|
ابررسانايي، گامي بزرگ در فناوري هاي قرن بيست و يكم
كشف دوباره آتش
|
|
|
مهدي صارمي فر
msaremif@hamshahri.org
رسانايي، خاصيتي از مواد است كه باعث انتقال انرژي الكتريكي در آنها مي شود. اين خاصيت در مواد مختلف، يكسان نيست. طلا و نقره رساناهاي خيلي خوبي هستند، در حالي كه شيشه يا پلاستيك اصلاً رسانا نيستند. مانعي در برابر رسانش الكتريكي است كه مقاومت ناميده مي شود. تغييرات جزيي حرارتي (ترموديناميكي) و الكترو مغناطيسي، روي آن تأثير مي گذارد.
بشر همواره مي خواسته كه راه هاي توليد انرژي را ارزان تر كند و يكي از بهترين گزينه ها براي كم كردن اين هزينه، كشف موادي است كه مقاومت كمتري دارند. اما در بعضي از مواد وقتي كه به يك دماي خاص برسيم، تغييري در حالت ماده به وجود مي آيد كه به آن ابررسانايي مي گويند. در اين حالت، مقاومت الكتريكي از بين مي رود؛ به طوري كه جرياني كه در يك حلقه ابررسانا توليد مي شود تا صدها هزار سال بدون تغيير باقي مي ماند!آنچه در پي مي آيد نگاهي است به ابررسانايي به مثابه يك فناوري نو در قرن بيست و يكم.
در نيمه دوم قرن نوزدهم عده زيادي از دانشمندان در پي اين بودند عناصري كه در شرايط معمولي به صورت گازي موجود بودند را به حالت مايع دربياورند. يكي از پيشتازان اين مسابقه كايته فرانسوي بود كه موفق شده بود براي اولين بار اكسيژن را به حالت مايع درآورد. هدف بعدي هيدروژن بود. سه نفر به طور جداگانه در اروپا در اين زمينه فعاليت مي كردند: اشلوسكي در لهستان، كامرلينگ اونس در دانشگاه ليدن در هلند كه با استفاده از دستگاه هاي فوق العاده پيشرفته اي در آزمايشگاهش روي اين موضوع كار مي كرد و نفر سوم سر جيمز دوآر از انجمن پادشاهي انگلستان بود كه توانست در ???? هيدروژن مايع توليد كرده و فاتح اين مسابقه شود. اما مسئله مهم به وجود آمده، اندازه گيري دماي هيدروژن در هنگام تبديل از حالت گازي به حالت مايع بود. طبق پيشگويي هاي نظري (معادله واندروالس) اين مقدار بين 20 تا 30 كلوين بود. اما دمايي كه دماسنج هاي الكتريكي (ترموكوپل) نشان مي دادند، مقداري بيشتر از اين پيش بيني بود. حتي وقتي تمام تصحيحات ناشي از افت مقاومت در اثر دماي پايين هم به حساب مي آمد، دماسنج باز هم دماي 35 كلوين را نشان مي داد. در حالي كه دماسنج هاي گازي مقدار واقعي 20 كلوين را نشان مي دادند. كشف ابررسانايي در واقع از اين مسأله آغاز شد. تا سال 1908 تمام عناصر گازي به حالت مايع درآمده بودند و تنها هليم بود كه باقي مانده بود.
تلاش براي ميعان هليم مايع توسط كامرلينگ اونس نتيجه داد و دانشمندان با رسيدن به گستره جديدي از دماها (در حدود 4، 5 كلوين) اقدام به سنجش خواص مواد در اين محدوده كردند. نرنست در برلين نشان داده بود كه با كم شدن دما، مقاومت فلز بايد به تدريج كاهش يابد تا سرانجام در صفر مطلق به كلي ناپديد شود. يكي از خالص ترين فلزات در آن زمان جيوه بود. به همين دليل اونس به سراغ اندازه گيري مقاومت جيوه رفت. نتايجي كه وي به دست آورد تا دماي 4 كلوين طبيعي بود. اما پايين تر از اين دما ناگهان مقاومت الكتريكي به حدي مي رسيد كه با دستگاه هايي كه تا آن روز وجود داشت، قابل اندازه گيري نبود. يعني عملاً صفر بود.
در سلسله مقالاتي كه اونس تا سال 1913 در مورد اين پديده منتشر كرد، نام ابررسانايي را بر روي اين پديده گذاشت. اين خاصيت توسط خود اونس در سرب و قلع نيز مشاهده شد. البته به نظر مي رسد كه اونس اين كلمه را براي صرفه جويي در لغات به كاربرده در مقاله هايش به كار برد و در ابتدا درك عميقي از آنچه كه كشف كرده بود، نداشت.
و بالاخره، كارهه كامرلينگ اونس نجيب زاده هلندي در سال 1913 به خاطر كشف خاصيت ابررسانايي به دريافت بزرگترين جايزه علمي دنيا، نوبل فيزيك مفتخر شد.
اندازه گيري مقاومت ابررسانا
اونس براي اندازه گيري مقاومت ابررسانا، آزمايشي را به اين صورت طرح كرد كه ابتدا جرياني را در دو سر يك پيچه برقرار كرد و سپس آن را داخل يك ظرف هليم مايع فرو برد تا به حالت ابررسانايي درآيد. سپس دو سر پيچه را به هم وصل كرد تا اتصال كوتاه شود. سپس با قرار دادن يك قطب نما، هرگونه افت در ميعان مغناطيسي توليدشده توسط جريان در پيچه را اندازه گرفت.
چنين آزمايشي، چندين سال بعد در دانشگاه MIT (مؤسسه فناوري ماساچوست) در ابعاد بسيار بزرگ انجام شد و پس از مدت دو سال هيچ گونه افت جرياني مشاهده نشد. اما سرانجام اعتصاب صنفي كارگران بخش حمل و نقل در ايالت ماساچوست باعث شد كه هليم مايع به موقع به آزمايشگاه نرسد و آزمايش متوقف شود!
كشفي نااميد كننده
كشف خاصيت ابررسانايي در نخستين مراحل، دانشمندان را مصمم به ساخت منبع لايزالي براي توليد انرژي كرد؛ يعني ساخت سيم پيچ هايي عظيم از ابررسانا براي صرفه جويي در مصرف برق. اما اين بار هم اونس بود كه نشان داد زياد شدن ميدان مغناطيسي باعث از بين رفتن خاصيت ابررسانايي مي شود. در واقع هم دما و هم ميدان مغناطيسي و هم شدت جريان الكتريكي عبوري در ايجاد خاصيت ابررسانايي در فلزات مؤثر است. اگر ميدان مغناطيسي در محيط ايجاد شود، دمايي كه در آن ابررسانايي رخ مي دهد، پايين تر مي رود.
ماهيت ابررسانايي
از زمان كشف خاصيت ابررسانايي تا بيش از نيم قرن پس از آن هر دهه به طور متوسط 7 يا 8 نظريه براي توضيح ابررسانايي ارائه مي شد. اما همه اين نظرات در يك نكته با هم مشترك بودند و آن عدم انطباق با واقعيت بود! كار به جايي رسيد كه فليكس بلوخ، فيزيكدان حالت جامد، فرضيه جديدي را به طنز منتشر كرد كه تا مدت مديدي تنها نظر صحيح در مورد ابررسانايي بود: مي توان ثابت كرد هر نظريه اي كه براي توضيح ابررسانايي داده شود، غلط است!
در تمام اين مدت افرادي نظير مايسنر، برادران لاندن، گورتر، كازيمير، ابريكوسوف، لاندائو و گينزبرگ كشفيات نظري و تجربي مهمي در مورد ابررسانايي انجام داده بودند كه بعضي از آنها هم به خاطر كشفيات شان موفق به اخذ جايزه نوبل فيزيك شدند.
اما سرانجام در 1957 سه فيزيكدان آمريكايي باردين، كوپر و شريفر در مقاله اي كه 15 سال بعد (1972) جايزه نوبل فيزيك را برايشان به ارمغان آورد، موفق به توضيح ابررسانايي شدند. اين تئوري كه به اختصار BCS (ابتداي نام سه نويسنده) ناميده مي شود، در مجله فيزيكال ريويو لترز به چاپ رسيد. ايده اين نظريه را سال قبل كوپر در مقاله اي ديگر در همين مجله داده بود و آن اين بود كه الكترون ها در بعضي شرايط مي توانند تشكيل يك زوج بدهند. در حقيقت تشكيل يك زوج از الكترون باعث مي شود كه اين زوج در هنگام حركت در طول يك رسانا اثرات اصطكاكي ناشي از مقاومت را حس نكنند. البته اين تنها يك توصيف بسيار ساده شده از آنچه كه واقعاً رخ مي دهد است. پديده هاي مهمي در اين بين رخ مي دهند كه باردين، كوپر و شريفر در مقاله شان توضيح دادند. لازم به ذكر است كه جان باردين تنها فيزيكداني است كه دو بار موفق به كسب جايزه نوبل فيزيك شده است: در 1956 به خاطر كشف نيم رساناها و در 1972 به خاطر توضيح ابررسانايي.
ابررساناهاي دماي بالا
اما ماجرا با توضيح ابررسانايي خاتمه نيافت. در دهه 1980 در آزمايشگاه IBM در زوريخ فيزيكدان سوئيسي، الكس مولر به همراه دستيار جوانش جورج بدنورز در حال ساخت نوعي سراميك بودند كه اشتباه اين جوان در گرم نكردن يك اجاق، باعث كشفي شد كه همپاي كشف آتش از بزرگترين دستاوردهاي بشر در تهيه انرژي است.
اين سراميك در دماي بسيار بالاتري از صفر مطلق، در حدود 70 تا 80 كلوين خاصيت ابررسانايي از خود بروز مي دهد. البته امروزه ابررساناهاي سراميكي ساخته شده اند كه تا بيش از 200 كلوين
(60 _ درجه سانتيگراد) از خود خاصيت ابررسانايي نشان مي دهند. به اين ترتيب همان طور كه بشر با به خدمت گرفتن آتش، فلز را ذوب كرد و از دوران پارينه سنگي به دوران فلز پاي گذاشت، بشر امروزي با به كار بردن ابررساناها در دماي معمولي خواهد توانست گامي عظيم در به خدمت گرفتن انرژي براي رسيدن به اهداف خود بردارد.
امروزه گروه هاي مختلفي از سرتاسر جهان به دنبال اين هستند كه بالاخره ماده اي را كشف كنند كه بتواند در دماي معمولي (300 كلوين) هم از خود خاصيت ابررسانايي نشان دهد. همان طور كه از ظاهر امر برمي آيد، خاصيت ابررسانايي در سراميك ها و فلزات، سرشتي متفاوت دارند. سراميك ها، نارسانا هستند و سپس به ابررسانا تبديل مي شوند. درحالي كه فلزات رسانا هستند و ناگهان مقاومت در آنها صفر مي شود. دماي گذار به ابررسانايي هم در فلزات بسيار پايين تر از سراميك ها است. به اين ترتيب نظريه BCS ديگر قادر به توضيح ماهيت ابررسانايي در سراميك ها يا ابررساناهاي دماي بالا (High TC) نيستند. دانشمندان تاكنون نظريه اي رضايت بخش براي توضيح اين پديده نيافته اند و اين مسأله يكي از مهم ترين مسائل حل نشده تاريخ فيزيك و مهم ترين مسأله، در فيزيك حالت جامد است.
فناوري ابررساناها
در ارتباط با ابررساناهاي جديد در دماي بالا، تاكنون هيچ كاربرد تجاري در گستره دمايي كه فعلاً كشف شده (زير ??? كلوين) به طور كامل به منصه ظهور نرسيده است. حتي در آزمايش هاي فضايي كه در دمايي پايين تر از دماي گذار به ابررسانايي در اين مواد انجام مي شود، پژوهشگران ترجيح مي دهند از همان ابررساناهاي قبلي و در محيط هليم مايع استفاده كنند تا به تمام جنبه هاي مسأله مسلط باشند. فوري ترين كاربرد براي ابررساناهاي دماي بالا ساخت تراشه هاي فوق سريع است كه انقلابي عظيم را در فناوري اطلاعات ايجاد خواهد كرد كه با اختراع ترانزيستورها قابل قياس است. يكي از كاربرد هاي ابررساناها با توجه به حساسيت آنها به ميدان مغناطيسي اكتشافات معدني، زمين شناختي و حتي رديابي زيردريايي ها است.
ساخت قطارهايي كه با استفاده از خاصيت ابررسانايي ميدان مغناطيسي توليد مي كنند كه آنها را بالاتر از سطح زمين و بدون هيچ گونه اصطكاك با ريل كه موجب تلف كردن مقدار زيادي از انرژي مي شود، قطار را به حركت درمي آورد، يكي از شناخته شده و معروف ترين كاربردهاي ابررسانايي است. اين قطارها قادرند مسافت بيش از 500 كيلومتر را در كمتر از يك ساعت بپيمايند. به كار بردن ابررساناها در خطوط انتقال نيرو حتي با احتساب كليه هزينه هاي سرد نگه داشتن ابررسانا رقمي معادل 70 تا 80 درصد صرفه جويي در مصرف برق را نشان مي دهد كه بسيار عظيم است. به كاربردن ابررساناها در وسايل تحقيقاتي (مثل شتاب دهنده ها) و وسايل پزشكي (مثل دستگاه ام .آر. آي) از كاربردهاي عادي ابررساناها شده است. به كار بردن ابررساناهاي سراميكي مزيت ديگري هم دارند و آن اين كه براي سرد كردن آنها (با توجه به دماي بالاتر نسبت به ابررساناهاي فلزي) به جاي هليم مايع مي توان از نيتروژن مايع استفاده كرد كه بسيار ارزان تر و فراوان تر است. يكي از مهم ترين مسائل فني، تبديل ابررساناي سراميكي به هليم است كه بايد حل شود و تا آن زمان چاره اي جز صبر نداريم.
|
