تاريخچه ساخت ابررساناها

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: پژوهش براي بررسي تغيير مقاومت الكتريكي اجسام در دماهاي پائين براي نخستين بار توسط دانشمند اسكاتلندي جيمز دئِور در اواسط قرن نوزدهم آغاز شد. در سال 1864، دو دانشمند لهستاني به نامهاي زيگموند روبلوفسكي و كارل اولزفسكي كه روشي براي براي مايع ساختن اكسيژن و نيتروژن، يافته بودند، به بررسي خواص فيزيكي عناصر و ازجمله مقاومت الكتريكي در دماهاي خيلي كم ادامه دادند و پيش.بيني نمودند مقاومت الكتريكي در دماهاي كم به شدت كاهش مي.يابد. روبلوفسكي و اولزفسكي نتايج فعاليت خود را در سال 1880 منتشر ساختند. بعد از آن دِئور و فلمينگ نيز پيش.بيني .خود را مبني بر الكترومغناطيس شدن كامل فلزات خالص در دماي صفر مطلق بيان داشتند. البته دئور بعدها تئوري خود را اصلاح و اعلام داشت مقاومت اينگونه فلزات در دماي مورد اشاره به صفر نمي.رسد اما مقدار بسيار كمي خواهد بود. والتر نرست نيز با بيان قانون سوم ترموديناميك بيان داشت كه صفر مطلق دست.نيافتني است. كارل ليند و ويليام همپسون آلماني در همين زمانها روش خنك.سازي و مايع ساختن گازها با افزايش فشار را به ثبت رساندند.

در سال 1900، نيكلا تسلا كه با سيستم خنك.سازي ليند كار مي.كرد، پديده تقويت سيگنالهاي الكتريكي را با سرد شدن اجسام كه درنتيجه كاهش مقاومت آنها بود، مشاهده و به ثبت رساند. سرانجام خاصيت ابررسانايي توسط پروفسور هلندي، كمرلينک اونز، در سال 1911 و زماني.كه وي سرگرم آزمايش تئوري دئور بود، در دانشگاه ليدن مشاهده شد. اونز دريافت که اگر جيوه در هليم مايع يعني حدود 2/4 درجه كلوين قرار گيرد، مقاومت الکتريکي آن از بين مي.رود. سپس يك حلقه سربي را در دماي 7 درجه كلوين ابررسانا نمود و قوانين فارادي را بر روي آن آزمايش كرد و مشاهده نمود وقتي با تغيير شار در حلقه جريان القايي توليد شود، حلقه سربي بر عكس رساناهاي ديگر رفتار مي.نمايد. يعني بعد از قطع ميدان تا زماني.كه در حالت ابر رسانايي قرار دارد، جريان الكتريكي را تا مدت زيادي حفظ مي.كند. به عبارت ديگر بعد از به وجود آمدن جريان الكتريكي ناشي از ميدان مغناطيسي در يك سيم ابررسانا، سيم حتي بدون ميدان خارجي يا مولد الكتريكي نيز مي.تواند حامل جريان باشد. اونز اين رخداد را در آزمايشگاه دانشگاه ليدن با ايجاد جريان ابررسانايي در يک سيم.پيچ و سپس حمل سيم.پيچ همراه با سرد کننده.اي که آن را سرد نگه مي.داشت به دانشگاه کمبريج به عموم نشان داد. يافته اونز منجر به اعطاي جايزه نوبل فيزيك در سال 1913 به وي شد.
اونز همچنين متوجه شد براي هر يك از مواد ابررسانا، دمايي به نام دماي بحراني وجود دارد كه وقتي ماده از اين دما سردتر شود، جسم ابررسانا مي.گردد و در دماهاي بالاتر از اين دما، جسم داراي مقاومت الکتريکي است. دماي بحراني عناصر مختلف متفاوت است. مثلا" دماي بحراني جيوه حدود 5 درجه كلوين، سرب 9 درجه كلوين و نيوبيوم 2/9 درجه كلوين مي.باشد و براي بعضي آلياژها و تركيبات مانند Nb3Sn و Nb3Ge دماي بحراني به 18 و 23 درجه كلوين نيز مي.رسد. البته فلزات رسانايي مانند طلا، نقره و حتي مس نيز هستند كه تلاش براي رساندن مقاومت ويژه.شان به صفر بي نتيجه مانده است و مشخص نيست اگر به صفر مطلق برسند مقاومت آنها چقدر خواهد بود. رسانيدن دماي ابررساناهاي متعارف به اين دما نيازمند وجود هليم مايع مي.باشد كه بسيار پرهزينه، خطرناك و مشکل است. لذا از همان ابتدا تلاش براي توليد ابررساناهايي با دماي بحراني بالاتر شروع شد و محققان در تلاشند مواد ابررسانايي با دماي بحراني بالاتر پيدا كنند.
از كشف ابررسانايي در سال 1911 تاكنون، هيچ نظريه فيزيكي جامعي نتوانسته است به بيان دقيق علت خاصيت ابررسانايي بپردازد. در سال 1957 سه فيزيكدان آمريكايي به نام.هاي باردين، كوپر و شريفر در دانشگاه ايلي.نويز نظريه.اي براي توجيه پديده ابررسانايي در ابررساناهاي متعارف ارائه دادند كه با نام آنها به نظريه BCS معروف گرديد. براساس اين نظريه در ابررساناهاي معمولي، الكترونهايي كه در رسانايي جريان نقش دارند، جفت.هايي تشكيل مي.دهند و متقابلاً با عواملي كه باعث مقاومت الكتريكي مي.شوند، مقابله مي.كنند. ابداع تئوري BCS نيز براي سه دانشمند آمريكايي جايزه توبل 1972 را به ارمغان آورد. اين.كه 4۶ سال طول کشيد تا توجيهي براي پديده ابررسانايي يافت شود، دلايلي داشت. دليل اول اين.كه جامعة فيزيک تا حدود بيست سال مباني علمي لازم براي ارائه راه حل مسئله را كه تئوري کوانتوم فلزات معمولي بود نداشت. دوم اين.که تا سال ۱۹۳۴ هيچ آزمايش اساسي در اين زمينه انجام نشد. سوم اينکه وقتي مباني علمي لازم بدست آمد، به زودي مشخص شد انرژي مشخصه وابسته به تشکيل ابررسانايي بسيار کوچک يعني حدود يک مليونيم انرژي الکتريکي مشخصة حالت عادي است. بنابراين نظريه پردازان توجه.شان را به توسعة يک تفسير رويدادي از جريان ابررسانايي جلب کردند. اين مسير توسط فريتز لاندن رهبري مي.شد. وي در سال ۱۹۵۳ به نکتة زير اشاره کرد:. "ابررسانايي پديده.اي کوانتومي در مقياس ماکروسکوپي است و با جداسازي حالت حداقل انرژي از حالات تحريک شده بوسيلة وقفه هاي زماني رخ مي.دهد." به علاوه وي بيان داشت كه ديامغناطيس شدن ابررساناها يک مشخصه بنيادي است. تئوري BCS در توضيح و تفسير رويدادهاي ابررسانايي موجود و هم چنين در پيشگويي رويدادهاي جديد نسبتاً موفق بود. در ژوئيه 1959، در اولين کنفرانس بزرگي كه بعد از ارائه ي نظريه ي BCS با موضوع با ابررسانايي در دانشگاه کمبريج برگزار شد، ديويد شوئنبرگ كنفرانس را با اين جمله آغاز کرد: «حالا بايد ببينيم تا چه حد مشاهدات با حقايق نظري جور در مي.آيند ...؟»
کمي بعد از انتشار نتايج اولية تئوري BCS، در تابستان سال 1957 سه دانشمند دانماركي به نامهاي آگ بور، بن موتلسون و ديويد پاينز، در کپنهاگ نشان دادند که نوترونها و پروتونهاي موجود در هسته اتم به خاطر جذب دوسويه شان جفت مي.شوند و بدينوسيله توانستند معماي قديمي پديدة هسته.اي را توجيه نمايند. در همين زمان يوشيرو نامبونيز در شيکاگو دريافت که ترتيب جفت شدن BCS براي پديده.هاي انرژي بالا در فيزيک ذرات ابتدائي نيز صحت دارد. بايد گفت در اثر ارائه تئوري BCS بود كه پژوهشگران فلزات ابررساني جديدي را معرفي کردند و مشتاقانه به دنبال موادي گشتند که در دماهاي نسبتاً بالاتر از 20 کلوين ابررسانا مي.شوند. بعد از ارائه تئوري BCS، دو آلياژ جديد نيز معرفي شدند. يكي مواد الکترون سنگين مانند CeCu2Si2، UPt3 و UBe13 که به عنوان ابررساناهايي در دماهاي حدود يک کلوين توسط فرانك استگليش در آلمان و زاچاري فيسك، جيم اسميت و هانس اوت در آمريكا شناخته شدند و ديگري فلزات آلي تقريبا دو بعدي با دماي بحراني حدود ده درجه کلوين كه در پاريس توسط دانيل ژرومه کشف شد. باوجود تلاش.هاي زياد بند ماتيوس که حدود صد ماده ابررسانا را کشف کرد، هنوز حد بالايي براي دماي مواد ابررسانا وجود داشت. دمايي که از مکانيسم به کار رفته براي ابررسانايي يعني تعامل فونون القائي ناشي مي.شد. چنانكه نور كوانتومي را فوتون مي.نامند، اصوات كوانتومي را نيز فونون ناميده.اند.
در سال 1962 جوزفسون انگليسي در 22 سالگي آزمايشاتي روي جفت الكترونهاي كوپر انجام داد كه منجر به مشاهده و اعلام پديده.اي شد كه خاصيت تونل.زني يا اثر جوزفسون نام گرفت. بر اساس اثر جوزفسون، درصورتيكه دو قطعه ابررسانا توسط يك عايق بسيار نازك (حدود يك نانومتر) به يكديگر متصل شوند، جفت الكترونهاي كوپر مي.توانند از عايق عبور نمايند. مقدار جريان الكتريكي ايجاد شده به ولتاژ اتصال و ميدان مغناطيسي وابسته است. ارائه تئوري مزبور براي جوزفسون و دو دانشمند ديگر يعني لئو ايزاكي و ايوار گياور كه فعاليتهاي مشابهي در بررسي پديده تونل زني داشتند جايزه نوبل 1973 را به ارمغان آورد.
حدود 70 سال پيشرفتهاي انجام شده براي افزايش دماي بحراني به كندي انجام گرفت. از سال 1911 تا سال 1973 يعني حدود 62 سال دانشمندان تنها توانستند دماي بحراني را از 4 درجه به 3/23 درجه كلوين كه كمي بيشتر 3/20 كلوين يعني دماي ئيدروژن مايع است برسانند اما كار با ئيدروژن مايع نيز پرهزينه، مشكل.آفرين و خطرساز بود و كاربردهاي ابررسانا را محدود مي.ساخت. در سالهاي بعد علاوه بر فلزات و آلياژهاي فلزي، فعاليتهايي در زمينه تركيبات نيمه.فلزي توسط برخي دانشمندان آغاز شد اما هنوز ماده.اي ديگري به جز فلزات و آلياژها يافته نشده بود كه بتواند در دماهاي مورد انتظار ابررسانا باشد. سرانجام در 27 ژانويه سال 1986 جرج بدنورز و آلكس مولر در مؤسسه تحقيقاتي IBM شهر زوريخ سوئيس موفق به كشف پديدة ابررسانايي در سراميكي از نوع اكسيد مس و شامل لانتانوم و باريوم شدند. دماي بحراني نمونه ساخته شده، حدود 35 درجه كلوين بود و آنها نيز به خاطر كشف ابررساناهاي دمابالا (HTS) موفق به دريافت جايزة نوبل در سال 1987 شدند. طي مدت زمان كوتاهي پس از كشف ابررسانايي دما بالا، دسترسي به دماهاي بحراني بالاتر به سرعت توسعه يافت. يک ماه بعد از كشف بدنورز و مولر، تاناكا و همکاران وي در توکيو نتايج آنها را تأييد نمودند و نتايج فعاليت آنها در يکي از نشريات ژاپني به چاپ رسيد. اندكي بعد از كشف اكسيد مس حاوي باريوم و لانتانوم، در نتيجه همکاري پاول چو از دانشگاه هوستون و مانگ كنگ وو از دانشگاه آلاباما، عضو جديدي از خانواده مواد ابررساناهاي دما بالا با جايگزيني ايتريوم Y به جاي لانتانوم كشف شد. اين ماده سراميكي كه دماي بحراني آن به 92 درجه كلوين مي.رسيد، به YBCO معروف شد. با توجه به نقطه جوش نيتروژن كه 77 درجه كلوين در فشار يك اتمسفر است، براي سرد شدن اين ابررسانا تا دماي بحراني استفاده از نيتروژن مايع هم امكانپذير بود كه بسيار ارزان.تر و بي.خطرتر از ئيدروژن و هليم مايع بود. بنابراين فقط در طي يک سال از کشف اصلي، دماي انتقال به حالت ابررسانايي افزايش سه برابر داشت و واضح بود که انقلاب ابررساناها شروع شده است. براي پاسداشت تحول مهمي كه در علم فيزيك واقع شده بود، توسط انجمن فيزيکدانان آمريکايي در بعدازظهر يکي از روزهاي مارس 1987 جشني هم در نيويورک برگزار شد. اين جشن 3000 شرکت کننده داشت و حدود 3000 نفر نيز اين جشن را از طريق تلويزيون مدار بسته در خارج از محل اصلي تماشا کردند. در طول شش سال بعد، چند خانواده ديگر از ابررساناها کشف شدند که شامل تركيبات شامل توليوم (Tl) و جيوه (Hg) بوده و داراي حداکثر دماي بحراني بيشتر از 120 درجه کلوين بودند. بالاترين مقدار تأييد شده دماي بحراني در فشار معمولي يك اتمسفر، 135 درجه كلوين و متعلق به HgBa2Ca2Cu3O8 مي.باشد. به صورت تجربي معلوم شده است اگر ماده ابررسانا به صورت مكانيكي تحت فشار قرار گيرد، دماي بحراني ابررسانا كمي تغيير مي.كند. در سال 1993، دماي بحراني 165 درجه كلوين (108- درجه سانتيگراد) نيز در تركيبي از اكسيد مس و جيوه و البته تحت فشارهاي خيلي بالا گزارش شد. همگي ابررساناهاي مورد اشاره يک ويژگي مشترك داشتند. وجود سطوح تراز شامل اتمهاي اكسيژن و مس که با مواد حامل بار براي سطوح تراز از يكديگر جدا مي.شوند. با توجه به كاربردهاي مختلف ابررساناها، بسياري از تلاشها بر افزايش دماي عملكرد ابررساناها تا دستيابي به دماي اتاق متمركز شده است.
هر چند دماي بحراني تركيبات جديد سراميكي در حد قابل توجهي از دماي بحراني مواد ابررساناي متعارف (فلزات و آلياژها) بزرگتر است، به دليل خصوصيات فيزيكي اين مواد مانند شكنندگي و پايين بودن چگالي و جريان بحراني كاربردهاي اين مواد هنوز در مرحله.ي تحقيق است. اخيراً سعيد سلطانيان به همراه يك گروه علمي به سرپرستي پروفسور شي زو دو در دانشگاه ولونگونگ استراليا ابررسانايي ساخته.اند كه بالاترين ركورد را از نظر خواص مكانيكي در ميان ابررسانا دارد. اين ابررسانا به شكل سيم يا نواري از جنس دي بريد منيزيم (MgB2) با پوششي از آهن است و امكان انعطاف براي ساخت تجهيزات مختلف الكتريكي را داراست.
ابررساناهاي جديد عموماً سراميكي و اكسيدهاي فلزي ورقه ورقه هستند که در دماي اتاق مواد نسبتاً بي.ارزشي محسوب مي.شوند و البته كاربردهاي متفاوتي نيز دارند. اكسيدهاي فلزي ابررسانا در مقايسه با فلزات شامل کمي حامل بار معمولي هستند و داري خواص انيسوتوروپيک الکتريکي و مغناطيسي مي.باشند. اين خواص به نحو قابل ملاحظه.اي حساس به محتواي اكسيژن مي.باشند. نمونه.هاي ابررساناي موادي مانند YBa2Cu3O7 را يک دانش.آموز دبيرستاني نيز مي.تواند در يک اجاق ميکروويو توليد کند اما براي تشخيص خواص فيزيکي ذاتي، کريستالهاي يکتايي با درجه خلوص بالا مورد نياز است كه فرآيند ساخت پيچيده.اي دارند.
بعد از كشف ابررساناها، تا چند سال تصور مي.شد رفتار مغناطيسي ابررسانا مانند رساناهاي كامل است. اما در سال 1933 مايسنر و اوشنفلد دريافتند اگر ماده مورد آزمايش قبل از ابررسانا شدن در ميدان مغناطيسي باشد، شار از آن عبور مي.كند ولي وقتي در حضور ميدان به دماي بحراني برسد و ابررسانا گردد ديگر هيچ.گونه شار مغناطيسي از آن عبور نخواهد كرد و تبديل به يك ديامغناطيس كامل مي.شود كه شدت ميدان (B) درون آن صفر خواهد بود. آنها توزيع شار در خارج نمونه.هاي قلع و سرب را كه در ميدان مغناطيسي تا زير دماي گذار سرد شده بودند را اندازه.گيري و مشاهده كردند كه ابررسانا ديامغناطيس كامل گرديد و تمام شار به بيرون رانده شد. اين آزمايش نشان داد كه ماده ابررسانا چيزي بيشتر از ماده رساناي كامل است. براساس ويژگي مهم ابررساناها، فلزات در حالت ابررسانايي هرگز اجازه نمي.دهند كه چگالي شار مغناطيسي در درون آنها وجود داشته باشد. به عبارت ديگر در داخل ابررسانا هميشه B=0است. اين پديده به اثر مايسنر معروف شد.
در اثر پديده مايسنر اگر يك آهنربا روي ماده ابررسانا قرار گيرد، روي آن شناور مي.ماند. در شكل يك آهنرباي استوانه.اي روي يك قطعه ابررسانا كه توسط نيتروژن خنك شده شناور است. علت شناور ماندن، اثر مايسنر است كه براساس آن خطوط ميدان مغناطيسي امكان عبور از ابررسانا را نيافته و چنانكه مشاهده مي.شود، ابررسانا قرص مغناطيسي را شناور نگه مي.دارد.
پس از کشف ديامغناطيس بودن ابررساناها، در سال 1950 آلياژهاي ابررسانايي مانند سرب+بيسموت و سرب+تيتانيوم كشف شدند که ميدانهاي بحراني خيلي بالايي از خود نشان مي.دادند. پژوهشهاي بعدي نشان داد که اين مواد نوع متفاوتي از ابررساناها هستند که بعداً نوع II ناميده شدند. لاندن با استفاده از موازنه انرژي در محدوده کوچکي بين مرز فازهاي ابررسانا و نرمال، شرط تعادل فاز را به دست آورده و به حضور يک سطح انرژي ديگر با منشأ غيرمغناطيسي اشاره کرد كه علاوه بر انرژي مرز بين دو فاز ابررسانا و نرمال وجود داشت. وي متذکر شد که اگر سطح انرژي کل مثبت باشد ابررسانايي ازنوع اول و اگر منفي باشد از نوع دوم است که در اين صورت ميدان مغناطيسي به درون ابررسانا نفوذ مي.کند. در سال 2003 نيز آلكسي آبريكوزوف و ويتالي گينزبورگ به خاطر بسط تئوري ابررسانايي همراه با آنتوني لگت برنده جايزه نوبل فيزيك شدند.
به تازگي هم پژوهشگران فرانسوي خاصيت جديدي را در ابررساناها پيدا كرده.اند كه قبلاً در هيچ نظريه.اي پيش.بيني نشده بود. چنانكه اشاره شد خواص ابررسانايي در مواد، به دماي محيط، ميدان مغناطيسي و شدت جريان عبوري بستگي دارد. محققان فرانسوي بلوري ساخته. بودند كه در دماي 04/0 درجه كلوين ابررسانا مي.شد و وقتي شدت ميدان مغناطيسي به بيشتر از 2 تسلا مي.رسيد، اين خاصيت از بين مي.رفت. يكي از پژوهشگران اين گروه، از روي كنجكاوي، شدت ميدان مغناطيسي را باز هم بيشتر كرد. وقتي شدت ميدان به 12 تسلا رسيد، بلور دوباره ابررسانا شد. وقتي ميدان باز هم بالاتر رفت، اين خاصيت دوباره از بين رفت. اين گزارش كه اخيراً در نشريه علمي ساينس به چاپ رسيده، توجه بسياري از فيزيكدانان حالت جامد را برانگيخته است چرا كه هيچ توضيح خاصي براي اين پديده وجود ندارد. با توجه به موارد گفته شده، به نظر مي.رسد كه ميدان مغناطيسي متغير باعث ايجاد رفتارهاي جالب پيش.بيني نشده در ابررساناها مي.شود. البته بايد توجه داشت كه ابررسانايي يك خاصيت كاملاً كوانتمي است و به سادگي نمي.توان وضعيت پيش آمده در اين آزمايش را توصيف كرد.

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: فان پاتوق]

[مشاهده در: www.funpatogh.com]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 541]