ابر رسانا — به زبان ساده

آیا در مورد قطارهای معلق (شناور)، کامپیوترهای کوانتومی با سرعت بسیار بالا، انتقال انرژی با اتلاف ناچیز یا حتی بدون اتلاف و ... مطالبی را شنیده‌اید؟ این‌ها تنها بخش کوچکی از کاربردهای مواد با مقاومت بسیار کم یا بدون مقاومت موسوم به «ابر رسانا» (Superconductor) هستند. احتمالاً با بحث مقاومت و تقسیم‌بندی مواد به رسانا، نارسانا و نیمه‌رساناها آشنایید. در خصوص مواد ابر رسانا چطور؟ ابر رسانا‌ها در دماهای خیلی پایین از خود مقاومت بسیار کمی نشان می‌دهند. اگر علاقه‌مند هستید تا در این خصوص بیشتر بدانید، در ادامه این مقاله با ما همراه باشید تا با زبانی ساده به خصوصیات این مواد بپردازیم.

تغییر مقاومت با دما

به کار بردن واژه‌های رسانا و عایق، علی‌رغم مصطلح شدنشان در علوم، شاید خیلی بار علمی نداشته باشد. در واقع تمامی مواد تحت شرایط مناسب قادر به عبور جریان الکتریکی از خودشان هستند. اما برخی مواد این عمل را راحت‌تر انجام می‌دهند. به عنوان مثال وقتی برای فلزات، واژه رسانا را به کار می‌بریم، منظورمان این است که این عناصر از خود مقاومت کمی به هنگام عبور جریان نشان می‌دهند. در حالی که موادی نظیر چوب یا پلاستیک از مقاومت بیشتری برخوردار بوده و این به معنی عدم عبور جریان نیست. مقاومت مفهومی است که به کمک آن سعی در تقسیم‌بندی مواد در دسته‌های مختلف نظیر رسانا و عایق داریم.

یکی از ویژگی‌های جالب توجه مفهوم مقاومت، تغییر آن با دما است. فرض کنید که در یک مدار الکتریکی، سیم‌هایی از جنس طلا به کار برده‌اید. می‌دانیم که فلز طلا یکی از بهترین رسانا‌های موجود در جهان است. اما اگر دمای آن را افزایش دهیم، مقاومت آن بیشتر می‌شود. چرایی این امر را می‌توان اینگونه تفسیر کرد که با افزایش دما، ارتعاشات و جنب‌وجوش اتم‌های ساختار بلوری طلا زیادتر‌ شده و در نتیجه الکترون‌ها سخت‌تر از حالت قبل انتقال می‌یابند. برعکس با کاهش دما، از میزان ارتعاشات کم شده و در نتیجه الکترون‌ها راحت‌تر منتقل می‌شوند.

فیلم آموزش فیزیک 2 دانشگاه – جامع و با نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

اولین بار در سال 1911 میلادی، یک فیزیکدان هلندی با نام «هِیک کامرلینگ اُونِس» (Heike Kamerlingh Onnes) با سرد کردن یک سیم ساخته شده از جیوه تا دمایی حدود ۴ درجه کلوین ($$-269^{\circ}C$$) پی برد که مقاومت الکتریکی سیم رفته رفته کم شده و در دمای 4 درجه کلوین و کمتر مقاومت الکتریکی به طور ناگهانی ناپدید می‌شود. به عبارت دیگر او پدیده ابر رسانایی را کشف کرد. لازم به ذکر است، دمایی که در آن ماده مقاومت الکتریکی خود را از دست می‌دهد و از خود خاصیت ابررسانایی نشان می‌دهد، دمای بحرانی نام دارد.

اثر مایسنر

واژه ابر رسانا شاید بیشتر تداعی کننده این مطلب باشد که این دست مواد فقط از لحاظ الکتریکی، رساناهای خیلی خوبی هستند و مقاومت الکتریکی در آن‌ها به صفر میل می‌کند. حدود 20 سال پس از کشف اُونس، دو فیزیکدان آلمانی به نام‌های «کارل مایسنر» (Karl Meissner) و «رابرت اوچسفند» (Robert Ochsenfeld) خاصیتی حیرت‌انگیز از ابر رساناها را آشکار کردند. آن‌ها پی بردند که ابر رساناها را می‌توان جزو دسته مواد دیامغناطیسی قرار داد. در واقع ابر رساناها اجازه نفوذ میدان مغناطیسی را به درون خود نمی‌دهند.

فیلم آموزش الکترومغناطیس 1 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

اگر شما یک ابر رسانا را درون یک میدان مغناطیسی قرار داده و جریان‌‌های الکتریکی را در سطح ابررسانا ایجاد کنید، مشاهده می‌کنید که این جریان‌ها طبق قانون القای فارادی (به طور دقیق‌تر قانون لنز) در جهتی میدان مغناطیسی تولید می‌کنند که با میدان اصلی مخالفت و آن را خنثی کند. البته تا عمق بسیار کمی (حدود 100 نانومتر) میدان مغناطیسی به ابر رسانا نفوذ کرده که به «عمق نفوذ لاندن» (London Penetration Depth) معروف است. حال چرایی معلق ماندن آهنربا در تصویر (۱) و تصویر (۵) مشخص است. این پدیده به «اثر مایسنر» (Meissner Effect) معروف است.

نظریه ابر رسانایی

برای توضیح و بررسی چگونگی تبدیل شدن مواد به ابر رسانا باید به سراغ نظریه «جان باردن» (John Bardeen) برویم که در سال 1972 برنده جایزه نوبل فیزیک شد (البته نوبل دوم! جایزه نوبل اول به دلیل اختراع ترانزیستور در سال 1956 بود). این دانشمند به همراه دو همکار خود «والتر براتین» (Walter Brattain) و «ویلیام شاکلی» (William Shockley) نظریه‌ای را عنوان کردند که فیزیک و پایه پدیده ابر رسانایی را توضیح می‌دهد.

این نظریه که به تئوری Bardeen–Cooper–Schrieffer) BCS) معروف است، بیان می‌کند که در دماهای خیلی پایین و با جفت شدن الکترون‌ها به یکدیگر، مقاومت الکتریکی ماده به صفر میل کرده و ماده تبدیل به ابر رسانا می‌شود. شاید در ذهنتان این سوال پیش آید که چگونه دو الکترون (دوبار همنام) می‌توانند به یکدیگر جفت شوند!؟

این نظریه بیان می‌کند که در دماهای خیلی پایین، دو الکترون با اسپین مخالف، برخلاف انتظار، یکدیگر را جذب می‌کنند. این الکترون‌های جفت شده به جفت‌های کوپر یا جفت‌های BCS معروف‌اند. البته منظورمان این نیست که دو الکترون چسبیده به هم باشند، بلکه با یک فاصله نسبی با یکدیگر حرکت می‌کنند.

بررسی فیزیک نظریه BCS خارج از حوصله این مقاله بوده و خود مطلبی جداگانه را طلب می‌کند. اما به طور خیلی خلاصه دلیل جاذبه بین جفت‌های کوپر را می‌توان برهمکنش فونون-الکترون در دماهای خیلی پایین دانست. در فیزیک کوانتوم، فونون یک کوانتوم انرژی است و برای تشریح ذره‌ای نوسانات هماهنگ (حرکت‌های گرمایی) اتم‌های یک ساختار کریستالی به کار برده می‌شود.

در دماهای خیلی پایین (دمای بحرانی) نوسانات اتم‌ها در ساختار کریستالی به حداقل مقدار خود می‌رسد. در نتیجه به الکترون‌ها انرژی داده نمی‌شود. از طرف دیگر الکترون‌ها در حالت برانگیخته نیستند که به ساختار انرژی دهند، در نتیجه الکترون‌ها بدون هیچ برهم‌کنش و تبادل انرژی با ساختار شبکه کریستالی، به راحتی حرکت می‌کنند.

مطابق با رابطه $$i=\frac{q}{t}$$، جریان چیزی جز عبور بارهای الکتریکی و در واقع جا‌به‌جایی الکترون‌ها نیست. وجود ناخالصی، نقص در شبکه یا ساختار و ارتعاشات شبکه، باعث پراکنده شدن الکترون و مانع از حرکت آن‌ها شده که ما از این پدیده به عنوان مقاومت الکتریکی یاد می‌کنیم. در دماهای خیلی پایین به دلیل کم شدن ارتعاشات و تشکیل زوج‌های کوپر، الکترون‌ها آزادی عمل بیشتری داشته و در نتیجه راحت‌تر منتقل می‌شوند.

مواد ابر رسانا

همه مواد توانایی تبدیل شدن به یک ابر رسانا را ندارند. به جز جیوه، حدود 25 عنصر دیگر که بیشتر آن‌ها فلزات و شبه‌فلزات (نیمه‌هادی‌ها) هستند، در ترکیبات مختلف از خود خاصیت ابر رسانایی نشان می‌دهند. هر یک از این عناصر در دمای متفاوتی، موسوم به «دمای بحرانی» (critical temperature - $$T_{c}$$) تبدیل به ابررسانا می‌شود.

مشکل اساسی در این مورد این است که اکثراً تمامی این مواد در دمایی نزدیک به صفر مطلق ($$-273.15^{\circ}C$$) تبدیل به ابررسانا می‌شوند. در واقع هرچه سود از نبود مقاومت و نداشتن اتلاف انرژی در انتقال توان توسط ابررسانا ببرید، با صرف انرژی و رسیدن به دماهایی نزدیک صفر مطلق خنثی می‌شود! شاید دلیل همه‌گیر نشدن کاربردهای ابررساناها، علی‌رغم گذشت یک قرن از کشف آن‌ها همین مطلب باشد.

ابر رساناهای دما بالا

سال‌ها پس از کشف پدیده ابر رسانایی، دانشمندان بر این باور بودند که این امر فقط در دماهای خیلی پایین پدیدار می‌شود. اما در سال 1986 دو دانشمند به نام‌های «جورج بِدنورز» (Georg Bednorz) و «الکس مولر» (Alex Müller) که برای شرکت IBM کار می‌کردند، یک سرامیک (ماده‌ای شامل اکسیژن و مس) کشف کردند که می‌توانست در دمای بالاتری، در حدود $$-238^{\circ}C$$ از خود خاصیت ابر رسانایی نشان دهد.

این کشف دانشمندان را ترغیب به جست‌وجو و ساخت ترکیباتی کرد که در دماهای بالاتری از خود خاصیت ابر‌ رسانایی نشان دهند. به طور مثال ترکیبی اکسید شده از جیوه، تالیوم، باریوم، کلسیوم و مس ($$Hg_{12}Tl_{3}Ba_{30}Ca_{30}Cu_{45}O_{125}$$) که در سال 1996 توسط دانشمندان کره‌ای کشف شد در دمای $$-135^{\circ}C$$ از خود خواص ابر رسانایی نشان می‌دهد.

کشف «ابررساناهای دما بالا» (High Temperature Superconductors - HTS) انگیزه استفاده از ابر رسانا‌ها در صنعت و تکنولوژی به دلیل صرفه اقتصادی را دو چندان کرد. همان‌طور که پیش‌تر بیان شد، ابر رساناهای معمولی در دمایی نزدیک به صفر کلوین (مطلق) از خود خاصیت ابررسانایی نشان می‌دهند. رسیدن به این دما یا حتی نزدیکی آن صرف انرژی و هزینه‌ زیادی در بر دارد. به طور مثال برای سرد کردن آن‌ها به هلیوم مایع که بسیار گران قیمت است نیاز داریم. اما با کشف مواد ابررسانای دما بالا که در دمایی بین $$-100^{\circ}C$$ تا $$-200^{\circ}C$$ از خود خاصیت ابررسانایی نشان می‌دهند، می‌توان از نیتروژن مایع که ده برابر قیمت ارزان‌تری نسبت به هلیوم مایع دارد، برای سرد کردن آن‌ها استفاده کرد.

کاربرد ابر رسانا

شاید بتوان گفت که دنیای مدرن امروزی، مدیون پیشرفت فیزیک الکتریسیته و مغناطیس است. امروزه کمتر وسیله‌ای در جهان ساخته می‌شود که شامل قسمت‌ باتری، سیم و مدارهای الکترونیکی نباشد. پس با ظهور و پیشرفت مواد ابر رسانا، حوزه‌ای که دچار بیشترین تحول می‌شود، صنعت مهندسی برق (فیزیک الکتریسیته و مغناطیس) خواهد بود. تصور کنید با از بین رفتن مقاومت الکتریکی، چه مقدار انرژی در بحث انتقال (خطوط برق)، مصرف کمتر انرژی در باتری‌ها، کامپیوترهای سریع‌تر و خنک‌تر و ... ذخیره می‌شود.

در حال حاضر استفاده از ابر رساناهای معمولی موسوم به «ابر رسانای دما پایین» (Ligh Temperature Superconductors - LTS) علی‌رغم داشتن هزینه بالا در عمل سرد کردن، در برخی کاربردهای خاص معمول‌تر است. چرا که هنوز تولید مواد ابر رسانای دما بالا در مقیاس بزرگ و صنعتی مشکل بوده و این مواد هنوز پایداری لازم را ندارند. امید است در آینده‌ای نزدیک شاهد کشف مواد ابر رسانای دما بالای جدید و پایدار و شاهد به کارگیری آن‌ها در صنعت باشیم.

کاربردهای مغناطیسی

گسترده‌ترین کاربرد ابررسانا‌ها در حال حاضر در اسکنرهای اجزای داخلی است که بر اساس فیزیک «رزونانس مغناطیسی هسته‌ای» (Nuclear Magnetic Resonance - NMR) کار می‌کنند.

هنگامی که اتم‌ها در یک میدان مغناطیسی قوی قرار گیرند، هسته آن‌ها دچار ارتعاش (رزونانس) شده و شروع به تابش موج الکترومغناطیسی در طیف رادیویی می‌کنند. در یک دستگاه «اسکنر بدن» (Body Scanner) آهنربا‌های ابررسانا، میدان مغناطیسی قوی تولید کرده و باعث ارتعاش (رزونانس) اتم‌های اجزا داخلی بدن بیمار و در نتیجه تابش امواج رادیویی از آن‌ها می‌شوند.

فیلم آموزش فیزیک 2 دانشگاه – جامع و با نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

گیرنده‌های به کار رفته در دستگاه با چرخش به دور بدن بیمار، این امواج را گرفته و تصویری از اجزای داخلی بدن را نمایش می‌دهد. تصویر حاصل به «تصویر رزونانس مغناطیسی» (Magnetic Resonance Imagery - MRI) معروف است. در حال حاضر از ابررساناهای دمای پایین در دستگاه‌های MRI استفاده می‌شود. در مقاله «گاز نجیب -- به زبان ساده» دیدیم که برای سرد کردن آهنربای ابررسانا و سایر قطعات الکترونیکی به کار رفته در دستگاه‌های MRI از هلیوم مایع استفاده می‌کنند. مثالی دیگر از تشکیل تصویر با امواج رادیویی، تلسکوپ‌های رادیویی هستند که تصویری از کهکشان‌های راه دور را تشکیل می‌دهند.

یکی دیگر از کاربردهای مغناطیسی ابر رساناها، استفاده در شتاب‌دهنده‌های (برخورد دهنده) بزرگ هادرونی (Large Hadron Collider - LHC) است. شتاب‌دهنده‌ها برای مطالعه ذرات تشکیل دهنده هسته اتم‌ها (منظورمان ذرات سازنده پروتون و نوترون) از اهمیت بسیار زیادی برخوردار هستند. معروف‌ترین و بزرگترین شتاب‌دهنده موجود در کره زمین تا به امروز در مرکز تحقیقاتی «سرن» (CERN)، ساخته شده است.

وقتی که ذرات بار‌دار مثل الکترون و یون‌ها در یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند، حرکت آن‌ها مارپیچی و منحنی شکل می‌شود.

از طریق اعمال میدان مغناطیسی بر ذرات بار‌دار، می‌توان به آن‌ها سرعت، شتاب و انرژی خیلی زیادی داد. وقتی که این ذرات با سرعت خیلی بالا به یکدیگر برخورد کنند، ساختار آن‌ها شکسته و ممکن است که ذرات جدید نمایان شوند. مطالعه این ذرات جدید در فیزیک ذرات بنیادی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. میدان مغناطیسی مذکور در شتاب‌دهنده توسط آهنرباهای ابر رسانا تامین می‌شود. به طور مثال در یک برخورد دهنده بزرگ هادرونی (LHC) بیش از 1000 قطعه آهنربای بزرگ از جنس «نئوبیدیوم-تیتانیوم» (Niobium-Titanium) که در دمایی نزدیک به صفر مطلق کار می‌کنند، به کار گرفته شده است. میدان مغناطیسی تولید شده توسط این آهنرباهای ابر رسانا بیش از 100,000 بار قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین و در حدود 8.3 تسلا (Tesla) است.

یکی دیگر از کاربردهای مغناطیسی هیجان‌انگیز ابر رسانا، طراحی و ساخت قطار شناور روی هوا است. در واقع میدان مغناطیسی قوی حاصل از آهنرباهای ابر رسانا، قطار را در حدود چند سانتی‌متر از روی ریل بلند می‌کند. احتمالا سرعت این مدل قطارها در نمونه به کار رفته در ژاپن (سرعتی نزدیک به 375 کیلومتر در ساعت) به گوشتان خورده است. تحقیقات در مورد این سیستم حمل‌ونقل ریلی از سال 1960 میلادی در حال انجام است و تا به امروز به جز نمونه‌های به کار گرفته شده در ژاپن، به دلیل هزینه بسیار بالا، صرفه اقتصادی ندارند. امید است با پیشرفت مواد ابررسانای دما بالا، شاهد به کارگیری این تکنولوژی در صنعت حمل‌ونقل ریلی باشیم.

کاربردهای الکتریکی

شاید تنها خاصیت مقاومت الکتریکی بالا استفاده از آن در بخاری‌های برقی (داغ شدن اِلمنت) باشد. همان‌طور که در ابتدای این مقاله بارها اشاره کردیم، مقاومت الکتریکی بسیار پایین و یا حتی صفر، مزایای خیلی زیادی برای دستگاه‌های الکترونیکی و خطوط انتقال برق دارد.

در صورت همه‌گیر شدن ابررساناهای دما بالا و استفاده از آن‌ها در خطوط انتقال برق، انرژی بسیار زیادی ذخیره می‌شود. در واقع دیگر نیازی به استفاده از ولتاژهای بالا برای انتقال برق از طریق خطوط انتقال نیست. همچنین استفاده از تکنولوژی ابررسانا در تراشه‌ها، به دلیل آزادی عمل بیشتر الکترون‌ها، سرعت زیادی را به ارمغان می‌آورد.

یکی از کاربردهای مهم الکترونیکی ابررساناها، ساخت «اتصالات جوزفسون» (Josephson junctions) برای طراحی گیت‌های منطقی و تحقق کامپیوترهای کوانتومی است. اثر اتصالات جوزفسون که توسط «برایان جوزفسون» (Brian Josephson) در سال 1962 کشف شد به این گونه است که الکترون‌ها در یک ابر رسانا به یک ابررسانای دیگر که توسط لایه‌ای نازک از یکدیگر جدا شده‌اند، تونل‌زنی می‌کنند. کامپیوتر کوانتومی ساخت شرکت کانادایی «دی‌ویو» (D-Wave) یکی از پیشروهای صنعت کامپیوترهای کوانتومی است که از اتصالات جوزفسون برای پیاده‌سازی کیوبیت‌ها استفاده کرده است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• آموزش مکانیک کوانتومی ۱
• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• گرافن چیست؟ -- به زبان ساده
• چاه پتانسیل — به زبان ساده

^^