ابررسانایی

اَبَررسانایی پدیده‌ای است که در دماهای بسیار پایین برای برخی از مواد رخ می‌دهد. در حالت ابررسانایی مقاومت الکتریکی ماده دقیقاً صفر می‌شود و ماده خاصیت دیامغناطیس کامل پیدا می‌کند؛ یعنی میدان مغناطیسی را از درون خود طرد می‌کند. طرد میدان مغناطیسی تنها تفاوت اصلی ابررسانا با رسانای کامل است، زیرا در رسانای کامل انتظار می‌رود م میدان مغناطیسی ثابت بماند، در حالی که در ابررسانا میدان مغناطیسی همواره صفر است.

فیزیک ماده چگال
فاز • گذار فاز
فازهای ماده جامد • مایع • گاز • چگالش بوز-اینشتین • چگالش فرمیونی • مایع فرمی • ابرجامد • ابرشاره • مایع لوتینگر • کریستال زمان
پدیده‌های مربوط به فاز گذار فاز
فازهای الکترونی نظریه نوارها • نارسانا • نارسانای مات • نیمه‌رسانایی • شبه‌فلز • رسانایی • ابررسانایی • ترموالاستیسیته • پیزوالکتریسیته • فروالکتریسیته
پدیده‌های الکترونی اثر کوانتومی هال • اثر اسپین هال • اثر کوندو
فازهای مغناطیسی دیامغناطیس • ابردیامغناطیس پارامغناطیس • ابرپارامغناطیس فرومغناطیس • ابرفرومغناطیس فرامغناطیسی • Spin glass
شبه‌ذرات فونون • اکسایتون • پلاسمون پولاریتونn • مگنون
فیزیک ماده چگال نرم جامد آمورف • ماده دانه‌ای • کریستال مایع • بسپار
دانشمندان جیمز کلرک ماکسول • یوهان دیدریک وان در والس • پیتر دبای • فلیکس بلاک • لارس اونزاگر • نویل فرانسیس مات • پیرلز • لو لانداو • فیلیپ وارن اندرسن • جان باردین • لئون نیل کوپر • جان رابرت شریفر • بریان دیوید جوزفسون • والتر کوهن • کادانوف •

یک آهنربا بالای یک ابررسانای دمای بالا، سردشده توسط نیتروژن مایع

مقاومت الکتریکی یک رسانای فلزی به تدریج با کاهش دما کم می‌شود. در رساناهای معمولی مثل مس و نقره، وجود ناخالصی و مشکلات دیگر این روند را کند می‌کند. به‌طوری‌که حتی در صفر مطلق هم نمونه‌های معمول مس همچنان مقاومت الکتریکی کمی دارند. در مقابل ابررساناها موادی هستند که اگر دمایشان از یک دمای بحرانی کمتر شود، ناگهان مقاومت الکتریکی خود را از دست می‌دهند. جریانی از الکتریسیته در یک حلقهٔ ابررسانا می‌تواند برای مدت نامحدودی بدون وجود مولد جریان وجود داشته باشد. مانند پدیدهٔ فرومغناطیس و خطوط طیفی اتمها، ابررسانایی نیز پدیده‌ای کوانتومی است. هر چند یک تئوری جهانشمول برای اَبَررسانایی وجود ندارد؛ و نمی‌توان آن را با فیزیک کلاسیک به مانند یک رسانای مطلوب توصیف کرد.

پدیدهٔ ابررسانایی برای طیف وسیعی از مواد مانند قلع و آلومینیوم وجود دارد. همچنین برخی آلیاژها و نیمه‌رساناها نیز ابررسانا هستند، ولی فلزاتی مثل طلا و نقره این پدیده را از خود نشان نمی‌دهند؛ همچنین پدیدهٔ ابررسانایی در فلزات فرومغناطیس هم روی نمی‌دهد. در سال ۱۹۸۶ ابررسانایی دمای بالا کشف شد. دمای بحرانی این ابررساناها بیش از ۹۰ درجهٔ کلوین است. نظریه‌های کنونی ابررسانایی نمی‌توانند ابررسانایی دمای بالا را، که به ابررسانایی نوع ۲ (Type II) معروف است، توضیح دهند. از نظر عملی ابررساناهای دمای بالا کاربردهای بسیار بیشتری دارند، زیرا در دماهایی ابررسانا می‌شوند که راحت‌تر قابل ایجاد هستند. پژوهش برای یافتن موادی که دمای بحرانی آن‌ها باز هم بیشتر باشد و همچنین برای یافتن نظریه‌ای برای توضیح ابررسانایی دمای بالا همچنان ادامه دارد.

پیشینه

ویژگی ابررسانایی از سوی دانشمند هلندی، کامِرلینگ اُونِس در سال ۱۹۱۱ در دانشگاه لایدن دیده شد. وی دریافت که در دمای خیلی پایین، مقاومت جیوه تا حد اندازه‌گیری ناپذیری کاهش می‌یابد. وی دریافت هنگامی که دمای جیوه به سوی صفر مطلق کاهش داده می‌شود، روند کم شدن آرام مقاومت به ناگهان نزدیک به دمای ۴ درجه کلوین با افت بسیار بزرگی روبرو شده و پایینتر از این دما، جیوه هیچ گونه مقاومتی از خود نشان نمی‌دهد. اونز به این پیامد رسید که در دمای کمتر از ۴ درجه کلوین، جیوه به حالت دیگری از ویژگی‌های فرهی که به‌گونه مطلق از حالتهای شناخته شده پیشین متفاوت بود، رسیده‌است. این حالت تازه ابررسانایی نام گرفت.[1]

خواص ابررساناها

بیشتر خواص ابررساناها از ماده‌ای به مادهٔ دیگر تغییر می‌کند. خواصی مانند ظرفیت گرمایی و دمای بحرانی. اما گذشته از این‌ها، دستهٔ خاصی از خواص تمام ابر رساناها مشترک است، از جمله این که در دماهای بسیار پایین، مقاومت خود را به کلی دربرابر جریان از دست می‌دهند و همچنین دیگر هیچ میدان مغناطیسی داخلی در آن‌ها وجود نخواهد داشت. با توجه به چنین خواص مشترکی می‌توان ابررسانایی را یک فاز(ماده)فاز ترمودینامیکی برای ماده دانست. ابررسانا شدن را می‌توان گذار فازی به فاز دیگر قلمداد کرد. چیزی همانند تغییر حالت آب از مایع به گاز یا برعکس.

مقاومت صفر در برابر جریان

یکی از راه‌های ابتدایی برای سنجش مقاومت الکتریکی مواد، قرار دادن آن‌ها در یک مدار به همراه یک منبع تغذیه و سپس اندازه‌گیری ولتاژ و آمپر و سنجش مقاومت از فرمول ${\displaystyle R={\frac {V}{I}}}$ است. اگر اختلاف پتانسیل صفر باشد، مقاومت رسانا در برابر جریان صفر است و آن ماده یک ابررسانا است. ابررساناها می‌توانند جریانی را بدون وجود ولتاژ عامل، حفظ کنند. خاصیتی که در آهنرباهای ابررسانا استفاده می‌شود که کاربرد وسیعی دارند. برای مثال از این آهنرباها در دستگاه MRI استفاده می‌شود. آزمایش‌های گوناگون نشان می‌دهد حلقه‌ای از ابررساناها می‌تواند برای سال‌ها جریان را بدون هیچ افت قابل اندازه‌گیری حفظ کند. آزمایش‌های عملی نیمه عمر جریان را در چنین مدارهایی بیش از صد هزار سال برآورد می‌کنند و به صورت تئوری جریان در حلقه‌ای ابررسانا، می‌تواند تا مدت زیادی باقی بماند مدتی که حتی از عمر جهان هم بیشتر خواهد بود! در رساناهای معمولی، جریان الکتریکی را می‌توان به صورت شار الکترون‌ها در یک شبکهٔ یونی تصویر کرد. الکترون‌ها در این حرکت به‌طور پیوسته در حال برخورد با شبکهٔ یونی هستند. در این برخوردها بخشی از انرژی الکترون توسط شبکهٔ یونی به گرما تبدیل می‌شود که در واقع همان انرژی جنبشی شبکهٔ یون است. در نتیجه بخشی از انرژی الکترون‌ها در واقع هدر می‌رود. این حالت را مقاومت الکتریکی می‌نامیم. اما وضع در ابررساناها به گونه‌ای دیگر است. در ابررساناهای معمول نمی‌توان جریان را به تک الکترون‌های جاری نسبت داد. در عوض می‌توان جریان را حاصل جفت الکترون‌های کوپر دانست که به هم وصل می‌شوند و با تعویض فونونهای خود، کاملاً در کنار هم می‌مانند. طبق نظریهٔ مکانیک کوانتومی طیف انرژی این جفت کوپر دارای حداقل سطح خاص است و از آن کمتر نمی‌تواند باشد. در نتیجه ΔE حاصل را که می‌توان آن را حداقل میزان انرژی جفت کوپر دانست، می‌تواند تنها دو حالت برای جفت کوپر و در نتیجه جریان پدیدآورد. یا مقدار ΔE از مقدار kT که انرژی شبکهٔ یونی است و در آن k ثابت بولتزمن و T هم دمای شبکه است؛ بیشتر است که در این حالت جریان توسط شبکهٔ یونی به هدر نمی‌رود و این یعنی جفت کوپر یک ابرشار را پدیدمی‌آورد که می‌تواند بدون افت انرژی از شبکهٔ یونی عبور کند.

گذار به فاز ابررسانایی

نمودار سبز مقاومت ابررسانا در برابر جریان و نمودار آبی ظرفیت گرمایی ویژه آن را نشان می‌دهد.

در مواد ابررسانا، پدیدهٔ ابررسانایی زمانی ظهور می‌کند که دمای ماده، T از مقدار بحرانی، ${\displaystyle T_{c}}$ کمتر شود. مقدار دمای بحرانی از ماده‌ای به مادهٔ دیگر متفاوت است. دمای بحرانی ابررساناهای معمول چیزی بین ۲۰ کلوین تا زیر یک کلوین است. برای نمونه، دمای بحرانی جیوه ی جامد ۴٫۲ کلوین است ولی دمای بحرانی منیزیم دی بورید ۳۹کلوین است. گرچه این ماده خواصی چنان دارد که نمی‌بایست آن را در دستهٔ ابررساناهای معمول جای داد. ابررساناهای ترکیبی می‌توانند دمایی بحرانی بسیار بالاتری داشته باشند. برای مثال ایتربیم باریم مس اکسید یا YBa2Cu3O۷ ابررسانایی است که دمای بحرانی آن ۹۲ کلوین است و در واقع اولین ابررسانای دمای بالا بود که کشف شد. همچنین ابررساناهای دمای بالای دیگری بر پایهٔ جیوه کشف شده‌اند که دمای بحرانی آن‌ها نزدیک ۱۴۰ کلوین است. هنوز هیچ نظریه‌ای قادر به توضیح چگونگی پدید آمدن ابررساناهای دمای بالا نبوده‌است. تعویض فونون می‌تواند نوع عملکرد ابررساناهای معمول را توضیح دهد اما برای ابررساناهای با دمای بحرانی بسیار بالا نمی‌توان از این تئوری هم استفاده کرد.

شروع پدیدهٔ ابررسانایی با تغییرات زیادی در خواص فیزیکی ماده همراه است که به همین سبب آن را فاز جدیدی می‌نامند. برای مثال ظرفیت گرمایی ماده از قوانینی تبعیت می‌کند که در زمان ابررسانا نبودن ماده وجود دارند. در گذر به فاز ابررسانایی، ظرفیت گرمایی ماده ناگهان پرشی با بالا می‌کند و سپس به صورت خطی کم و کمتر می‌شود تا به کلی از بین برود. در دمای پایین این تغییرات به صورت ${\displaystyle e^{\frac {-\alpha }{T}}}$ است که α در آن ثابت است و این خود نشان می‌دهد که گاف انرژی وجود دارد. تغییر فاز به ابررسانایی مدت زیادی مورد بحث بین دانشمندان بوده‌است. در حالی که آزمایش‌ها نشان می‌دادند که این تغییر از مرتبهٔ دوم است، بدین معنی که گرمای نهانی در این تغییر وجود ندارد، در دههٔ ۱۹۷۰ محاسبات این احتمال را مطرح کردند که شاید این تغییر وضعیت را بتوان با لحاظ کردن نوسانات بلند برد در میدان مغناطیسی، تغییر فازی نوع اول به حساب آورد. به تازگی با کمک نظریهٔ آشوب است که مشخص شده خطوط مارپیچ ابررسانا در این بین نقشی عمده دارند و این‌گذار حالت برای ابررساناهای نوع دوم گذری از مرتبهٔ دوم و برای ابررساناهای نوع اول، گذری از مرتبهٔ اول است.

ابررسانایی نوع ۱ و نوع ۲

اگر میدان مغناطیسی خیلی قوی باشد، اثر مایسنر از بین می‌رود. همین پدیده ابررساناها را به دو نوع تقسیم می‌کند: در ابررساناهای نوع ۱ (Type I) اگر میدان مغناطیسی از یک حد آستانه (${\displaystyle H_{c}}$) بیشتر شود، ابررسانایی ناگهان از بین می‌رود. بسته به شکل هندسی نمونه، ممکن است حالت‌های میانی‌ای هم ایجاد شوند که در آن ناحیه‌های عادی (که در آن‌ها میدان وجود دارد) و ناحیه‌های ابررسانا (که میدان درون‌شان صفر است) هم‌زمان وجود داشته باشند. در ابررساناهای نوع ۲ (Type II) اگر میدان مغناطیسی از حد ${\displaystyle H_{c1}}$ بیشتر شود، حالت مخلوطی ایجاد می‌شود که در آن شار مغناطیسی روبه‌افزایشی از ماده می‌گذرد، ولی مقاومت ماده، اگر جریان خیلی زیاد نباشد، همچنان صفر باقی می‌ماند. در حد دوم از میدان مغناطیسی ${\displaystyle H_{c2}}$ ابررسانایی از بین می‌رود.

بیشتر ابررساناهایی که عنصر ساده هستند (به جز نیوبیوم، تکنسیوم، وانادیوم و نانولوله‌های کربنی) نوع ۱ هستند، و تقریباً همهٔ ابررساناهای ناخالص و ترکیبی نوع ۲ هستند.

اثر مایسنر

زمانی که یک ابررسانا در یک میدان مغناطیسی ضعیف خارجی قرار می‌گیرد. میدان فقط به مقدار ناچیز λ در داخل ابررسانا نفوذ کند که به آن عمق نفوذ لاندِن (London penetration depth) می‌گویند که با گذشت زمان این مقدار به صفر می‌رسد. به این پدیده اثر مایسنر می‌گویند و این اثر مشخصهٔ ویژهٔ ابررسانا را مشخص می‌کند. برای بیشتر ابررساناها عمق نفوذ لاندن تقریباً در حدود ۱۰nm می‌باشد.

اثر مایسنر در بعضی در مقابل انتظاری که از یک رسانای الکتریکی ایده‌آل می‌رود مواقع گیج‌کننده می‌باشد. مطابق قانون لنز وقتی که تغییرات میدان بر یک رسانا اعمال می‌شود در هادی جریانی القاء می‌شود که جهت این میدان در خلاف جهت میدان به وجود آورنداش است. در رسانای ایده‌آل جریان بزرگی در هادی القاء می‌شود که نتیجه‌اش خنثی کردن میدان اصلی می‌باشد. اثر مایسنر با بحث بالا متفاوت است. فرض کنید فلزی داریم که در وضعیت عادی است و دارای میدان مغناطیسی ثابت (داخلی) است. حال آن را سرد می‌کنیم تا به دمای بحرانی برسد در این زمان ما شاهد از بین رفتن فوری میدان خواهیم بود؛ که مطابق قانون لنز چنین انتظاری نمی‌رود.

اثر مایسنر به کمک دو برادر Fritz و Heinz London مطرح شد که نشان دادند که انرژی آزاد الکترومغناطیسی در ابررسانا مینیمم مقدار است.

${\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {H} =\lambda ^{-2}\mathbf {H} \,}$

در این فرمول H میدان مغناطیسی و λ عمق نفوذ لاندن است. معادلهٔ بالا که معادلهٔ لاندِن نام دارد پیش‌گویی می‌کند که جدا از میدان موجود در سطح میدان مغناطیسی در داخل ابررسانا به صورت تابع نمایی از بین می‌رود. اثر مایسنر در میدان‌های بسیار بزرگ دیده نمی‌شود.

همان‌طور که در تصویر بالا دیده می‌شود، ابررساناهای نوع ۱، در مجاورت با میدان مغناطیسی خارجی، میدان را دفع می‌کنند. در حالیکه در ابررساناهای نوع ۲، دیده می‌شود که آن‌ها بار میدان مغناطیسی خارجی را از خود عبور می‌دهند و آن‌ها را دفع نمی‌کنند.

دسته‌بندی ابررساناها

بنا به گفتهٔ بالا ابررساناها را می‌توان به دو نوع مختلف تقسیم کرد. ابررساناهای نوع ۱ که در آن‌ها خاصیت ابررسانایی در زمان رسیدن میدان به مقدار بحرانی Hc ناگهان از بین می‌رود. وابسته به شکل هندسی فلز مورد آزمایش ممکن است ماده به یک وضعیت دیگری برود که در آن هم خاصیت مادهٔ نرمال و هم خاصیت ابررسانایی را به‌طور مخلوط داشته باشد.

در ابررساناهای نوع۲ افزایش میدان و رسیدن به مقدار بحرانی Hc۱ ما را به یک وضعیت مختلط می‌رساند که در آن نفوذ شار مغناطیسی با افزایش همراه است ولی همچنان مقاومتی در برابر جریان وجود ندارد تا زمانی که میدان بیش از حد بزرگ شود در میدان بحرانی دوم Hc۲ ابررسانا از بین می‌رود.

نظریه‌های ابررسانایی

هنوز هیچ نظریه‌ای که بتواند همهٔ انواع مشاهده‌شدهٔ ابررسانایی را توصیف کند، وجود ندارد. اصول پایه‌ای ابررسانایی در سال ۱۹۵۷ توسط سه فیزیکدان آمریکایی (جان باردین، رابرت شریفر و لئون کوپر) توضیح داده شد و به نام این سه فیزیکدان نظریهٔ BCS نام گرفت.

تاریخچهٔ ابررسانایی

ابررسانایی را در سال ۱۹۱۱ هایکه کامِرلینگ اونِس هلندی از دانشگاه لایدن کشف کرد. او مقاومت الکتریکی جیوهٔ جامد را در دماهای پایین بررسی می‌کرد و از هلیوم مایع -که تازه کشف شده بود- به عنوان سردکننده استفاده می‌کرد. او فهمید که در دمای ۴٫۲K مقاومت ناگهان به صفر می‌رسد. جایزه نوبل فیزیک در سال ۱۹۱۳ به همین خاطر به او داده شد.

در دهه‌های بعد، خاصیت ابررسانایی در مواد دیگری نیز دیده شد. در سال ۱۹۱۳ دیده شد که سرب (در دمای ۷K) و در سال ۱۹۴۱ نیترید نیوبیوم (در دمای ۱۶K) ابررسانا می‌شوند.

گام مهم بعدی در فهم ابررسانایی در سال ۱۹۳۳ اتفاق افتاد. در این سال مایسنر و اوخنفلد دریافتند که ابررساناها میدان مغناطیسی خارجی را طرد می‌کنند؛ پدیده‌ای که امروزه اثر مایسنر نامیده می‌شود. در سال ۱۹۳۵ فریتز و هاینز لاندن نشان دادند که اثر مایسنر نتیجه‌ای از کمینه‌بودن انرژی آزاد الکترومغناطیسی حمل‌شده توسط جریان‌های ابررسانا است.

در سال ۱۹۵۰ تئوری (Ginzburg-Landau) توسط لو لانداو و Ginzburg مطرح شد. این تئوری که ترکیبی از تئوری مرتبهٔ دوم لو لانداو با معادلهٔ موج اروین شرودینگر می‌باشد دارای توضیح خوبی دربارهٔ مشخصه و خواص ابررساناها است. بخصوص Abrikosov نشان داد که تئوری Ginzburg-Landau پیش‌بینی تقسیم‌بندی ابررساناها را به دو دستهٔ نوع۱ type۱ و نوع۲ type۲ را کرده بود.

آقای Ginzburg و آقای Abrikosov در در سال ۲۰۰۳ برندهٔ جایزهٔ نوبل شدند (Landau در سال ۱۹۶۸ دارفانی را وداع گفت).

همچنین در سال ۱۹۵۰ Maxwell و رینولدز (ابهام‌زدایی) در جای دیگر یافتند که دمای بحرانی ابررساناها به جرم ایزوتوپی جزء اصلی عنصر بستگی دارد. این کشف مهم اشاره دارد به اثر متقابل الکترون و فونون lectron-phonon در نتیجهٔ مکانیزم میکروسکوپی مسئول برای ابررسانایی.

تئوری کامل میکروسکوپی ابررساناها در سال ۱۹۵۷ توسط آقایان Bardeen و Cooper و Schrhffer ارائه شد که مستقلاً پدیدهٔ ابررسانایی توسط Nikolay Bogolyubov توضیح داده شد.

این تئوری BCS (Bardeen Cooper Schrieffer) جریان ابررساناها را به عنوان ماده‌ای با هدایت فوق‌العاده زیاد با زوجهای کوپر توضیح می‌دهد. (اثر متقابلی که جفتهای الکترون در مبادلهٔ فونون)

تئوری به عنوان ستون و پایه در سال ۱۹۵۸ قرار گرفت زمانی که Bogolyubov نشان داد که تابع موج BCS که استنتاج شده از یک استدلال متغیر است و می‌تواند بدست بیاید با تغییر قانونی و متعارف تئوری الکترونیک Hamiltonian. در سال ۱۹۵۹ Lev Gorkov اثبات کرد که تئوری BCS نزدیک به تئوری Ginzburg-Landau است و نزدیک به دمای بحرانی است.

در سال ۱۹۶۲ اولین سیم تجاری ابررسانا از آلیاژ نیوبیم- تیتانیم (niobium-titanium) در Westinghouse تحقیق شد. در همین سال Josephson مهمترین پیش‌بینی تئوریکی را انجام داد که چنین بود: یک ابر جریان می‌تواند از بین دو قطعه ابررسانا که با یک لایه نازک ایزوله شده‌اند جاری شود. این پدیده اثر جوزفسون (effect Josephson) نام دارد که استخراج شده از دستگاه ابررساناها مثل SQUID’s می‌باشد که دقیقترین دستگاه اندازه‌گیر شار مغناطیسی کوانتوم موجود می‌باشد (h ثابت پلانک).

Josephson برندهٔ جایزهٔ نوبل در سال ۱۹۷۳ گردید.

تا سال ۱۹۸۶ فیزیک‌دان‌ها بر این باور بودند که تئوری BCS ابررسانایی را در دماهای بالاتر از ۳۰˚k را نفی می‌کند، در همین سال Bednorz و muller کشف کردند که ابررسانایی در عناصر لانتان که بر پایهٔ اکسید مس (cuprate) هستند دارای دمای تبدیل ۳۵˚K می‌باشند. (در سال ۱۹۸۷ برندهٔ جایزهٔ نوبل فیزیک شدند)

در مدت کوتاهی توسط M.K. Wu کشف شد که جایگزین کردن لانتان با ایتریم و ساختن YBCO دمای بحرانی تا ۹۲˚K بالا می‌برد که بسیار مهم است چون برای سرد کردن ابررسانا می‌توان از نیتروژن مایع استفاده کرد (دمای جوش نیتروژن مایع در فشار جو ۷۷˚K است). این امر از نظر تجاری بسیار مهم است چون تولید نیتروژن مایع ارزانتر و در همان محل با مواد اولیه قابل تولید است و به بعضی از مشکلات برخورد نمی‌کنیم از قبیل آب‌بندی لوله‌های تزریق هلیوم.

خیلی دیگر از ابررساناهای cuprate کشف شده‌اند و تئوری ابررساناها یکی از برجسته‌ترین مشکلات دربارهٔ این نوع مواد در علم فیزیک می‌باشد.

از تاریخ اکتبر ۲۰۰۷ بالاترین دمای ابررسانایی مربوط به ماده‌ای مرکب از تالیوم، جیوه، مس، باریم، کلسیم، اکسیژن با دمای بحرانی Tc=۱۳۸˚K می‌باشد.

در فوریهٔ ۲۰۰۸ خانوادهٔ دیگر ابررساناهای دما بالا کشف شد. Hideo Hosono از انستیتو تکنولوژی توکیو کشف کرد که lanthanum oxygen fluorine iron arsenide (LaO1-xFxFeAs) در دمای ۲۶˚K تبدیل به ابررسانا می‌شود. بعد از مدت کوتاهی دیگران مواد دیگری از همین خانواده یافتند که در دمای ۵۵˚K به ابررسانا تبدیل می‌شوند. متخصصان امیدوارند که بررسی خانوادهٔ دیگری از ابررساناها باعث آسانتر شدن توضیح عملکرد این مواد خواهد شد.

کاربردها

ابررساناهای دمای پایین امروزه در ساخت آهنرباهای ویژه طیف‌سنجهای رزونانس مغناطیسی هسته، آنژیوگرافی تشدید مغناطیسی برای مقاصد تشخیص طبی، شتاب دهنده ذره‌ها، ترنهای سریع مغناطیسی و انواع ابزارهای رسانایی الکترونیکی بکار می‌رود. اما برای اینکه ابررساناهای دمای بالا در کاربردهای میدان مغناطیسی در دمای بالا رقابت کنند، هنوز زمان لازم دارد، این بعلت دشواری در تولید انبوه و با کیفیت بالاست. اگر چه در حال حاضر، بازار ابررساناهای دمای بالا رونق کمی دارد، گمان می‌رود که در خلال دو دهه آینده کاربر د آن فراگیر و پررونق شود.

آهنرباهای ابررسانا از قوی‌ترین آهنرباهای الکتریکی موجود در جهان هستند. از آن‌ها در قطارهای سریع‌السیر برقی و دستگاه‌های MRI و NMR و هدایت کردن ذرات در شتاب دهندهها استفاده می‌شود. همچنین می‌توان به عنوان جداکننده‌های مغناطیسی در جاهایی که ذرات مغناطیسی ضعیف خارج می‌شود مثلاً در صنایع رنگ‌سازی استفاده شود.

همچنین از ابررساناها در مدارات دیجیتالی نیز استفاده می‌شود به عنوان مثال در ایستگاه‌های RF و موبایل در ایستگاه‌های امواج ماکروویو.

از ابررساناها در Josephson junction برای ساختن بلوک‌های ساختمان SQUID استفاده می‌شود. SQUID حساسترین اندازه‌گیر امواج مغناطیسی می‌باشد.

سری دیگر دستگاه‌های Josephson برای ردیابی فوتون یا به عنوان میکسر استفاده می‌شود. از مقاومت‌هایی که به ابررسانا تبدیل می‌شوند نیز در ساختن دماسنج و گرماسنج‌های حساس micro-calorimeter ردیاب فوتونی استفاده می‌شود.

یک کاربرد آرمانی برای ابررساناها، استفاده از آن‌ها در انتقال قدرت به شهرهاست. اگرچه به خاطر قیمت بالا و نشدنی بودن سردسازی مایل‌ها سیم ابررسانا برای رسیدن به دماهای بسیار پایین، این کار تا به حال تنها در اندازه آزمایش باقی مانده‌است.

محققان امیدوارند که در آینده از ابررسانا در ساختن ترانسفورماتورها، وسایل ذخیرهٔ برق، الکتروموتورها، محدود کردن جریان اتصال کوتاه، وسایل شناور مغناطیسی استفاده کنند. اما چون ابررساناها به تغییر و حرکت میدان مغناطیسی حساسند استفاده از آن‌ها در برق جریان متناوب مثل ترانسفورماتورها بسیار سخت پیشرفت می‌کند ترجیحاً در حیطهٔ کاری جریان مستقیم می‌باشد.

نارساناها، نیمه رساناها و رساناها

به‌طور مثال طلا و نقره رسانایی خوبی دارند، ولی چوب و پلاستیک رسانایی ندارند و موادی مانند سیلیسم و ژرمانیوم جزء نیمه رسانا می‌باشند که جریان الکترومغناطیسی و ترمودینامیکی روی اینها تأثیر جزئی می‌گذارند و در مقابل جریان رسانایی مقاومت وجود دارند که مانع انتقال جریان انرژی الکتریکی می‌شود. برای کم کردن مصرف انرژی و کارایی بالاتر و ارزانی وسایل باید دنبال موادی باشیم که مقاومت خیلی خیلی کمی در برابر جریان انرژی الکتریکی داشته باشند و تقریباً برابر مقاومت صفر باشند (ابر رسانا). در بعضی مواد وقتی به این حالت می‌رسیم که آن مواد در دمای ویژه‌ای قرار بگیرند که جریان دائماً در آن‌ها برقرار باشد.

تاریخچه تحقیقات

1. جیمز دئِور در اواسط قرن نوزدهم پژوهش‌هایی دربارهٔ تغییر مقاومت در دماهای پایین انجام داد.
2. زیگموند روبلوفسکی و کارل اولزفسکی در سال ۱۸۶۴ بررسی دربارهٔ کاهش مقاوت الکتریکی با روشی که بتوان اکسیژن و نیتروژن را مایع کرد، انجام دادند.
3. دِئور و فلمینگ دربارهٔ صفر شدن مقاومت (تقریباً صفر) در دمای مطلق، پژوهش‌هایی را انجام دادند.
4. والتر نرست با توجه به قانون سوم ترمودینامیک اظهار داشت که به هیچ وجه نمی‌توان مقاوت مواد را صفر کرد.
5. کارل لیند و ویلیام همپسون آلمانی نیز روشی جدید برای خنک‌سازی و مایع کردن گازها با افزایش فشار را کشف کردند.

مهمترین خواص ابررساناها

1. مقاومت تقریباً صفر و توانایی عبور چگالی جریان بالا. رسانایی که مقاومت تقریباً صفر دارد در زمینه تولید و انتقال انرژی تأثیر بسزایی دارد و باعث صرفه جویی در مصرف انرژی می‌شود. همچنین باعث افزایش چگالی جریان می‌شود، البته باید توجه داشت که افزایش چگالی جریانی بیش از حد معینی باعث افزایش مقاومت می‌شود.
2. ایجاد میدان مغناطیسی بسیار قوی. خاصیت ابر رسانایی به ۳ [فاکتور] دما، شدت جریان عبوری و میدان مغناطیسی وابسته است. به‌طور مثال در دمای خیلی پایین خاصیت ابر رسانای جسم ممکن است به دلیل میدان مغناطیسی قوی از بین برود، که به مقدار میدان مغناطیسی ای که در آن خاصیت ابر رسانایی از بین می‌رود میدان بحرانی گفته می‌شود.

ابر رساناها از نظر رفتار فیزیکی به دو گروه تقسیم می‌شوند که بیشتر عناصر شامل گروه اول می‌شوند ولی آلیاژها و مقدار کمی از عناصر شامل گروه دوم می‌شوند. اختلاف گروه اول با گروه دوم در تعداد ناحیه و فواصل بین الکترون‌های آزاد می‌باشند؛ گروه اول دارای دو ناحیه و فاصله الکترون‌های آزاد آن کم می‌باشد؛ ولی گروه دوم دارای ۳ ناحیه هستند ولی فاصله الکترون‌های آزاد آن‌ها زیاد است.

1. خاصیت تونل زنی. به انتقال جریان الکتریکی از یک ابر رسانا به ابر رسانای دیگر در صورتی که نزدیک هم باشد گفته می‌شود. این انتقال انرژی در صورتی است که ولتاژی وجود ندارد ولی به میدان مغناطیسی وابسته است.

ابررساناها و تکنولوژی

مهترین کاربرد ابررساناهای دمای بالا، در زمینه ساخت آی سی‌های خیلی سریع می‌باشد که تحول بزرگی در فناوری اطلاعات ایجاد می‌کند و می‌توان آن را با اختراع ترانزیستورها مقایسه کرد. از کاربردهای دیگر ابررساناها با در نظر گرفتن حساسیتشان به میدان مغناطیسی در اکتشافات معدنی، زمین شناختی و ردیابی زیردریایی‌ها می‌توان استفاده کرد و همچنین در ساخت قطارهایی که با استفاده از خاصیت میدان مغناطیسی قطار را بالاتر از سطح زمین و بدون اصطکاک با ریل به حرکت درمی‌آورد. این قطارها می‌توانند در کمتر از ۱ ساعت مسافتی بیش از ۵۰۰ کیلومتر را بپیمایند. در خطوط انتقال نیرو با در نظر گرفتن اینکه بتوان ابررساناها را سرد نگه داشت، در حدود ۸۰ درصد در مصرف انرژی صرفه جویی می‌شود. همچنین در وسایل پزشکی و تحقیقاتی نیز کاربرد دارد.

تفاوت بین ابررساناهای سرامیکی و فلزی

تفاوت بین ابر رساناهای سرامیکی و فلزی این است که برای سرد نگه داشتن ابر رساناهای سرامیکی می‌توان از نیتروژن مایع که ارزان و فراوان است استفاده نمود، در صورتی که در ابر رساناهای فلزی باید از هلیم مایع است استفاده کرد.

جستارهای وابسته

• رسانا
• ابررسانایی رنگی
• نظریه BCS
• اثر مایسنر
• ابررسانایی دمای بالا

منابع

1. دانشنامه مشاهیر، شماره 63، سال 11

• Gale Encyclopedia of Science. Gale, 2004. ISBN 0-7876-7554-7
• Tinkham, Michael (2004). Introduction to Superconductivity (second edition). Dover Books on Physics. ISBN 0-486-43503-2.

• مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «Superconductivity». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای انگلیسی، بازبینی‌شده در ۲۰ مارس ۲۰۰۷.

پیوند به بیرون

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ ابررسانایی موجود است.

• نمایشگر جدیدترین دمای بحرانی ابررسانایی
• پایگاه جامع ابررسانای ایران
• Superconductivity: Current in a Cape and Thermal Tights. An introduction to the topic for non-scientists National High Magnetic Field Laboratory
• Introduction to superconductivity
• Lectures on Superconductivity (series of videos, including interviews with leading experts)
• Superconducting Niobium Cavities
• Superconductivity in everyday life: Interactive exhibition
• Video of the Meissner effect from the NJIT Mathclub
• Superconductivity News Update
• Superconductor Week Newsletter - industry news, links, et cetera
• Superconducting Magnetic Levitation Video
• Superconductor Science and Technology (journal)
• Why does a levitated magnet start to rotate? (German)
• National Superconducting Cyclotron Laboratory at Michigan State University
• High Temperature Superconducting and Cryogenics in RF applications
• CERN Superconductors Database
• YouTube Video Levitating magnet
• List of all known superconductive elements
• Isotope effect in superconductivity