیچی ضعیف یا سایر عوامل خارجی می‌دانست.

در اوایل قرن ۱۹، Jean Perrin ایده یک آهنربایی را داشت که با نیتروژن مایع سرد می‌شد و میدان مغناطیسی ۱۰۰۰۰۰ گاسی را تولید می‌کرد. آنالیزهای کمی بیشتر نشان داد که یک اهنربای مغناطیسی با این خصوصیات به ۱۰۰۰۰۰ وات توان الکتریکی نیاز دارد. و تخلیه گاه به گاه گرمای آن هر ساعت به ۱۵۰۰ لیتر مایع نیاز دارد که طبق برآوردها هزینه ساخت این آهنربای رویایی در ان زمان معادل هزینه ساخت یکی کشتی جنگی بود. قضیه ابررسانایی کمی فرق داشت. در سومین کنگنره بین‌المللی تبرید که در پاییز ۱۹۱۳ برگزار شد، Kamerlingh Onnes برای بار دیگر موضوع ابرمغناطیس‌ها را مطرح کرد و اظهار داشت که برای بدست آوردن یک میدان مغناطیس ۱۰۰۰۰۰ گاسی می‌توان از یک سیم‌پیچی با قطر ۳۰ سانتی‌متری و هلیوم مایع برای سرمایش آن استفاده کرد که نیروگاه موردنیاز برای انجام این کار را می‌توان با حمایت مالی کافی در Leiden ساخت. در شیکاگو George Claude ابداع‌کننده هوای مایع در وهله اول تامین هزینه موردنیاز برای پروژه ساخت آهنربای ابررسانا را که ۱۰۰۰۰۰ فرانک بود، برعهده گرفت.

متاسفانه آثار فلاکت‌بار یک میدان مغناطیسی بر ابررسانایی به سرعت پدیدار شد. در یک سیم‎‌پیج سربی که در دمای ۴.۲۵ کلوین بود، آثار ابررسانایی با اعمال میدان مغناطیسی ۶۰۰ گاسی به کلی محو شد. تیجه بازگشت مقاومت با تحریک میدان مغناطیسی این شد که ساخت ابررسانایی مطابق با آرزوهای Perrin به کلی منتفی شد. تا اینکه در دهه ۶۰ با ابداع سیم‌های نیوبیوم-تیتانیوم آهنربای قدرتمند ابررسانا برای عموم معرفی شد. این یک ماده ابررسانای ترکیبی است که میدان آستانه‌ای بالا، تراکم جریان زیاد و دمای انتقالی ۹ کلوین دارد.در اسکنرهای MRI و آهنرباهای دافعه در شتاب‌دهنده‌های ذرات نیز از این مواد استفاده می‌کنند. امروزه فقط منتظر ابررساناهایی هستیم که بتوانند در دماهای بالا دوام بیاورند تا سیم‌های از این جنس کاربردی‌تر شوند و نیاز به سرمایش آن‌ها با استفاده از هلیوم مایع از بین برود.

کاربردها

در حقیقت، چنین سیم‌هایی امروزه وجود دارند، اما تولید آن‌ها خیلی هزینه‌بر است بنابراین هنگامی استفاده می‌شوند که اهمیت اندازه‌گیری دقیق به قدری زیاد باشد که هزینه صرف شده را توجیه کند. برای مثال، جریانی که از منابع برقی که در دمای اتاق هستند، به آهنرباهای دافعه واقع در LHC  در CERN می‌رود از BiSrCaCuO ساخته‌ شده‌است. کابل‌هایی که برای انتقال برق به کار می‌روند و در دمای نیتروژن مایع کار می‌کنند، در چندین پروژه تست شده‌اند. در صورت موفقیت‌آمیز بودن آن‌ها، جایگزین خطوط برق پرفشار مسی در مناطق شهری می‌شوند و در آینده نزدیک شبکه جهانی از این خطوط برق را از نیروگاه‌های برقی به مناطق پرمصرف می‌رسانند.

ابررسانا ها امروزه در تشخیص پزشکی (دستگاه‌های MRI) و مقاصد علمی(مانند شتاب‌دهنده‌های ذرات) به کار می‌روند. این کاربردها مرهون وجود جریان‌های بسیار متراکمی است که در میدان‌های مغناطیسی بیشتر از ۲۰ تسلا استهلاک نمی‌یابند، که در موادی مانند Nb-Ti و Nb3Sn امکان‌پذیر بوده‌است. این ویژگی مواد نام‌برده آن‌ها را برای ساخت انواع آهنرباهای ابررسانا بسیار مناسب ساخته‌است. البته بازار مهمی هم برای وسایل الکترونیک ساخته‌شده از ابررسانا های کم‌جریان نیز وجود دارد که بیشتر بر پایه ترکیب تونل‌زنی پیوندهای کوپر و کوانتیزه کردن شار مغناطیسی میباشد؛ مانند دستگاه‌های SQUID(Superconducting Quantum Interference Devices). ابزارهای بسیار حساس اندازه‌گیری که بر پایه SQUID ها می‌باشند، تقریبا در وسایل اندازه‌گیری هر آزمایشگاه فیزیکی یافت می‌شود. می‌توان نتیجه گرفت که کاربرد امروز ابررسانا ها در نتیجه دستاوردهای فراوان دهه ۶۰ می‌باشد: کشف اثر ایزوتوپی، عمق نفوذ وابسته به خلوص مواد، تئوری معروف Ginzburg-Landau، تئوری Abrikosov در مورد ابررساناهای نوع دو، تئوری میکروسکوپی BCS وتعمیم آن به وسیله Gor’kov Bogoliubov، De Gennes، Anderson و Eliashberg ، اسپکتروسکوپی الکترون-فونون، مشاهدهد شار مغناطیسی، پیش‌بینی و کشف اثر Josephson، مشاهده شبکه خطوط شاری و غیره.

Latter وجود خطوط شاری را نشان داد و همانطور که Abrikosov پیش‌بینی کرده‌بود، یک واحد کوانتومی شار مغناطیسی را در خود داشت. بدون خطوط شاری، وجود و کاربرد جریان‌های بالا امکان‌پذیر نبود. می‌توان به طور کلی نتیجه گرفت که کاربرد ابررسانا ها بستگی به این دارد که این ماده، یک پدیده کوانتومی ماکروسکوپیک باشد.

محمد امین اکبرزاده


نمایش دیدگاه ها (0)
دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *