معرفی ابر رسانا

نوشته های مرتبط

انواع نیم رسانا

۱۳۹۴/۰۳/۰۲

ابر رسانا

۱۳۹۴/۰۲/۲۹

معرفی ابر رسانا

ارسالی از : نوید رهنما

 

مقدمه

فیزیک حالت جامد به زمینه گسترده‌ای از ویژگیهای مختلف مواد می‌پردازد. مواد، بنابر خاصیت الکتریکی یا مغناطیسی که خود بروز می‌دهند در یکی از گروههای سرامیکها، نارساناها، نیمرساناها، رساناها، ابر رساناها، و یا مواد مغناطیسی قرار می‌گیرند. با وجودی که کتابهای نوشته شده با عنوان عام فیزیک حالت جامد و یا با عنوانهای اختصاصی مثل فیزیک نیمرساناها، فیزیک ابر رساناها، فیزیک مواد مغناطیسی، و غیره بسیار زیادند ولی متاسفانه کتابهایی که در زمینه فیزیک حالت جامد یا هر یک از زیر شاخه های آن به فارسی برگردانده شده‌اند بسیار کم و حتی به تعداد انگشتان دست هم نمی رسد.۷۰ سال از کشف ابر رسانایی می‌گذرد ولی تنها در خلال دو دهه گذشته بوده است که ابررساناها از اجسام مرموز مورد استفاده فیزیکدانها دز آزمایشهایشان به موادی با اهمیت کاربردی تغییر ماهیت داده اند. فن آوریهای تازه ای ظهور کردند که در آنها از مواد ابر رساناها برای توسعه قطعات الکترونیک با حساسیت و دقت بالا از قبیل تابش سنج ها، تشدید کننده های بسامد بالا، مخلوط برخوردار می‌شوند. اکنون برنامه های پژوهشی با هدف توسعه قطعات منطقی و حافظه برای رایانه ها بر پایه ابر رساناها در حال اجراست.

به خاطر این توسعه ها، تعداد قابل توجهی از متخصصین به طور روزمره با پدیده ابر رسانای سرو کار دارند. اکنون دوره های آموزشی مناسب در برخی از دانشگاهها و کالجهای فنی ارائه می‌شود.

در حال حاضر، چند کتاب کاملا عمومی در زمینه ابر رسانایی در دسترس اند. این کتابها عبارتند از: کتابهای نوشته شده توسط آ. سی. رز- اینز و ای. اچ ، ای. آ. لینتون ، ام. تینخام ، پی. جی. دجنز ، و دی. آر. تیلی و جر . تیلی هر یک از این کتابها در نوع خود عالی است. ولی برخی از آنها، مثل  نیاز به زمینه خوبی در فیزیک نظری دارند در حالی که کتابهای دیگر تصویری کاملا به روز از فیزیک ابر رساناها به دست نمی دهند.

 

 معرفی ابر رسانا

ابر رسانایی در سال ۱۹۱۱ در آزمایشگاه لیدن کشف شد. اچ. کامرلینگ اونس به هنگام مطالعه وابستگی دمایی مقاومت ویژه الکتریک نمونه ای از جیوه، مشاهده کرد که در دمای T^* نزدیک به k4، مقاومت نمونه ناگهان به صفر سقوط می‌کند و در همه دماهای دسترس پذیر زیر T^* مقاومت دیگر قابل اندازه گیری نیست. نکته مهم این که با کاهش دما مقاومت ناگهان به صفر می‌رسید نه به تدریج، آشکار بود که نمونه باید دستخوش گذاری به حالت جدیدی با مقاومت الکتریکی صفر شده باشد که در آن زمان ناشناخته بوده است. این پدیده را ابررسانایی نامیدند.

هر گونه تلاش برای یافتن کوچکترین اثری از مقاومت در ابررساناهای کپه ای، راه به جایی نبرد. با توجه به حساسیت وسایل اندازه گیری جدید، می‌توان گفت که مقاومت ویژه ابر رساناها، حداقل تا دقت  ^۱۰-۱۰، صفر است. در مقایسه، می‌دانیم که مرتبه بزرگی مقاومت ویژه مس با خلوص بالا در k2/4 برابر است با  ^۹-۱۰

مدت کوتاهی پس از کشف ابر رسانایی در جیوه، این خاصیت در سایر فلزات، مانند: قلع، سرب، ایندیم، آلومینیوم، نیوبیم و غیره یافت شد. همچنین معلوم شد که تعداد زیادی آلیاژ و ترکیبات بین فلزی نیز ابر رسانا هستند.

دمای گذار از حالت عادی به ابر رسانایی را دمای بحرانی T_c می‌نامند. زمان کوتاهی پس از این کشف معلوم شد که نه تنها با گرم کردن نمونه، بلکه با قرار دادن آن در میدان مغناطیسی نسبتا ضعیف می‌توان ابر رسانای از بین برد. این میدان، H_cm، را میدان بحرانی ماده کپه ای می‌خوانند.

 

جدول ۱-۱ دماهای بحرانی میدانهای مغناطیسی بحرانی عناصر ابر رسانا [v].

Hcm(0)/Oe	Tc/K	عنصر	Hcm(0)/Oe	Tc/K	عنصر
۱۸۰۳	۴/۱	Pa	۰۳/۰۹/۱۰۴	۰۰۲/۰۱۷۵/۱	Al
۵۲۰۰	۰۰۶/۰۱۹۶/۷	Pb		۰۲۶/۱	Be
۲۶۹	۰۰۶/۰۶۹۷/۱	Re	۱۲۸	۰۰۲/۰۵۱۷/۰	Cd
۲۳۰۵	۰۱۵/۰۴۹/۰	Ru	۳/۰۲/۵۹	۰۰۱/۰۰۸۳/۱	Ga
۶۸۲۹	۰۰۱/۰۷۲۲/۳	Sn		۱۲۸/۰	Hf
۱۴۱۰	۰۴/۰۴۷/۴	Ta	۲۴۱۱	۰۰۱/۰۱۵۴/۴
۳۱۶۰	۰۱/۰۸/۷	Tc	۳۳۹	۹۴۹/۳
۵۶	۰۲/۰۳۸/۱	Th	۲۵/۲۸۱	۰۰۱/۰۴۰۸/۳	In
۵۱۷۸	۰۴/۰۴۰/۰	Ti	۰۵/۰۱۶	۰۰۱/۰۱۱۲۵/۰	Ir
۱۴۰۸	۰۴/۰۳۸/۲	Tl	۱۰۸۰۰	۰۲/۰۸۸/۴
۳/۰۱۵/۱	۰۵/۰۴۰/۵	V	۱۶۰۰،۱۰۹۶	۱/۰۰/۶
۳/۰۵۴	۰۰۰/۵۰۱۵۴/۰	W	۴۰۰<	۱/۰	Lu
۴۷	۰۱/۰۸۵۰/۰	Zn	۳۹۶	۰۰۵/۰۹۱۵/۰	Mo
	۱۵/۱۶۱/۰	Zr	۵۰۲۰۶۰	۰۲/۰۲۵/۹	Nb
			۷۰	۰۳/۰۶۶/۰	Os

 

در اکثر نوشتارهای انگلیسی زبان، H_cm را میدان بحرانی ترمودینامیکی، H_cth، می‌نامند.

جدول (۱-۱) مقادیر H_cm،T_c را برای تعدادی از عناصر ابر رسانا نشان می‌دهد. در این جا H_cm(0) میدان بحرانی برون یابی شده تا صفر مطلق است. وابستگی دمایی H_cm با رابطه تجربی

H_cm(T)=h_cm(0)[1-(T/T_c)²]    (۱-۱)

سازگاری خوبی دارد که اصولا نمودار فاز H-T حالت ابر رسانش را نشان می‌دهد. در ناحیه سایه خورده، هر نقطه در صفحه H-T با حالت ابررسانشی همخوان است.

در سالهای اخیر، واژه ابر رسانایی به صورت کلمه ای جادویی در آمده است. تصور نمی شود که در حال حاضر فناوری جدید دیگری تا این اندازه توجه عموم را به خود جلب کرده باشد. پس از سالهای ابهام در مورد این پدیده، اکنون ابر رسانایی در زمینه های پزشکی، علوم نظری و تجربی، نظامی، ترابری، برق، الکترونیک و موارد زیاد دیگری کاربرد پیدا کرده است.

تقریبا همه روزه رساناهای عمومی در سرتاسر دنیا مطالب جالب و متنوعی را درباره این پدیده، که شدیدا مورد علاقه خوانندگان و شنوندگان بسیاری است، درج و پخش می‌کنند. اگر چه غالبا تحلیهای و پیش گوییهای دانشمندان بعد از یک دوران شکوفایی سریعا رو به افول می‌گذارد، با این همه تب ابر رسانایی همچنان سازمانهای مختلف تجاری و دولتی را فرا گرفته است.

در ایالات متحده، عقیده بر این است که ابر رسانایی نقش کلیدی در آینده فناوری این کشور بازی خواهد کرد و نیز می‌تواند به عنوان وسیله ای کار ساز در میدان رقابت فنی با ژاپن مورد استفاده قرار گیرد. دیدگاههای نظامی در مورد ابر رسانایی با کمی تفاوت، بیشتر بر ساخت سلاحهای سریع و دقیق تر و نیز ابزار دیده بانی متمرکز می‌شود. صرف نظر از موارد کاربردی آن، بسیاری از شرکتها در زمینه تجاری ابر رسانای با هم رقابت می‌کنند.

اغلب سازمانهایی که با مسائل فنی سرو کار دارند، از قبیل بل، جنرال الکتریک و آی. بی. ام با این مساله ارتباط تنگاتنگ دارند و نیز فعالیت اصلی بسیاری از شرکتهای جدیدتر بر روی این پدیده متمرکز است.حتی گفته می‌شود که از نظر فناوری، صنعت ابر رسانایی مترادف با صنعت نیمرسانایی است.

به هر حال، ابر رسانای موضوعی بسیار گسترده است. کوشش برای شناخت و یادگیری این پدیده پژوهشگران را با مطالعه و بررسی زمینه های بالقوه دیگر آن از قبیل پزشکی، فیزیک ریز اتمی، شیمی سرامیک، زیر دریاییهایی که عمدتا در امور جنگی از آنها استفاده می‌شود و حتی مسائل سیاسی وامی‌ دارد.

اگر چه ابر رسانایی از سال ۱۹۱۱ برای دانشمندان پدیده ای شناخته شده بوده است، اما اهمیت آن به عنوان یک عامل بالقوه در سالهای اخیر مشخص و مورد توجه قرار گرفته است. حتی می‌توان نقش این پدیده را در پیشبرد صنعت و فناوری با نقش ترانزیستور و لیزر در این زمینه مقایسه کرد.

ابر رسانایی پدیده ای چند چهره است که مزیتهای بسیاری را در ارتباط با فناوری روز ارائه می‌دهد.

ابر رسانایی دارای جنبه های بسیاری است که دانشمندان مختلف به منظور توسعه و پیشرفت این جنبه ها، فعالیت می‌کنند. هدف اصلی این تلاشها به کار گیری عملی ابر رساناها در صنعت و فناوری است. همان گونه که با قرار گرفتن تعدادی ترانزیستور در کنار قطعات دیگر وسیله ای الکترونیکی (مثلا رادیو) ساخته می‌شود، اثر کامل ابر رسانا ها نیز زمانی ظاهر می‌شود که به شکلی عملی مورد استفاده قرار گیرند. برای رسیدن به چنین هدفی تلاش گسترده، به شکل رقابت جهانی، آغاز شده است.

ابر رسانایی چیست؟

ابر رسانایی برای نخستین بار در سال ۱۹۱۱ توسط یک فیزیکدان هلندی به نام هیک کامرلینگ انس[۱] کشف گردید.

انس روی اثر دماهای خیلی پایین بر خواص فلزات مطالعه می‌کرد. او در حین آزمایشهایش متوجه شد که اگر جیوه تا دمای k4 سر شود، مقاومتش را در مقابل عبور الکتریسیته از دست می‌دهد (k معرف درجه کلوین است، که در آن صفر کلوین تقریبا برابر ۴۶۰- درجه فارنهایت و یا ۲۷۳- درجه سانتی گراد است.)

به منظور فهم کامل این کشف و پی بردن به اهمیت آن نیاز به این است که در مورد الکتریسیته و جریان الکتریکی اطلاعاتی از قبل داشته باشیم. به شکل خیلی ساده، الکتریسیته حرکت الکترونهاست که جریان الکتریکی نامیده می‌شود.دلیل ایجاد چنین جریانی را در فصل بعد مطالعه خواهیم کرد، اما در حال حاضر فرض می‌کنیم که جریانی از الکترونها وجود داشته باشد. معمولا ماده ای را که در آن الکترونها می‌توانند جریان پیدا کنند رسانا می‌نامند. برای مثال اغلب وسایل الکتریکی دارای سیمی متصل به یک دو شاخه هستند. معمولا این سیم که رساناست از ماده ای فلزی مانند مس ساخته شده است. زمانی که دو شاخه داخل پریز قرار می‌گیرد جریان الکتریکی در داخل سیم برقرار می‌شود. پریزها توسط سیمهای دیگر به جعبه فیوز متصلند و جعبه فیوز نیز توسط سیمهای رسانا به خطوط قدرت که برق ساختمان را تامین می‌کنند وصل می‌شود.

بنابراین یک رسانا ماده است که می‌تواند جریان الکتریکی را به خوبی از خود عبور دهد. مس رسانای بسیار خوبی است که معمولا سیمها و کابلهای انتقال را از آن می‌سازند. آلومینیوم، نقره و طلا هم رساناهای خوبی هستند. موادی از قبیل شیشه، جیر و چوب که جریان الکتریکی را هدایت نمی کنند، نارسانا یا عایق نامیده می‌شوند. مواد دیگری که جریان الکتریکی را تا اندازه ای هدایت می‌کنند (نه به خوبی رساناهایی مثل مس) نیمرسانا نام دارند. به هر حال، باید توجه داشت که حتی بهترین رساناها (مانند مس) رساناهای کاملی نیستند زیرا، به علت داشتن مقاومت الکتریکی، درصدی از انرژی الکتریکی عبوری از خود را هدر می‌دهند. مقاومت مانعی در سر راه جریان الکترییسیته است و عایقها به علت داشتن مقاومت بالا جریان الکتریکی را به خوبی از خود عبور نمی دهند. اگر چه مقاومت الکتریکی نیمرسانا ها تا حدی زیاد است اما آن قدر زیاد نیست که مانع عبور جریان الکتریسیته شود. مقاومت رساناها در مقابل عبور جریان کم است. علت وجود مقاومت در مواد مربوط به خواص اتمی آنها می‌شود که در فصل بعد مورد بحث قرار می‌گیرد و این اساس ظاهر شدن پدیده ابر رسانایی است.

قبل از سال ۱۹۱۱، حذف مقاومت الکتریکی حتی در بهترین رساناها امکان پذیر نبود. در این سال با کشف پدیده ابررسانایی گونه ای جدید از رسانا که (ابر رسانا) نامیده می‌شوند تولد یافتند. به طور ساده ابر رساناها، موادی هستند که عملا الکتریسیته را بدون هیچ مقاومتی از خود عبور می‌دهند و در نتیجه انرژی الکتریکی به هیچ وجه تلف نمی شود . جدول ۱-۱ مشخصات ۴ دسته از مواد را از نظر رسانایی نشان می‌دهد.

جدول ۱-۱ دسته بندی مواد از نظر رسانایی الکتریکی

مقاومت	مثال	نام
خیلی بالا	شیشه	عایق
متوسط	سیلیکون	نیمرساتا
خیلی پایین	مس	رسانا
صفر	بعضی از مواد مشخص	ابررسانا

 

آونگی (مثلا یک تاب) را در نظر بگیرید. چنانچه به این آونگ نیرو وارد شود و آن را از حالت تعادل خارج کند، آونگ شروع به نوسان خواهد کرد و پس از مدتی از حرکت می‌ایستد. دلیل توقف آونگ آن است که به علت وجود مقاومت هوا و نیز اصطکاک، انرژی منتقل شده به تاب از بین می‌رود. حال آونگ یا تابی را در نظر بگیرید که هیچ گاه متوقف نمی شود و زمانی که به نوسان در آید برای همیشه با همان دامنه اولیه به نوسان ادامه دهد. این مثال را می‌تواند برای حالت ابررسانایی نیز به کار برد. همان طور که قبلا گفته شد، در یک رسانا به سبب وجود مقاومت، انرژی الکتریکی سریعا کاهش پیدا می‌کند، در حال که در یک ابر رسانا جریان الکتریکی بدون هیچ گونه تغییراتی برای همیشه پایدار باقی می‌ماند، زیرا هیچ عاملی که بخواهد آن را متوقف سازد وجود ندارد.

انس آزمایشهایش را برای کشف احتمالی ابررسانایی در فلزات دیگر هم ادامه داد. مجبور بود که ماده را در هلیوم مایع نگه دارد. هلیم که غالبا آن را به عنوان یک گاز می‌شناسیم در حدود k4 مایع می‌شود. انس جریان الکتریکی را به حلقه ابر رسانا (جیوه در هلیم مایع) القا کرد و یک سال بعد مشاهده کرد که این جریان در حلقه، بدون هیچ کاهشی، هنوز در حال شارش است.

پس از کشف ابر رسانایی و علی رغم شناخت اهمیت آن برای چندین دهه هیچ گونه تلاشی در جهت استفاه عملی از آن انجام نشد. مانع بزرگی که در به کار گیری ابر رساناها وجود داشت، عدم امکان دست یابی به سرمای فوق العاده مورد نیاز بود. وسایل و تجهیزاتی که برای تهیه هلیم مایع و سرد کردن ماده ابررسانا لازم است پیچیده و پر هزینه می‌باشند که حتی امروزه هم به عنوان یک مشکل خود نمایی می‌کند. مشکل دوم عدم توانایی ابر رساناها در تحمل میدانهای مغناطیسی بزرگ است. مدتهاست که از آهن رباهای الکتریکی برای تولید میدان مغناطیسی القا می‌شود. با جایگزینی ابر رسانا به جای رساناهای معمولی و سرد کردن حلقه به میزان لازم، به نظر می‌رسد که بتوان میدانهای مغناطیسی بسیار قوی تر ایجاد کرد. به علاوه در این حالت به علت عدم مقاومت الکتریکی حلقه گرم نمی شود. با وجود این زمانی که میدان مغناطیسی تا حد معینی افزایش یابد پدیده ابر رسانایی از بین می‌رود و ابر رسانا به یک رسانای معمولی تبدیل می‌شود. در حدود سال ۱۹۴۰ مشکلات مربوط به محدودیت میدان مغناطیسی تا اندازه ای حل شد و در سالهای اخیر با ساخت وسایل پیشرفته و کشف ابر رسانای با دمای بحرانی بالا، مساله رسیدن به دمای پایین مورد نیاز برای ظاهر شدن پدیده ابر رسانایی، تا حدی بر طرف گردیده است.

 

افزایش دمای بحرانی ابر رسانایی

همان طورکه قبلا اشاره شد، سرد کردن مواد ابر رسانا تا نزدیک صفر مطلق همواره به عنوان یک مشکل مطرح بوده است. برای رسیدن به دمای k 4 از هلیم مایع استفاده می‌شود. هلیم مایع بسیار گران است و تجهیزات و وسایل مورد نیاز در رابطه با آن نیز فضای نسبتا وسیعی را اشغال می‌کند. با توجه به هزینه زیاد رسیدن به دمای پایین، جایگزین کردن مواد ابر رسانا به جای رساناهای معمولی، عملی مقرون به صرفه نبوده است. به همین سبب از ابر رساناها بیشتر در موارد خاص از قبیل ساخت آهن رباهای الکتریکی بسیار قوی، که رساناهای معمولی برای چنین کاری مناسب نیستند، استفاده شده است. بنابراین اگر ابر رسانایی بخواهد به بیرون از آزمایشگاهها پای بگذارد و وارد صنعت و فناوری شود، در وهله اول لازم است که مشکل سرد کردن حل گردد.

برای غلبه بر این مشکل، دو راه بدیهی وجود دارد. اول پیدا کردن روشی مناسب تر برای سرد کردن ابر رساناها که هزینه خیلی کمی را در بر داشته باشد و دوم بالا بردن دمای بحرانی ابر رسانا، یعنی دمایی که در آن ماده معمولی به ابر رسانایی تغییر حالت می‌دهد. به نظر می‌رسد راه دوم یعنی پیدا کردن مواد ابر رسانایی که دارای دمای بحرانی بالاتری هستند. روشی مناسب تر و اقتصادی تر است، زیرا گذشته از آن که هزینه های مربوط به سرد کردن کاهش می‌یابد. و وسایل خنک کننده ساده تری نیز نیاز خواهیم داشت.

از آن جا که هلیم مایع بهترین وسیله شناخته شده برای سرد کردن مواد تا نزدیک صفر مطلق به حساب می‌آید، لذا موضوع ابر رسانایی می‌بایست تا زمان کشف مواد جدید با دمای بحرانی خیلی بالاتر از صفر مطلق در همان داخل آزمایشگاهها بررسی می‌شد و راه یافتن آن به محیط بیرون هیچ گونه صرفه اقتصادی به دنبال نداشت. دانشمندانی که با مواد مشابه آنچه که انس استفاده می‌کرد. کار می‌کردند تنها توانستند به مقدار کمی دمای بحرانی ابر رسانایی را با ترکیب برخی مواد باهم بالا ببرند، به طوری که در سال ۱۹۳۳ این دما در حدود k10 بود. در سال ۱۹۶۹ این دما به دو برابر یعنی k20 رسید که خود قدم بزرگی بود، زیرا هیدروژن در دمای k20 به مایع تبدیل می‌شود و بنابراین برای اولین بار دانشمندان می‌توانستند از عامل دیگری به غیر از هلیم به عنوان سرد کننده استفاده کنند. چهار سال بعد یعنی در سال ۱۹۷۳، دمای بحرانی به k 23 افزایش یافت. پس از آن برای حدود یک دهه پژوهشگران با ساخت مواد و آلیاژهای مختلف سعی در افزایش بیشتر دمای بحرانی کردند که این تلاشها موفقیت چندانی را در بر نداشت.

در سال ۱۹۸۶ دو پژوهشگر به نامهای آلکس مولر وجورج بدنورز در موسسه آی. بی. ام زوریخ ماده سرامیکی جدید ابر رسانای با دمای بحرانی k30 را کشف کردند. این کشف مهم باعث شد که پژوهشگران زیادی مجددا در این زمینه شروع به فعالیت کنند و روی مواد سرامیکی مشابه با آنچه که در موسسه آی. بی. ام کشف شد کار نمایند.

در اواخر سال ۱۹۸۶ دمای بحرانی تا k39 افزایش یافت. در فوریه سال ۱۹۸۷ دکتر چینگ و وچو و همکارانش در دانشگاه هوستون کشف ابر رسانای جدیدی با دماهای بحرانی k98 را گزارش نمودند.

این کشف کل جامعه فیزیک را به هیجان آورد به لحاظ آن که مانعی بزرگ، یعنی مشکل سرد کنندگی، تا حدی از سر راه برداشته شده بود. دمای ازت مایع k77 است که بسیار پایین تر از دمای بحرانی، ابر رسانایی است که چو گزارش کرده بود. قیمت هر لیتر ازت مایع بسیار ارزان تر از هلیم و در امریکا حدود ۵۰ سنت است. در صورتی که هر لیتر هلیم مایع چندین دلار می‌ارزد. مزیت دیگر ازت مایع نسبت به هلیم آن است که به راحتی و با استفاده از ظروف عایق قابل حمل است. با این کشف امکان تهیه قطعات و وسایل صنعتی توسط چنین ابر رساناهایی عملی تر به نظر می‌رسد. با وجود این، تلاش برای افزایش دمای بحرانی در ابر رساناها خاتمه نیافته است. دانشمندان در نظر دارند. این دما را به حدود دمای اتاق( k 293) برسانند که در این صورت مشکل سرد کنندگی خودبه خود

حل خواهد شد. اخیرا برخی آزمایشگاهها ادعا کرده‌اند که دانسته‌اند ابر رساناهایی با دمای بحرانی بالای k230 تهیه نمایند که این ادعا هنوز تایید نشده است.

البته مسائل زیادی بر سر راه ابر رساناهای جدید قرار دارد که باید حل شود. مثلا اگر چه دمای بحرانی این مواد نسبت به ابر رساناهای سنتی بسیار بالاتر است، اما مواد جدید نمی توانند جریانهای الکتریکی با چگالی خیلی زیاد را از خود عبور دهند. دیگر آن که شکل دهی این مواد به صورت سیم و حلقه به مراتب مشکل تر است. با وجود این اغلب پژوهشگران معتقدند که این مشکلات به مرور بر طرف خواهد شد. فصل بعد جزئیات بیشتری را در مورد ابر رساناهای جدید، و این که این پدیده چرا و چگونه رخ می‌دهد ارائه خواهد کرد و در پایان موضوعاتی مطرح می‌شوند که به نحوی با ابر رسانایی در ارتباطند.

 

(فناوری ابررساناها)

اصول الکتریسیته

همان طور که در فصل گذشته اشاره شد، مواد رسانا محیطی مناسب برای جاری شدن الکترونها را فراهم می‌کنند. مواد عایق هادی الکتریسیته نیستند. و نیمرسانا ها الکتریسیته را هدایت می‌کنند اما نه به خوبی رساناها. چه عاملی سبب می‌شود که دسته ای از مواد رسانا، بعضی دیگر نیمرسانا و برخی عایق باشند؟ پاسخ این سوال به خواص اتمی مواد مربوط می‌شود.

ممکن است پرسیده شود که عامل به حرکت در آوردن الکترونها در داخل یک رسانا چیست؟

الکترون ذره بنیادی موجود در تمام مواد است که دارای بار منفی است و جفت آن یعنی پروتون دارای بار مثبت است که ذره بنیادی دیگر است. نیروی بین این دو ذره از نوع جاذبه ای است. بعضی مواد دارای الکترونهای مازاد بوده و در برخی دیگر تعداد الکترونها کمتر از آنی است که می‌بایست در آن ماده وجود داشته باشد. اگر تعداد الکترونها و پروتونها در ماده ای برابر باشند آن ماده از نظر الکتریکی خنثی بوده و چنانچه تعداد الکترونها بیشتر از پروتونها باشد، آن ماده از نظر الکتریکی منفی و در صورتی که تعداد الکترونها کمتر از پروتونها باشد ماده مثبت خواهد بود.

الکترونهای اضافی موجود در ماده با بار منفی، جذب پروتنهای اضافی در ماده دارای بار مثبت می‌شوند. با وجود این، الکترونها به خوبی خود توانایی حرکت از ماده منفی به سوی ماده مثبت را ندارند. در این جاست که نقش یک رسانا مشخص می‌شود.می توان گفت رسانا ماده است که می‌تواند شارش الکترونها را تضمین نماید.

اختلاف بار الکتریکی دو ماده دارای بار منفی و مثبت، مشخص کننده نیروی وارد بر الکترونها برای بررسی حرکت از ماده منفی و رسیدن به ماده مثبت می‌باشد. این نیرو، اختلاف پتانسیل یا نیروی محرکه الکتریکی (emf) [2] یا به صورت خیلی ساده ولتاژ نامیده می‌شود. هر قدر نیروی وارد بر الکترونها (برای رسیدن به ماده مثبت) بیشتر باشد، ولتاژ بالاتر است.

یک باطری معمولی چراغ قوه را در نظر بگیرید. یک انتهای آن به عنوان طرف مثبت (+) و انتهای دیگر با علامت منفی (-) مشخص شده است. بیشتر باتریهای خانگی دارای ولتاژ ۵/۱ ولت می‌باشند. اگر قطبهای مثبت و منفی باطری توسط یک سیم مسی به هم وصل شوند، الکترونها در داخل سیم از انتهای طرف منفی به مثبت جریان پیدا می‌کنند.

ماده ای رسانا، مانند مس، دارای تعداد زیادی الکترون است که می‌توانند آزادانه به هر طرف حرکت کنند. وقتی سیم مسی به دو سر یک باتری وصل می‌شود، الکترونهای آزاد در سیم به طرف قطب مثبت باتری حرکت می‌کنند. همزمان با آن الکترونهای موجود در قطب منفی باتری در داخل رسانا جریان پیدا کرده و جای الکترونهایی را که قبلا حرکت کرده‌اند می‌گیرند. بنابراین جریانی از الکترونها را از قطب منفی به طرف قطب مثبت در داخل رسانا خواهیم داشت

انرژی ناشی از جریان الکترونهای می‌تواند در وسایل الکتریکی مانند لامپهای روشنایی، موتورها و قطعات موجود در مدار الکتریکی استفاده شود. مقدار کاری که الکترونها می‌توانند انجام دهند تابع دو عامل اصلی یعنی ولتاژ و جریان الکتریکی است. .ولتاژ نیروی محرکه الکتریکی است که جریان الکترونها را در سیم تامین می‌کند. جریان تعداد الکترونهایی است که شارش پیدا می‌کنند. هر چه تعداد الکترونها بیشتر باشد کار انجام شده توسط آنها بزرگتر است. یکای ولتاژ ولت و یکای جریان آمپر نام دارد.

روشهای گوناگونی به منظور تولید الکتریسیته وجود دارد، باتری تنها یک مثال است. الکتریسیته می‌تواند توسط مولدها، سلولهای نوری یا سلولهای خورشیدی نیز تولید شود. همچنین دو نوع مختلف از الکتریسیته وجود دارد: جریان متناوب (AC)[3]

و جریان مستقیم (DC) [4]. جریان الکتریکی متناوب معمولا توسط مولد و جریان مستقیم به وسیله باتری یا سلول خورشیدی تولید می‌شود. اغلب وسایل الکتریکی با جریان مستقیم کار می‌کنند و در برخی از آنها از وسیله ای (مبدل) برای تبدیل جریان متناوب به مستقیم استفاه می‌شود.

البته موضوع این کتاب ابر رسانایی است نه الکتریسیته، بحث قبلی به این منظور آورده شد که خوانندگان اطلاعاتی در مورد جریان الکترونها و این که چگونه این عمل رخ می‌دهد، داشته باشند.

 

ساختار اتمی

قبلا با الکترون .و پروتون، دو ذره بنیادی که ماده را می‌سازند، آشنا شدیم. ذره بنیادی سوم نوترون است، این ذره از آن رو نوترون نامیده می‌شود که هیچ بار الکتریکی به آن وابسته نیست، به عبارت دیگر از نظر الکتریکی خنثی است. الکترونها، پروتونها و نوترونها کوچکترین واحد ماده یعنی اتم را می‌سازند. اتم را می‌توان به شکل کره ای که در آن پروتونها و نوترونها در بخش کوچک و متراکمی در مرکز آن به نام هسته قرار گرفته‌اند تصور نمود. پروتونها درمحدوده هسته بوده و حرکت نمی کنند، اما الکترونها روی مدارهای مشخص به دور هسته بوده و حرکت نمی کنند، اما الکترونها روی مدارهای مشخص به دور هسته می‌چرخند. اغلب تعداد زیادی از الکترونها می‌توانند آزادانه حرکت کنند. پروتونها در داخل هسته نوع ماده (عنصر) را مشخص می‌کنند.

تمام اتمهای شناخته شده (یا عناصر) به صورتی معین دسته بندی شده و در جدولی معروف به جدول تناوبی آورده شده اند. در جدول تناوبی انواع مشابه اتمها مانند فلزات و گازها رده بندی شده و هر عنص یک نماد در جدول مشخص شده است. به عنوان مثال، عنصر سرب با pb نشان داده می‌شود.

الکترونها روی مدارهایی مشخص به دور هسته می‌چرخند و این مدارها، لایه های اتم را می‌سازند. نزدیکترین لایه به هسته می‌تواند تنها دو الکترون، لایه دوم ۸ الکترون و بعدی ۱۸ الکترون را در بر می‌گیرد. الکترونهای موجود در خارجی ترین لایه مشخص می‌کنند که چگونه یک اتم منفرد می‌تواند به اتمهای دیگر پیوند خورده و انواع مختلف مواد به وجود آیند. اگر اتمی در خارجی ترین لایه اش فقط یک الکترون داشته باشد و اتم دیگر به منظور این که خارجی ترین لایه را تکمیل کند تنها نیاز به یک الکترون داشته باشد، در این صورت این دو اتم ممکن است به هم متصل شده و الکترونهای خود را به اشتراک بگذارند. این فرآیند(پیوند) یا (اتصال) نامیده می‌شود و انواع مختلفی از پیوند برای اتصال اتمها به یکدیگر وجود دارد.

ساده ترین راه برای فهم این که چگونه اتمها به هم می‌پیوندند تا در نهایت مایعات، گازها و ترکیبات دیگر شکل گیرد آن است که این موضوع را به بازی لگو[۵] مربوط کنیم.

اگر قطعات مختلف را از نظر شکل و اندازه دسته بندی کنیم دو قطعه هم شکل به سادگی می‌توانند به یکدیگر متصل شوند و قطعات هم شکل با آنها، به شرط این که برای این کار مناسب باشند، نیز می‌توانند به آنها اضافه شوند. به هر حال یک قطعه بزرگ می‌تواند به تعداد بسیاری از قطعات کوچکتر متصل شود.

یک جسم جامد از به هم پیوستن اتمها در یک شبکه سه بعدی و تکرار آن ایجاد می‌شود. چنین طرحی (ساختار شبکه[۶] نام دارد. ساختار شبکه چارچوبی است که جایگاه هر اتم را در شبکه مشخص می‌کند. وقتی جریان الکتریکی از یک رسانا می‌گذرد، الکترونهای در حال حرکت مجبورند که راهشان را در داخل شبکه پیدا کنند. گاهی اوقات یک الکترون به علت نزدیک شدن زیاد به یک اتم از مسیرش منحرف می‌شود و در این فرآیند مقداری از انرژی اش را به شبکه منتقل می‌کند، این چیزی است که سبب ایجاد مقاومت الکتریکی در رسانا می‌گردد.

اطلاعات ارائه شده در این بخش در فهم مطالب مربوط به ترکیبات ابر رسانایی و این که چگونه این مواد قادرند رسانش را بدون مقاومت انجام دهند، سودمند است. توانایی ابر رساناها در هدایت الکتریسیته بدون مقاومت تنها خاصیت منحصر به فرد آنها نیست. در بخشهای بعد برخی از ویژگیهای دیگر ابر رساناها مورد بحث قرار می‌گیرند.

جریان الکتریکی در یک حلقه ابر رسانا می‌تواند تا زمان نامحدودی باقی بماند. طبیعتا، این ماندگاری جریان به چشمه انرژی نیاز ندارد، زیرا مقاومت حلقه صفر است. چنین جریان ماندگاری را می‌توان به شرح زیر تولید کرد: نخست حلقه را در T>T_c در میدان مغناطیسی خارجی قرار می‌دهیم به طوری که خطوط میدان مغناطیسی از درون حلقه بگذرند. سپس حلقه را تا دمای زیر T_c، تا جایی که ماده ابر رسانا می‌شود، سرد کرده و میدان مغناطیسی درون حلقه کاهش می‌یابد و بنابر قانون القای الکترومغناطیس فاراده، در حلقه جریانی القا می‌شود که از این لحظه به بعد دوام خواهد داشت. این جریان از کاهش بیشتر شار مغناطیسی حلقه جوگیری می‌کند، یعنی اکنون که میدان خارجی صفر است، جریان القایی خود باعث تامین شار به مقدار اولیه آن از حلقه می‌شود. در واقع، اگر حلقه دارای مقاومت محدود R باشد، شار از حلقه با ثبات زمانی L/R کاهش خواهد یافت. L خود القای حلقه است. در یک حلقه ابررسانا، چون R=0 است آهنگ کاهش شار مغناطیسی نامحدود است. یعنی تا وقتی در حلقه جریان ماندگاری شارش می‌یابد شار مغناطیسی در آن (به انجماد) در می‌آید، معمولا چنین جریانی را جریان ابر رسانا رسانش یا ابر جریان می‌خوانند.

در نخستین نگاه ممکن است چنین به نظر آید که شار مغناطیسی (منجمد) شده می‌تواند هر مقدار دلخواهی داشته باشد. ولی، آزمایشهای بسیاری  که برای روشن کردن این رفتار ابداع شد واقعیت تجربی بسیار مهمی را ثابت کرده است و آن این که مقادیر شار مغناطیسی یک پوسته استوانه ای ابر رسانشی فقط مضرب درستی از Gcm^{2 7-}10*70/2= هستند. این مقدار ار کوانتوم شار مغناطیسی می‌نامند. و می‌توان آن را به صورت ترکیبی از ثابتهای اساسی، یعنی  نوشت که در آن h ثابت پلانک، c سرعت نور و e بار الکترون است. در سیستم یکاهای MKSA، داریم  

از آن جا که از اواسط دهه ۱۹۳۰ با ابر رسانایی به عنوان یک پدیده کوانتومی بر خورد می‌شد، تعجب آور است که چرا این مطالعات تا پیش از (۱۹۶۱) انجام نشده بود.

 

آثار جوزفسن

جلوه دیگر ماهیت کوانتومی ابر رسانایی، ابر رسانندگی ضعیف است که آثار جوزفسین نیز خوانده می‌شود. این آثار در سال ۱۹۶۲ پیش گویی شده بود که خیلی زود به صورت تجربی به اثبات رسید. جمله (ابر رسانندگی ضعیف) به رفتاری اشاره دارد که در آن دو ابر رسانا با یک اتصال ضعیف به یکدیگر وصل شده اند. این اتصال را می‌توان با پیوند تونلی یا یک گلوگاه کوتاه در مقطع فیلمی نازک ایجاد کرد. به طور کلی، اتصال ضعیف می‌تواند تنها تماس ضعیفی بین دو ابر رسانا در ناحیه بسیار کوچک یا به صورتهای دیگری باشد که در آنها تماس ابر رسانش بین ابر رساناها به گونه ای (ضعیف) تشکیل شود.

آثار جوزفسین به صورت ایستا (اثر جوزفسن dc) و ناایستا (اثر جوزفسن ac) دیده شده اند. در اثر dc اگر از اتصال ضعیف یا به عبارت دیگر از پیوندگاه جوزفسین، جریان گذر دهیم و ضعیف می‌گذرد، حتی اگر ماده اتصال ضعیف خود ابر رسانا نباشد. (مثلا می‌تواند یک عایق در پیوندگاه تونلی باشد). در این جا مستقیما به مهمترین ویژگی ابر رسانا می‌رسیم: یعنی رفتار همدوس الکترونهای ابر رسانشی. به واسطه اتصال ضعیف، الکترونهای دو ناحیه ابر رسانا به یک پیکره کوانتومی واحد تبدیل می‌شوند. همین مطلب را می‌توان به گونه دیگری بیان کرد. با نفوذ از اتصال ضعیف به ابر رسانای دوم، تابع موج الکترونها از ابر رسانای اول به تابع موج الکترونهای (محلی) تداخل می‌شوند. در نتیجه همه الکترونهای ابر رسانشی در دو سوی اتصال ضغیف با تابع موج یکسانی توصیف می‌شوند. حضور اتصال ضعیف نباید توابع موج دو طرف را، در مقایسه با آنچه پیش از ایجاد اتصال بودند، به طور چشمگیری تغییر دهد.

اثر جوزفسین ac حتی از این هم جالبتر است. اگر جریان dc را در اتصال ضعیف افزایش دهیم تا ولتاژ محدودی در دو سر پیوندگاه ظاهر شود علاوه بر مولفه dc ولتاژ v، مولفه دیگر ac این ولتاژ با بسامد زاویه ای  نیز پدیدار می‌شود، به طور که 

برای ثبت این اثر جوزفسین خوانده می‌شود (یعنی، تابش الکترومغناطیس گسیل شده از پیوندگاه جوزفسن) آی. کا. یانسون. دی. ام. سوستونف. و آی. ام. دمیترنکو آزمایش بنیادی موفقیت آمیزی انجام داده اند.

 

اثر مایسنر- اوکسنفلد

بیست و دو سال پس از کشف ابر رسانایی، دانشمندان هنوز بر این باور بودند که ابر رسانا تنها یک رسانای ایده آل است، یعنی قطعه ای فلز با مقاومت صفر.

اکنون به این نکته می‌پردازیم که چنین رسانای ایده آلی در یک میدان مغناطیسی خارجی که به قدر کافی ضعیف است و نمی تواند رسانش ایده آل نمونه را تخریب کند، باید چگونه رفتاری داشته باشد.

نخست فرض کنید رسانای ایده آل در حضور میدان مغناطیسی خارجی صفر تا زیر دمای بحرانی سرد شده است و سپس یک میدان مغناطیس خارجی برقرار می‌شود. از بررسیهای عمومی به آسانی می‌توان نشان داد که میدتان به درون نمونه نفوذ نمی کند. در واقع، بلافاصله پس از نفوذ میدان به لایه سطحی رسانای ایده آل، یک جریان القایی برقرار می‌شود که بنابر قانون لنز، در راستای مقابل میدان خارجی، میدان مغناطیسی تولید می‌کند. بنابراین، میدان کل در درون نمونه صفر است.

اکنون این رفتار را به یاری معادلات ماکسول اثبات می‌کنیم. با تغییر القای B، بنابر رابطه

باید در نمونه میدان الکتریکی E القا شود، در این رابطه c سرعت نور در خلا است. در سانای ایده آل E=0، زیرا E=j، که در آن  مقاومت ویژه (که در این مورد صفر است) و j چگالی جریان القایی است. نتیجه می‌شود که B باید ثابت باشد و با توجه به این که پیش از اعمال میدان  برای یک رسانای ایده آل، حالت مغناطیسی آن در H>0،T<T_c به گذشته آن بستگی دارد: (الف) میدان مغناطیسی به یک ابر رسانای ایده آل در T<Tc اعمال شده است، میدان در T<T_c برقرار شده است. (

خارجی B=0 بوده است، بنابراین پس از برقراری میدان نیز باید B=0 باشد. این پدیده را می‌توان از راه دیگری هم تفسیر کرد: چون ، زمان برای نفوذ میدان مغناطیسی به درون رسانای ایده آل به طور نامحدودی طولانی است.

به این ترتیب، ثابت شد که در هر نقطه از رسانای ایده آل واقع در میدان مغناطیسی خارجی B=0 است. ولی، می‌توان با انتخاب گامهای متفاوتی به این وضعیت (رسانای ایده آل در T<T_c در میدان مغناطیسی خارجی) رسید، به این ترتیب که نخست نمونه (گرم) را در میدان مغناطیسی خارجی قرار دهیم و سپس آن را تا T<T_c سرد کنیم.

در آن صورت، برای رسانای ایده آل، الکترودینامیک نتیجه کاملا متفاوتی پیش بینی می‌کند. در T>T_c، مقاومت ویژه نمونه متناهی است و از این رو، میدان مغناطیسی به درون آن نفوذ می‌کند. پس از سرد کردن نمونه و گذار به حالت ابر رسانشی، آن چنان که در شکل ۱-۲ (ب) نشان داده شده است، میدان درون آن ماندگار می‌شود.

توجه داشته باشید که در استدلال بالا نمونه با ویژگی  را همواره به صورت رسانای ایده آل نام می‌بریم نه ابر رسانا.

پیش از سال ۱۹۳۳ همه بر این باور بودند که یک ابر رسانا به راستی چیزی بیش از یک رسانای کامل نیست. ولی آزمایشهای انجام شده توسط مایسنرواوکسنفلد[۱] نشان داد ]۱۲[ که این باور درستی نبود! آنها پی بردند که در T<T_c میدان درون نمونه ابر رسانا در حضور، میدان مغناطیسی خارجی، مستقل از روش انتخابی برای سرد کردن ابر رسانا به زیر T_c، همواره صفر است. (B=0).

این دستاورد بسیار با اهمیتی بود. در واقع، اگر بی توجه به گذشته نمونه B=0 باشد، القای صفر را می‌توان به صورت خاصیت ذاتی حالت ابر رسانشی در H<H_cm در نظر گرفت. افزون بر آن می‌توان گذار به حالت ابر رسانشی را به صورت گذار فاز بررسی کرد و در نتیجه همه توانایی رهیافت ترمودینامیکی را برای آزمون فاز ابر رسانش به کار بست.

 

مبانی نظری ابر رسانایی

از زمان کشف ابر رسانایی در سال ۱۹۱۱، سعی دانشمندان بر این بوده است که این پدیده را به طور منطقی توجیه کنند. ارائه نظریه ای جامع که خواص مختلف ابر رسانایی را توضیح دهد به دانشمندان این امکان را خواهد داد که بتوانند ابررساناهای جدید و بهتری را ساخته و همچنین به اطلاعات بیشتری در مورد این مواد دست یابند. در سال ۱۹۵۷، سه پژوهشگر به نامهای جان باردین لئون کوپر و جی. آر شریفر ، نظریه ای در مورد پدید ابر رسانایی ارائه و منتشر نمودند. ارائه این نظریه که به نظریه BCS مشهور است سبب اعطای جایزه نوبل به این سه پژوهشگر شد.

با توجه به این که در سال ۱۹۵۷، هنوز ابر رساناهای با دمای بحرانی بالا کشف نشده بودند. نظریه BCS تنها رفتار ابر رسانایی را برای مواد با دمای بحرانی نزدیک به صفر مطلق توجیه می‌کند. باید توجه داشت زمانی که ماده ای تا دمای نزدیک به صفر مطلق سرد شود، حرکت اتمها در آن میزان چشمگیری کاهش پیدا می‌کند.

نظریه BCS، به طور خیلی ساده، بیان می‌کند که شارش الکترونها در یک ماده ابر رسانا به صورت جفت الکترون انجام می‌پذیرد. جفت الکترونها را زوجهای کوپر می‌نامند. عامل جفت شدگی الکترونها فونون  است. هنگامی که یک زوج الکترون در داخل ساختار شبکه ابر رسانا شارش می‌کند، پشت سرش ردپایی بر جای می‌گذارد که این رد پا مسیری خواهد بود برای الکترونهای دیگری که آن را دنبال می‌کنند. بدین ترتیب از برخورد الکترونها با سایر ذراتی که ممکن است سبب مزاحمت در شارش آنها و ایجاد مقاومت (چیزی که در رساناهای معمولی رخ می‌دهد) در داخل شبکه شوند، جلوگیری خواهد شد.

نظریه BCS کاهش فعالیت مولکولی اتمها را در ساختار شبکه ابر رسانا مورد توجه قرار داده و با استفاده از آن در مورد این که الکترونها چگونه می‌توانند بدون تداخل با سایر ذرات شارش داشته باشند. توضیحاتی را ارائه می‌کند. همچنین این نظریه بیان می‌کند که چرا یک ابر رسانا هنگامی که دمای آن بیشتر از دمای بحرانی باشد، توانایی رسانش الکتریکی بدون مقاومت را از دست می‌دهد. بر طبق این نظریه، وقتی دمای یک ماده ابر رسانا به بالاتر از دمای بحرانی اش می‌رسد، ارتعاشهای اتمی در داخل آن ماده تا آن جا افزایش می‌یابد که کل ساختار شبکه به مقدار قابل ملاحظه ای شروع به ارتعاش می‌کند. چنین ارتعاشی، سبب جدایش زوجهای کوپر می‌شود که نتیجه آن به هم خوردن مسیر فونونی و از بین رفتن حالت ابر رسانایی خوهد بود.

بزرگی ارتعاشات شبکه مستقیما به دما بستگی دارد. در دمای صفر مطلق (ok) هیچ گونه ارتعاش اتمی در ماده وجود ندارد و بنابراین کاهش بیشتر دما امکان پذیر نیست. زمانی که دما بالا رود، بزرگی ارتعاشات شبکه به طور پیوسته افزایش پیدا می‌کند. ارتعاشات دمایی یک ماده مبنایی برای جلوگیری حرکت اتمی آن است.

نقطه ذوب یک ماده (مانند یخ) به طور ساده همان دمای گذاری است که در آن ارتعاشات اتمی به اندازه ای زیاد شده‌اند که نیروهای شبکه ای دیگر توانایی نگهداری اتمها را در وضعیتهای مشخص در شبکه ندارند و بنابراین اتمها آزادانه توانایی حرکت می‌یابند. نتیجه این خواهد شد که جسم جامد سختی مثل یخ به مایع یعنی آب تبدیل شود. چنانچه دما باز هم به طور پیوسته افزایش یابد، به دمای گذار دیگری می‌رسیم که در آن حرکت اتمی به اندازه ای زیاد است که نیروهای جاذبه ای بین اتمی موجود در مایع قادر به نگهداری اتمها در کنار یکدیگر نبوده و در این حالت مایع تبدیل به گاز می‌شود.

چون دمای بحرانی ابر رساناهای جدید بسیار بالاتر از صفر مطلق است، چنین به نظر می‌رسد که نظریه BCS نمی تواند به توضیح پدیده  ابر رسانایی در این نوع مواد بپردازد.

دمای بحرانی چنین ابر رساناهایی به اندازه ای بالاست که انتظار کاهش ارتعاشات اتمی، که در موارد ابر رساناهای سنتی اتفاق می‌افتد، وجود ندارد. با وجود این، اغلب نظریه پردازان هنوز معتقدند که جفت شدگی الکترونها در این  مواد به نحوی می‌بایست وجود داشته باشد.

اما یافتن دلیلی برای وجود جفت شدگی الکترونها در ابر رساناهای با دمای بحرانی بالا با مشکل مواجه است. فیزیکدانان تجربی به مواد جدیدی با دماهای بحرانی بالاتر دست یافته اند، به طوری که پیشرفت در این زمینه سریعتر از کاری است که نظریه پردازان برای تشریح پدیده های مربوط به آنها انجام داده اند. نظریه های موجود، جفت شدگی الکترونها را به مکانیسمی اتمی که بسیار قویتر از نقش فونونها در نظریه BCS است، نسبت می‌دهد. چنین نقشی از (اکساتیون)[۲] می‌تواند بر عهده گیرد، اکساتیون که نامی برای انگیختگی الکترونی است، مکانیسمی قویتر نسبت به مکانیسم فونونی است که در دماهای بالا نیز کار ساز است. وقتی ابر رساناهای جدید تا دمای بحرانی سرد می‌شوند، ارتعاشات مربوط به شاختار شکبه به گونه ای همزمان می‌شوند که الکترونها خواهند توانست به راحتی در داخل شبکه حرکت کنند. نظریه های دیگر هم وجود دارد که مکانیسمهای متفاوتی را برای جفت شدگی الکترونها در دماهای بالا پیشنهاد می‌کنند. یکی از این نظریه ها (حرکت دسته جمعی الکترونها) پلاسمون[۳] را عامل جفت شدگی الکترونها می‌داند. در نظریه ای دیگر، مگنونها[۴] را که افت و خیزهای اسپین در حال حرکت در داخل شبکه هستند، سبب پدیده جفت شدگی به حساب می‌آورند. نظریه RVB[5] (پیوند ظرفیت در حال تشدید) بر اساس دافعه الکترون- الکترون پایه گذاری شده است. در این نظریه با توجه به نیروی دافعه بین الکترونها، هر الکترون می‌تواند در داخل شبکه به راحتی حرکت کند.

 

تهیه ابر رسانا

اکنون که ابر رسانا ها از جنبه نظری بررسی شدند، لازم است راجع به این موضوع که مواد ابر رسانایی باید چگونه تهیه شوند تا بتوانند نیازهای مختلف آزمایشگاهی و صنعت را در ارتباط با کاربردهای تجاری آنها بر طرف نمایند، بحث شود. مجددا باید به این نکته توجه داشت که چون ابررساناهای با دمای بحرانی بالا کاملا تکامل نیافته اند، بنابراین در مورد استفاده صنعتی و تجاری آنها بحث زیادی وجود دارد. در حال حاضر عمده کاربردهای تجاری ابر رساناها بر پایه استفاده از ابررساناهای سنتی با دمای بحرانی پایین است.

 

ابر رساناها تجاری

برای این که یک ابر رسانا عملا کاربردهای تجاری داشته باشد. باید محکم، قابل اطمینان و تهیه آن به شکلهای مختلف نسبتا آسان باشد. دو نوع اصلی از ابر رساناهای قابل دسترس تجاری عبارتند از: آلیاژهای شکل پذیر و ترکیبات مربوط به فلزات واسطه ای.

آلیاژهای شکل پذیر به فلزات معمولی شباهت بسیار دارند به طوری که می‌توان آنها را به شکل سیم و کابل در آورده و در ضمن چکش خوار نیز هستند. ترکیبهای بین فلزی شکننده تر بوده و می‌توانند در طول فرآیند ساخت به شکلهای مختلف در آیند، اما انعطاف پذیر نیستند. ابر رساناهای آلیاژی شکل پذیر از ترکیب عناصر نیوبیوم و تیتانیوم تشکیل شده اند. ترکیبهای بین فلزی که شکنندگی بیشتری دارند غالبا ترکیب از عناصر وانادیم وگالیم هستند.

بیشتر ابر رساناها را می‌توان به شکل سیم پیچ به منظور ساخت مولد، موتور و آهن رباهای الکتریکی به کار برد. ابر رساناهای تجاری دارای دمای بحرانی در گسترده k10 هستند. چگالی جریان در آنها در حدود ۲۰۰۰ آمپر بر میل متر مربع است و می‌تواند میدانهای مغناطیسی بسیار قوی ایجاد کنند. در کاربرد ابر رسانایی به عنوان حمل جریان از ابررساناهای تیتانیم- نیوبیوم تجاری یا گالیم- وانادیم استفاده می‌شود.

 

ابر رساناهای آزمایشگاهی

از مدتها قبل چندین پژوهشگر اروپایی تحقیقاتی را در مورد نوع خاصی از یک بلوار که پرووسکایت[۶] نامیده می‌شود، شروع کرده اند. در سال ۱۹۸۶، پژوهشگر به نامهای آلکس مولر و جورج بدنورز آزمایشهایی را در آزمایشگاه تحقیقاتی آی. بی. ام در زوریخ با یک نوع پرووسکایت به انجام رساندند و با کمال تعجب توانستند کشف ترکیب تازه ای از ابررسانا با دمای بحرانی بالاتر را گزارش نمایند. این کار در آزمایشگاههای دیگر هم انجام شد و در زمانی کوتاه مورد تایید قرار گرفت. در اکتبر سال ۱۹۸۷، جایزه نوبل فیزیک به مولر و بدنورز به سبب این کشف اهدا شد.

از آن زمان بسیاری از دانشگاهها و مراکز پژوهشی فعالیتهای خود را در راستای بررسی و کار روی ترکیبات سرامیکی از نوع پرووسکایت به کار گرفتند. دانشمندان با عوض کردن بعضی عناصر و جایگزین کردن آنها با عناصر دیگر و تغییر فرآیند ساخت، توانستند دمای بحرانی را باز هم افزایش دهند. در فوریه سال ۱۹۸۷، گروهی از پژوهشگران دانشگاه هوستون، به سرپرستی دکتر پل چو ماده سرامیکی ابر رسانایی را با دمای بحرانی k94، که بسیار بالاتر از دمای جوش ازت مایع k77 است، تهیه نمودند و برای اولین بار از ازت مایع که نسبتا ارزان است به عنوان عامل سرد کننده استفاده کردند. ساخت ابر رسانای پرووسکایت سرامیکی جدید نسبتا آسان است. چنین ابر رسانایی در هر آزمایشگاه معمولی که دارای تجهیزات نسبتا خوبی باشد قابل تهیه است. گام اول در ساخت این مواد مخلوط کردن و حرارت داده اجزای سازنده آن است. اکسیدهای فلزات ایتریوم (Y) باریم (Ba) و مس (Cu) با اسید سیتریک و الکل اتیلیک ترکیب می‌شوند. مخلوط تا دمای حدود ۱۰۰ درجه فارنهایت حرارت داده می‌شود. سپس مخلوط حرارت داده شده در یک کوره قرار می‌گیرد که دمای آن بالاتر از ۱۵۰۰ درجه فارنهایت است. در نتیجه ترکیب خشک شده و به صورت پودر سیاه بلوری در می‌آید. در مرحله بعد پودر به دست آمده تحت فشار ۲۰۰۰ پوند بر اینچ مربع قرار می‌گیرد. قطعات فشرده حاصل (که معمولا به شکل قرص است) به تدریج در طی چندین ساعت سرد می‌شوند.

پس از ساخت قطعه ابر رسانا آن را در داخل ظرف محتوی ازت مایع قرار داده و مقاومت الکتریکی آن را اندازه می‌گیرند اگر مقاومت الکتریکی صفر باشد.، این نشانه آن است که ماده تهیه شده احتمالا ابر رساناست و چنانچه اثر مایسنر هم دیده شود می‌توان مطمئن بود که ماده حقیقتا ابر رساناست.

اکنون که تهیه مواد ابر رسانا با دمای بحرانی بالا امکان پذیر گردیده، سعی می‌شود که این مواد را به شکلهای قابل استفاده در کاربردهای عملی در آورند. به عبارت دیگر لازم است که این مواد به صورت سیم، نوار و یا اشکال دیگر ساخته شود.

برای ساخت ابر رساناهای لایه نازک از روشی به نام (پلاسما افشانی) استفاده می‌شود. در این روش ابتدا ماده ابر رسانا حرارت داده می‌شود تا در دماهای بسیار بالا تبخیر شده، سپس این بخار بر روی بستری مناسب می‌نشیند و لایه جامد نازک را شکل می‌دهد و پس از آن عملیات بازپخت انجام می‌گیرد.

برای تهیه ابر رساناهای لایه نازک از روشهای فیزیکی و شیمیایی دیگری نیز می‌توان استفاده کرد.

سرمایه گذاری شرکتها در امر پژوهش روی مواد ابر رسانای با دمای بحرانی بالا کاری درست است. اما به هر حال هنوز مسائل و مشکلات زیادی در ارتباط با جایگزینی ابر رساناهای جدید به جای ابر رساناهای سنتی وجود دارد که باید برطرف شوند. به عنوان مثال و در مقایسه با ابر رساناهای سنتی، مواد جدید از انعطاف پذیری کمتری برخوردارند، توانایی تولید میدانهای مغناطیسی بسیار قوی را ندارند و نیز چگالی جریان در آنها کمتر است. با وجود این، اغلب پژوهشگران بر این باورند که در مدت زمانی نه چندان دور، ابر رساناهای جدید جای ابر رساناهای قدیمی را خواهند گرفت.

 

کاربردهای ابر رسانایی

نقش ابر رسانایی در نیروگاهها

یکی از ابتدایی ترین کاربردهای ابر رسانایی در ارتباط با نیروگها برق بوده است. دانشمندان و مهندسان مدتها منتظر روزی بوده‌اند که بتوانند ابر رساناها را، با در نظر گرفتن صرفه اقتصادی، در سیستمهای مولد برق مورد استفاده قرار داده و بدین وسیله سبب افزایش بازده و بهبود توزیع و مصرف برق شوند. این وضعیت کنونی کاربردهای ابر رسانایی در ارتباط با تولدی، ذخیره سازی و مصرف برق را مورد بررسی قرار می‌دهد.

سیستمهای قدرت در برگیرنده کلیه تجهیزات و روشهای تولید الکتریسیته، ذخیره سازی آن برای استفاده های بعدی، توزیع برای مصرف کنندگان و بالاخره وسایل و قطعات الکتریکی مربوط به آنهاست. به کارگیری مواد ابر رسانا در ساخت مولدهای، برق و شبکه توزیع سبب جلوگیری از اتلاف انرژی و کاهش هزینه های مربوطه، در مقایسه با سیستمهای سنتی امروزی، می‌شود. قبل از پرداختن به سیستمهای قدرت ابر رسانا به نکاتی در مورد تولید و توزیع الکتریسیته اشاره می‌شود.

 

تولید برق

چشم انداز کاربرد ابر رسانای در تولید الکتریسیته نوید بخش است. در حال حاضر چندین نوع مولد الکتریکی ابر رسانایی مشغول به کارند. علاوه بر این مولدها، سیستمی که به عنوان مگنتوهیدرودینامیک[۷] شناخته شده است، ممکن است روزی الکتریسیته را از پس مانده حاصل از سوخت زغال سنگ تولید نماید. نخستین مولد الکتریکی که سیم پیچ چرخنده آن از مواد رسانایی تهیه شده، برای اولین بار در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) [8] طراحی و آزمایش شد. به دنبال این موفقیت، پژوهشگران MIT یک مولد الکتریکی ابر رسانایی با توان بالاتری را ساختند.

در سال ۱۹۸۳، دانشمندان و مهندسان شرکت جنرال الکتریک اولین آزمایش کامل را در مورد یک مولد الکتریکی ابر رسانا انجام دادند. این مولد در شرایط مختلف تحت بررسی قرار گرفت و نتایج حاصله از نظر صرفه اقتصادی با مولدهای قدیمی مقایسه گردید. چنین مولدی توانست الکتریسیته لازم را برای جمعیتی در حدود ۲۰۰۰ نفر تامین کند، که تقریبا دو برابر توان حاصل از یک مولد سنتی هم اندازه با آن است. چرخنده این مولد که در ازای آن ۱۳ فوت است تا نزدیکی دمای صفر مطلق سرد می‌شود. با استفاده از ابر رساناها در چنین مولدهایی، می‌توان میدانی بسیار قویتر، نسبت به مولدهای سنتی ایجاد کرد. در نتیجه اندازه مولد ابر رسانایی برای ایجاد توان خروجی مشخص می‌تواند کوچکتر از اندازه مولد سنتی برای تولید همان توان خروجی باشد. مزیت دیگر ابر رساناها این است که مقاومت الکتریکی مربوط به شارش جریان الکتریسیته که در چرخنده مولدهای سنتی وجود دارد، در این جا دیده نمی شود. این مساله بازده کار را افزایش می‌دهد که نهایتا سبب کاهش هزینه های عملیاتی مولدهای بزرگتر می‌شود.

سیم پیچ مولدهای سنتی معمولا از نوعی آلیاژ نقره و مس تهیه می‌شود. سیم پیچ مولد ابر رسانایی شرکت جنرال الکتریک از صدها دور سیم مسی که به آن آلیاژی از نایوبیوم- تیتانیوم اضافه شده، ساخته شده است. نکته اساسی و مهم در ساخت مولدهای ابر رسانی جلوگیری از حرکت سیم پیچهای چرخنده در اثر نیروهای مکانیکی و مغناطیسی جلوگیری از حرکت سیم پیچهای چرخنده در اثر نیروهای مکانیکی و مغناطیسی وارد بر آنهاست. چرخنده با تندی ۳۶۰۰ دور در دقیقه می‌چرخد و هر حرکت کوچک قطعات آن سبب ایجاد گرما می‌شود (در اثر اصطکاک) که این ممکن است عمل سیم پیچهای ابر رسانای را مختل نماید (شکل E).برای غلبه بر این مانع، در مولد ابر رسانای شرکت جنرال الکتریک یک فرآیند اشباع- اپوکسی در خلا طراحی شده است، به طوری که ابر رساناهای نایوبیوم- تیتانیوم به صورتی محکم در جای خود نگه داشته می‌شوند. یک نگهدارنده آلومینیومی برای حفاظت سیم پیچ استفاده می‌شود و سیستمی ویژه برای شارش هلیم مایع در اطراف چرخنده در نظر گرفته شده که سیم پیچها را در دمای بسیار پایین نگه می‌دارد.

در خلال آزمایشها بر روی مولد ابر رسانایی، از انرژی الکتریکی تولید شده توسط خود مولد برای تغذیه موتور الکتریکی که به صورت مکانیکی با آن جفت شده بود استفاده می‌شد. این موتور الکتریکی بخش عمده ای از انرژی مکانیکی مورد نیاز برای چرخانیدن مولد ابر رسانایی را تامین می‌کند. در طول آزمایشها، داده ها از حدود ۷۰۰ حساسگر توسط چندین رایانه دریافت و ثبت می‌گردید (شکل ۱) آزمایشهای انجام شده بر روی مولد ابر رسانای شرکت جنرال الکتریک این مطلب را تایید کرد که فناوری لازم برای ساخت چنین مولدی، که بهتر از مولدهای سنتی کار می‌کند، و جود دارد. البته این مولد قبل از کشف ابر رساناهای گرم و با استفاده از ابر رساناهای با دمای بحرانی پایین (قدیمی) ساخته شده است و در حال حاضر هم طرحی فوری برای ساخت چنین مولدهایی یا به کارگیری ابررساناهای جدید با دمای بحرانی بالا وجود ندارد، زیرا قبل از آن باید آزمایشهای لازم روی آنها انجام شود تا نسبت به کارایی این مودا در عبور جریان الکتریکی مورد نیاز و تولید میدانهای مغناطیسی قوی مطمئن شد.

روش دیگر تولید انرژی الکتریکی، با به کارگیری ابر رساناها، مگنتوهیدرودینامیک (MHD) است. در این روش از ویژگیهای الکتریکی و مغناطیسی گازهای یونیزه شده استفاده می‌شود و مطابق این اصل فیزیکی که اگر ماده ای رسانا در یک میدان مغناطیسی حرکت کند ولتاژی در دو انتهای آن به وجود می‌آید، کار می‌کند. مولد MHD به صورت ترکیبی با سوخت سنتی زغالی در ایالات متحده مورد توجه قرار گرفته است، زیرا در این کشور ذخایر غنی زغال سنگ وجود دارد و از طرفی بازده این روش بالاست. در این روش ، گاز یونیده داغ حاصل از سوخت زغال از یک میدان مغناطیسی قوی عبور می‌کند که در نتیجه ولتاژی در دو انتهای آن ایجاد می‌شود. این ولتاژ می‌تواند برای راه اندازی تجهیزات الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد. ضمنا گازی که از مولد MHD خارج می‌شود به اندازه کافی داغ است به طوری که می‌تواند یک توربین بخار سنتی را به حرکت در می‌آورد.

استفاده از رساناهای سنتی در سیستمهای MHD در عمل مقرون به صرفه نیست، زیرا به همان میزانی که انرژی الکتریکی تولید می‌کنند، مصرف خواهند کرد. با وجود آن که کمکهای مالی دولت برای توسعه روش MHD در سال ۱۹۸۱ در ایالات متحده امریکا متوقف شد، اما هنوز آزمایشهایی، در قالب پروژه، در برخی از مراکز پژوهشی در حال اجراست.

چنین به نظر می‌رسد که بیشترین کاربرد ابر رساناها در ساخت مولدهای الکتریکی به منظور تولید انرژی الکتریکی است. اما استفاده عملی ابر رساناهای جدید برای این کار و ساخت مولدهای الکتریکی از آنها در مقیاس بزرگ ممکن است چند سال طول بکشد. در همین  زمینه می‌توان گفت که پدیده ابر رسانایی قادر است روشهایی را برای ذخیره انرژی الکتریکی ارائه دهد که به اشکال دیگر ناممکن به نظر می‌رسد.

 

کاربرد ابر رساناها در سیستم های ذخیره انرژی

معمولا انرژی الکتریک همزمان با تولید مصرف می‌شود. در حال حاضر روشهای با صرفه ای برای ذخیره سازی مقادیر زیاد الکتریسیته وجود ندارد. بنابراین شرکتهای تولید برق باید پیش بینی درستی از مقدار مصرفی داشته باشند، تا به همان مقدار برق تولید کنند. گاهی اوقات تقاضا برای انرژی بسیار بالاست. به عنوان مثال زمانی که موج هوای گرم وجود دارد و لازم است که دستگاههای تهویه و خنک کننده با تمام توان کار کنند. در زمانهای دیگر تقاضا برای انرژی در حد اعتدال است. به هر حال به منظور مواجهه با چنین مواردی و پاسخ مناسب به انرژی مورد نیاز لازم است بیش از مقدار مصرف برق تولید کنند، که غالبا مازاد انرژی تولید شده باید به روشی مناسب ذخیره گردد.

البته از نظر عملی و هزینه، بسیار مناسب تر است که انرژی در حد ثابت بین مقدار بیشینه و کمینه ای که مورد نیاز است تولید شود، به طوری که وقتی مصرف کنندگان متقاضی انرژی کمتری از این مقدار هستند، مازاد آن به روشی مناسب ذخیره شود و هنگامی که تقاضا برای مصرف بیشتر از این حد باشد انرژی ذخیره شده را بتوان مورد استفاده قرار داد.

در حال حاضر روشهایی برای ذخیره سازی مقادیر زیاد الکتریسیته وجود دارد. باتریها به دلایل مختلف برای ذخیره بالای انرژی مناسب نیستند که هزینه، اندازه، نشت انرژی و نیاز به تجهیزات نگهدارنده از آن جمله اند. روش دیگر برای ذخیره سازی مقادیر زیاد الکتریسیته، استفاده از برق مازاد برای پمپ کردن آب به مخازنی که در ارتفاع بالا قرار دارند می‌باشد. هنگامی که نیاز به انرژی اضافی باشد، آب در مخزن به سمت پایین جاری شده و با چرخاندن توربین، برق تولید می‌شود.

دستگاهی که به نام SMES[9] ذخیره کننده انرژی مغناطیسی ابر رسانایی) شناخته می‌شود ممکن است روزی بتواند برای ذخیره سازی مقادیر زیاد انرژی الکتریکی به کار رود. همان طور که در فصل اول بیان شد فیزیکدانی به نام انس برای نخستین بار پدیده ابر رسانایی را کشف کرد. انس جریان الکتریکی را در ابر رسانایی به شکل حلقه، که در داخل هلیم مایع سرد شده بود، القا کرد. یک سال پس از حذف منبع تغذیه از مدار، او مشاهده کرد جریان الکتریکی بدون هیچ کاهشی در حلقه برقرار بود. چنین ایده ای در مقیاس خیلی بزرگتر و پیچیده تر، اساس SMES را تشکیل می‌دهد. یک سیم پیچ حلقوی ابر رسانای بزرگ، که احتمالا می‌شود آن را در زیر زمینی جای داد، قادر به ذخیره سازی مقادیر زیادی از الکتریسیته برای مدت زمان بسیار طولانی خواهد بود. سیستم SMES می‌تواند به شبکه برق متصل شود. زمانی که تقاضا برای انرژی الکتریکی کم است، الکتریسیته اضافی در SMES ذخیره شده و هنگامی که تقاضا بالا رود الکتریسیته ذخیره شده در SMES در شبکه جاری می‌شود.

در مقیاس کوچکتر و مشابه با باتری، SMES، می‌تواند با ذخیره الکتریسیته برای مقاصد مختلف ساخته شود، که بسیار شبیه باتری عمل می‌کند. به هر حال طرحهای بسیاری در این زمینه توسط مهندسان در دست اجراست که هنوز کامل نشده و برای دست یابی به اهداف نهایی راه دشواری در پیش است.

 

نقش ابر رساناها در توزیع انرژی

الکتریسیته تولید شده باید به صورتی مطلوب به مصرف کنندگان برسد. این عمل به کمک یک رشته خطوط انتقال انجام می‌شود که الکتریسیته را از نیروگاه به محل هر متقاضی می‌رساند در سیستمهای امروزی توزیع قدرت، ۱۰ تا ۲۰ درصد انرژی الکتریکی در خلال انتقال هدر می‌رود که این به سبب وجود مقاومت الکتریکی در کابلهای رسانای انتقال است.

با جایگزینی کابلهای ابر رسانا به جای کابلهای رسانای سنتی در شبکه توزیع، اتلاف انرژی به میزان بسیار زیادی کاهش خواهد یافت طرحهای پژوهشی بسیاری در سرتاسر دنیا برای امکان دست یابی به استفاده از خطوط توزیع ابر رسانایی در حال اجراست. جایگزینی کامل ابر رسانایی به جای ابر رسانای سنتی، از نظر اقتصادی، زمانی امکان پذیر و مقرون به صرفه است که بتوان کل انرژی را تنها از طریق یک خط انتقال به منطقه مورد نظر ارسال کرد  باید به این نکته توجه داشت که عملا هزینه های مربوط به سرد کردن خطوط انتقال ابر رساناهای دمای بحرانی پایین به این علت که باید از هلیم مایع در فواصل طولانی استفاده شود، زیاد است و مقرون به صرفه نخواهد بود. به هر حال قبل از هرگونه جایگزینی بهتر است با توجه به کل اتلاف انرژی در کابلهای سنتی، این موضوع از نظر اقتصادی دقیقا بررسی شود. از طرفی انتقال برق به یک ناحیه تنها توسط یک خط نیز عملی با ضریب اطمینان پایین است که باید در نظر گرفته شود. اگر چه هزینه های مربوط به کاربرد ابر رساناهای جدید در دمای بحرانی بالا ظاهرا بسیار کمتر از ابر رساناهای سنتی است، اما هنوز مشکلاتی بر سر راه وجود دارد که مهمترین آنها یکی شکنندگی و انعطاف ناپذیری این مواد و دیگر محدودیت چگالی شارش جریان الکتریکی در آنهاست. به هر صورت این مطلب که در آینده نزدیک عمده جریان توسط خطوط توزیع تهیه شده از مواد ابر رسانای انجام خواهد گرفت، محل تردید است.

برخی ملاحظات اقتصادی وجود دارد که جایگزینی خطوط جریان با استفاده از مواد ابر رسانایی را با مشکل مواجه می‌سازد. تجهیزات سرد کننده به منظور پایین آوردن دمای خطوط انتقال به میزان لازم نیاز به انرژی دارد. علاوه بر این، انجام چنین کاری به زمان نسبتا طولانی، کار وهزینه کردن منابع مالی زیادی نیاز دارد. البته دست یابی به یک ابر رسانای با دمای بحرانی به حد کافی بالا می‌تواند جنبه اقتصادی مساله را تغییر دهد.

با اطمینان میتوان گفت که در نهایت سودهی و مزیت به کار گیری مواد ابر رسانا، در سیستمهای توزیع قدرت مشخص خواهد شد. یک کابل زمینی ابر رسانا می‌تواند جریان بیشماری را با هزینه کمتر، نسبت به کابلهای هوایی معمول انتقال دهد.

 

مصرف انرژی

مزیتهای استفاده از ابر رساناها تنها در تولید، ذخیره و توزیع انرژی خلاصه نمی شود. نهایتا ابر رسانایی در ساخت وسایل و قطعات خانگی و الکتریکی و … به کار گرفته خواهد شد. وسایلی از قبیل ماشینهای لباس شویی، ماشینهای ظرف شویی و دمنده ها روزی نه چندان دور توسط موتورهای الکتریکی ابر رسانا که انرژی کمتری مصرف کرده و نیز اندازه آنها کوچکتر است کار خواهند کرد.

 

ابر رسانایی و صنعت الکترونیک

امروزه نقش و اهمیت صنعت الکترونیک و تحولی که در زندگی انسانها به وجود آورده بر کسی پوشیده نیست. به عنوان مثال رایانه وسیله ای الکترونیکی است که در همه جا مورد استفاده قرار می‌گیرد. این وسیله در اندازه و شکلهای مختلف در اداره های دولتی، سازمانها و شرکتهای خصوصی، دانشگاهها و مدارس، مراکز تحقیقاتی و حتی در داخل اتومبیل و ساعت مچی به کار گرفته می‌شود. در ساخت رایانه و دیگر وسایل الکترونیکی نظیر تلویزیون و دستگاههای صوتی از دو فناوری مهم استفاده شده است: یکی تزانزیستور و دیگر مدارهای مجتمع (ICS). با بهره گیری از این فناوریها، مهندسان توانسته‌اند وسایل الکترونیکی  بسیار پیچیده در اندازه های کوچک را با هزینه های نسبتا پایین طراحی و تولید نمایند.

این مطلب مورد تایید قرار گرفته است که ابر رسانایی به عنوان یک فناوری جددی می‌تواند در توسعه هر چه بیشتر صنعت الکترونیک نقش مهمی داشته باشد. ابر رسانایی همراه با ترانزیستور و مدارهای مجتمع خواهد توانست تحولی شگرف در این زمینه پدید آورد.کاربردهای ابر رسانایی را در الکترونیک، در زمان حال و آینده،  را بررسی خواهیم کرد.

نقش ابر رسانایی

ابر رسانایی از توانایی بسیار بالایی در توسعه صنعت الکترونیک برخوردار است و امروزه به کارگیری ابر ساناها در این زمینه به میزان چشمگیری موفقیت آمیز بوده است. برخی از این کاربردها در فصل بعد که عنوان آن (کاربرد ابر رسانایی در علوم پزشکی) است آورده شده است. با وجود این هنوز مشکلات زیادی در ارتباط با کاربرد ابر رساناها در صنعت الکترونیک وجود دارد که باید بر طرف شود، به ویژه اگر قرار باشد از ابر رساناهای جدید با دمای بحرانی بالا استفاده شود. در بخشهای بعدی این فصل چند مورد از کاربرد ابر رسانایی در الکترونیک بررسی می‌شود.

 

استفاده از مواد ابر رسانایی در ساخت اتصالات داخلی

هر چه قطعات موجود در یک مدار مجتمع به یکدیگر نزدیکتر باشند، زمان لازم برای انتقال علامتهای الکتریکی از یک قطعه به قطعه ای دیگر کمتر می‌شود که این سبب عمل سریعتر اجزای مدار می‌گردد. به هر حال اگر چه مدارهای مجتمع کنونی دارای زمان عمل بسیار کوتاهی هستند اما این خود مشکل دیگری را پیش می‌آورد. در حال زمان عمل بسیاری کوتاهی هستند اما این خود مشکل دیگری را پیش می‌آورد. در حال حاضر اجزای مدارهای مجتمع توانایی عملکرد سریعتری، نسبت به اتصالاتی ک عبور علامتهای الکترونیکی را در مدار امکان پذیر می‌سازند، دارند.

ابر رسانا ممکن است به صورت ماده ای ایده آل در ساخت اتصالات داخلی به کار روند. از آن جا که ابر رساناها می‌توانند الکتریسیته را بدون هیچ مقاومتی عبور دهند، به میزان قابل ملاحظه ای سبب کاهش اتلاف انرژی به صورت حرارت در مدارهای مجتمع و ترانزیستورها می‌شوند. مواد ابر رسانا ممکن است مزیتهای دیگری هم داشته باشند. به عنوان مثال حذف مشکلات مربوط به تداخل میدان مغناطیسی در مدارهای مجتمع از آن جمله است، زیرا این مواد میدانهای مغناطیسی خارجی را طرد می‌کنند با استفاده از اتصالات داخلی ابر رسانایی اجزای یک مدار می‌توانند نزدکتر به یکدیگر بسته شوند و در نتیجه می‌توان قطعات الکترونیکی بیشتری را در یک مدار مجتمع منفرد گنجاند.

پیشرفتهای اخیر در ساخت ابر رساناهای با دمای گذار بالا، سبب شده است که مدارهای مجمتمع ابررسانایی مورد توجه قرار گیرند. با کاهش میزان سرمای لازم، ساخت چنین مدارهایی عملی آسانتر خواهد بود. سرد کردن ابر رسانایی سنتی مورد استفاده در مدارهای مجتمع تا دماهای نزدیک صفر مطلق غالبا اثر نامطلوبی بر عملکرد این مواد دارد.

مشکل عمده ای که بر سر راه استفاده از ابر رساناهای جدید با دمای گذار بالا، وجود دارد. پایین بودن چگالی جریان الکتریکی در آنهاست. در مدارهای مجتمع، نیاز به جریانهایی با چگالی ۱۰۰۰۰۰ آمپر بر سانتی متر مربع تا ۱۰۰۰۰۰۰ آمپر بر سانتی متر مربع داریم. در حال حاضر، مواد ابر رسانایی با دمای گذار بالایی که بتوانند چنین گسترده ای از چگالی را دارا باشند، در اختیار نداریم.

استفاده از ابر رسانا در مدارهای IC مزیتهای بسیاری دارد. با توجه به عدم اتلاف انرژی الکتریکی به شکل گرما و طرد میدانهای مغناطیسی خارجی و جلوگیری از تداخل چنین میدانهایی، می‌توان مدارهایی به صورت تنگ پکیده ساخت، که عملکرد سریعتر قطعات را در پی دارد. مزیت دیگر به کارگیری این مواد آن است که می‌توان وسایل الکترونیکی با اندازه های به مراتب کوچکتر را تولید کرد.

 

کاربردهای ابر رسانایی در علوم و پزشکی

در حال حاضر کاربردهای ابر رسانایی عمدتا در زمینه های علوم و پزشکی است از نظر تاریخی، علوم پایه اولین استفاده کننده فناوری ابر رسانایی بوده است. قطعاتی که تاکنون ساخته شده‌اند به طور چشمگیری در ارتقای سطح دانش و مفاهیم علمی موثر بوده‌اند و چنین به نظر می‌رسد که با تهیه قطعات جدید و پیشرفته تر این افق علمی بازتر و روش تر خواهد شد.

همین اواخر، ابر رسانایی پدیده ای فراموش شده بوده است که تنها در برخی آزمایشگاهها و تاحدی در برنامه های پژوهشی روی آن کار می‌شد. با وجود این، در دو دهه گذشته این پدیده تا حدودی در ارتباط با صنعت و تجارت مورد توجه قرار گرفت و به ویژه توانسته است کارایی خود را در زمینه پزشکی و بهداشت نشان دهد. در این فصل بسیاری از کاربردهای ابررسانایی در علوم و پزشکی مورد بررسی قرار می‌گیرد.

در حوزه علوم، ابر رسانایی در زمینه های پژوهشهای نظری و کاربردی و نیز در تهیه وسایل و ابزار آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد. کاربردهای ابررسانایی تنها به یک زمینه محدود نمی شود، بلکه وسایلی که بر اساس فناوری ابر رسانایی کار می‌کنند، در شاخه های مختلف علمی و صنعتی به کار گرفته می‌شوند. این پدیده به جهان پزشکی هم راه یافته است، به طوری که با استفاده از فناوری ابر رسانایی دانشمندان به روشهای تازه تر و مطمئن تری در ارتباط با تشخیص و معالجه بیماران دست یافته اند.

 

کاربرد ابررسانایی در خودروها و کشتیهای الکتریکی

به کارگیری ابر رساناها در ساخت خودروهای الکتریکی نیز اخیرا مورد توجه قرار گرفته است. در طول دهه ۱۹۷۰ میلادی با کاهش عرضه بنزین پژوهشگران تلاش زیادی را برای تولید خودروهای الکتریکی آغاز کردند و نمونه هایی از این گونه خودروها ساخته شد که در آنها از باتریهای بزرگی برای ذخیره انرژی الکتریکی استفاده می‌شد. به هر حال نه تنها برد مسافت برای چنین خودروهایی کم است بلکه سرعت حرکت آنها نیز پایین می‌باشد. اگر امکان ساخت خودروهای الکتریکی با به کارگیری ابر رساناهای جدید فراهم شود (به شرطی که نیاز به سیستمهای خنک کننده حجیم و پرهزینه نباشد) می‌توان انتظار داشت که مجددا شاهد حرکت این چنین خودروهایی در سطح خیابانها و جاده ها باشیم. مزیت خودروهای الکتریکی ابر رسانایی در این است که اتلاف انرژی الکتریکی در آنها خیلی کم بوده و در نتیجه باتری ذخیره انرژی در آنها خیلی زود خالی نمی شود. بنابراین می‌توانند مسافتهای بیشتری را، بدون نیاز به پر کردن مجدد باتری، طی کنند و علاوه بر آن سرعت حرکت نیز بسیار بالاتر خواهد بود. حتی می‌توان با به کار گیری ابر رساناها، به جای باتریهای حجیم از باتریهای بسیار کوچکتری که در واقع ذخیره کننده انژی مغناطیسی ابررسانایی هستند استفاده کرد. چنین باتریهایی که SMES نام دارند قبلا در فصل سوم بررسی شد. در چنین سیستمی انرژی الکتریکی در یک حلقه ابر رسانایی ذخیره می‌شود. اخیرا شرکت خودروسازی فورد در ارتباط با ساخت خودروهایی که از چنین سیستمی استفاده می‌کنند تلاش وسیعی را آغاز کرده است. موتورهای الکتریکی ابررسانایی در شاخه های دیگر ترابری و حمل و نقل هم می‌توانند کاربرد داشته باشند. به عنوان مثال موتوری با نصف یا ثلث اندازه موتورهای معمولی ممکن است به زودی برای به حرکت در آوردن کشتیها در اقیانوسها به کار گرفته شود استفاده از چنین موتورهایی در زیر دریاییها نیز دور از انتظار نخواهد بود.

 

کاربرد ابر رسانایی در صنایع نظامی

در حالیکه بیشترین توجه به پدیده ابر رسانایی بر جنبه های فناوری و تجاری آن متمرکز است، تلاشهای بسیار چشمگیری در ارتباط با امکان به کارگیری ابررساناهای با دمای گذار بالا در ساخت وسایل نظامی نیز شروع شده است. بودجه های بالایی صرف سرمایه گذاری در کاربردهای نظامی این مواد شده است. به عنوان مثال در سال ۱۹۹۰ وزارت دفاع امریکا متجاوز از ۱۵۰ میلیون دلار در این راه هزینه کرده است.

عمده این بودجه در ارتباط با کاربردهای عملی ابر رساناهای با دمای گذار بالا مصرف شده است. در حال حاضر جنبه های مختلفی از کاربرد نظامی مواد ابر رسانایی درست مطالعه است که در این فصل به بررسی برخی از آنها می‌پردازیم. اغلب کاربردهای نظامی مفاهیم و اصول بیان شده در فصلهای قبلی را شامل می‌شود.

 

موتورهای ابر رسانایی

موتورهایی الکتریکی ابر رسانایی دارای توانایی بالقوه ای از دیدگاه کاربردهای نظامی هستند. آنها برای استفاده در کشتیها و زیر دریاییهای جنگلی ایده آل خواهند بود. طراحی نسبتا ساده آنها سبب حذف تعداد زیادی از قطعاتی که در موتورهای معمولی به کار گرفته شده است. می‌گردد. موتورهای ابر رسانایی که با استفاده از مواد با دمای گذار پایین (ابر رساناهای سنتی) ساخته شده اند، در کشتیهای کوچک مورد آزمایش قرار گرفته اند. امکان ساخت موتورهای بسیار قویتر با استفاده از ابررساناهای جدید به منظور استفاده در کشتیهای بزرگتر وجود دارد.

نیروهای دریایی به ویژه علاقه مند به استفاده از موتورهای ابر رسانایی در زیر دریاییها هستند. این زیر دریاییها می‌توانند با سرعت بیشتری حرکت کنند و علاوه بر این چنین موتورهایی در مقایسه با موتورهای معمولی فضای کمتری اشغال می‌کنند. در نتیجه امکان حمل و تجهیزات و سلاحهای بیشتری توسط آنها میسر می‌گردد. با توجه به این که موتورهای ابر رسانایی نسبت به موتورهای معمولی بسیار کم صدا هستند، بنابراین ردیابی و تعیین محل زیر دریایی به مراتب مشکل تر خواهد بود.

 

تفنگهای ریلی ابر رسانایی

تفنگهای ریلی بسیار شبیه پرتاب کننده های جرم هستند که در فصل پنجم به آن اشاره شد. این تفنگها همانند توپ برای شتاب دادن به پرتابه ها و رساندن آنها به سرعتهای خیلی بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. با استفاده از این وسیله و انتخاب زاویه مناسب پرتاب می‌توان جسم را به سمت هدف پرتاب کرد.

طرز کار تفنگهای ریلی نسبتا ساده است. با استفاده از حلقه آهن ربای مغناطیسی ابررسانایی به جسم شتاب زیادی داده می‌شود. اگر پرتابه فلزی نباشد، آن را در یک محفظه مغناطیسی ته باز قرار می‌دهند. محفظه در امتداد مسیر با شتاب زیادی به حرکت در می‌آید و سپس ناگهان متوقف می‌شود. این کار سبب پرتاب جسم می‌گردد.

اخیرا برای استفاه از تفنگهای ریلی در تانک، به جای توپ، تلاشهایی به عمل آمده است. این وسیله می‌تواند در کشتیهای جنگی به منظور انهدام گلوله های ضد کشتی به کار گرفته شود.

 

تفنگهای لیزری

در ارتباط با ساخت سلاحهای جنگی، تفنگها و توپهای لیزری از اهمیت زیادی برخوردارند. استفاده از مواد ابررسانایی در تهیه چنین وسایلی کاربرد عملی آنها را به میزان زیادی افزایش داده است. لیزرهای قوی نیاز به انرژیهای بالا، در زمانی بسیار کوتاه، دارند. مولدهای ابر رسانایی امکان به کارگیری روش علمی برای تولید برق و ذخیره سازی آن در سیستم SMES (ذخیره کننده انرژی مغناطیسی ابررسانایی) را دارند. در چنین سیستمهایی، سیم پیچهای ابر رسانایی بزرگ که در زیر زمین جای داده می‌شوند، می‌توانند مقادیر زیادی از انرژی الکتریکی را ذخیره کنند. این انرژی ذخیره شده در هر زمان که لازم باشد مورد استفاده قرار می‌گیرد. چنانچه مولدهای ابر رسانایی و سیستمهای SMES، تا حد مورد قبولی بهینه سازی شوند، امکان استفاده از سیستمهای لیزری قابل حمل در کشتیها و هواپیما وجود خواهد داشت.

 

حساسگرهای ابررسانایی

نقش حساسگرها در سیستمهای دفاعی امروزی بسیار چشمگیر است و چنین به نظر می‌رسد که حتی در آینده موثر تر پیدا خواهد کرد. حساسگرهایی که در روی زمین، کشتیها، هواپیما و ماهواره ها جاسازی می‌شوند قادرند که رخدادهای جهانی را دیده بانی کنند. با به کارگیری فناوری الکترونیکی ابر رسانایی انتظار می‌رود که حساسگرهایی با حساسیت خیلی بالا ساخته شوند. چنین حساسگرهایی قادر به دیده بانی مناطق بسیار وسیع تری خواهند بود

 

منبع:

danesh.roshd.ir(1

daneshju-club.com(2

fa.wikipedia.org(3