تاریخچه ساخت ابررساناها

پژوهش برای بررسی تغییر مقاومت الكتریكی اجسام در دماهای پائین برای نخستین بار توسط دانشمند اسكاتلندی جیمز دئِور در اواسط قرن نوزدهم آغاز شد

پژوهش برای بررسی تغییر مقاومت الكتریكی اجسام در دماهای پائین برای نخستین بار توسط دانشمند اسكاتلندی جیمز دئِور در اواسط قرن نوزدهم آغاز شد. در سال ۱۸۶۴، دو دانشمند لهستانی به نامهای زیگموند روبلوفسكی و كارل اولزفسكی كه روشی برای برای مایع ساختن اكسیژن و نیتروژن، یافته بودند، به بررسی خواص فیزیكی عناصر و ازجمله مقاومت الكتریكی در دماهای خیلی كم ادامه دادند و پیش‌بینی نمودند مقاومت الكتریكی در دماهای كم به شدت كاهش می‌یابد.

روبلوفسكی و اولزفسكی نتایج فعالیت خود را در سال ۱۸۸۰ منتشر ساختند. بعد از آن دِئور و فلمینگ نیز پیش‌بینی ‌خود را مبنی بر الكترومغناطیس شدن كامل فلزات خالص در دمای صفر مطلق بیان داشتند. البته دئور بعدها تئوری خود را اصلاح و اعلام داشت مقاومت اینگونه فلزات در دمای مورد اشاره به صفر نمی‌رسد اما مقدار بسیار كمی خواهد بود.

والتر نرست نیز با بیان قانون سوم ترمودینامیك بیان داشت كه صفر مطلق دست‌نیافتنی است. كارل لیند و ویلیام همپسون آلمانی در همین زمانها روش خنك‌سازی و مایع ساختن گازها با افزایش فشار را به ثبت رساندند.

در سال ۱۹۰۰، نیكلا تسلا كه با سیستم خنك‌سازی لیند كار می‌كرد، پدیده تقویت سیگنالهای الكتریكی را با سرد شدن اجسام كه درنتیجه كاهش مقاومت آنها بود، مشاهده و به ثبت رساند. سرانجام خاصیت ابررسانایی توسط پروفسور هلندی، كمرلینک اونز، در سال ۱۹۱۱ و زمانی‌كه وی سرگرم آزمایش تئوری دئور بود، در دانشگاه لیدن مشاهده شد.

اونز دریافت که اگر جیوه در هلیم مایع یعنی حدود ۲/۴ درجه كلوین قرار گیرد، مقاومت الکتریکی آن از بین می‌رود. سپس یك حلقه سربی را در دمای ۷ درجه كلوین ابررسانا نمود و قوانین فارادی را بر روی آن آزمایش كرد و مشاهده نمود وقتی با تغییر شار در حلقه جریان القایی تولید شود، حلقه سربی بر عكس رساناهای دیگر رفتار می‌نماید. یعنی بعد از قطع میدان تا زمانی‌كه در حالت ابر رسانایی قرار دارد، جریان الكتریكی را تا مدت زیادی حفظ می‌كند.

به عبارت دیگر بعد از به وجود آمدن جریان الكتریكی ناشی از میدان مغناطیسی در یك سیم ابررسانا، سیم حتی بدون میدان خارجی یا مولد الكتریكی نیز می‌تواند حامل جریان باشد. اونز این رخداد را در آزمایشگاه دانشگاه لیدن با ایجاد جریان ابررسانایی در یک سیم‌پیچ و سپس حمل سیم‌پیچ همراه با سرد کننده‌ای که آن را سرد نگه می‌داشت به دانشگاه کمبریج به عموم نشان داد. یافته اونز منجر به اعطای جایزه نوبل فیزیك در سال ۱۹۱۳ به وی شد.

اونز همچنین متوجه شد برای هر یك از مواد ابررسانا، دمایی به نام دمای بحرانی وجود دارد كه وقتی ماده از این دما سردتر شود، جسم ابررسانا می‌گردد و در دماهای بالاتر از این دما، جسم دارای مقاومت الکتریکی است.

دمای بحرانی عناصر مختلف متفاوت است. مثلا" دمای بحرانی جیوه حدود ۵ درجه كلوین، سرب ۹ درجه كلوین و نیوبیوم ۲/۹ درجه كلوین می‌باشد و برای بعضی آلیاژها و تركیبات مانند Nb۳Sn و Nb۳Ge دمای بحرانی به ۱۸ و ۲۳ درجه كلوین نیز می‌رسد. البته فلزات رسانایی مانند طلا، نقره و حتی مس نیز هستند كه تلاش برای رساندن مقاومت ویژه‌شان به صفر بی نتیجه مانده است و مشخص نیست اگر به صفر مطلق برسند مقاومت آنها چقدر خواهد بود.

رسانیدن دمای ابررساناهای متعارف به این دما نیازمند وجود هلیم مایع می‌باشد كه بسیار پرهزینه، خطرناك و مشکل است. لذا از همان ابتدا تلاش برای تولید ابررساناهایی با دمای بحرانی بالاتر شروع شد و محققان در تلاشند مواد ابررسانایی با دمای بحرانی بالاتر پیدا كنند.

از كشف ابررسانایی در سال ۱۹۱۱ تاكنون، هیچ نظریه فیزیكی جامعی نتوانسته است به بیان دقیق علت خاصیت ابررسانایی بپردازد. در سال ۱۹۵۷ سه فیزیكدان آمریكایی به نام‌های باردین، كوپر و شریفر در دانشگاه ایلی‌نویز نظریه‌ای برای توجیه پدیده ابررسانایی در ابررساناهای متعارف ارائه دادند كه با نام آنها به نظریه BCS معروف گردید.

براساس این نظریه در ابررساناهای معمولی، الكترونهایی كه در رسانایی جریان نقش دارند، جفت‌هایی تشكیل می‌دهند و متقابلاً با عواملی كه باعث مقاومت الكتریكی می‌شوند، مقابله می‌كنند. ابداع تئوری BCS نیز برای سه دانشمند آمریكایی جایزه توبل ۱۹۷۲ را به ارمغان آورد. این‌كه ۴۶ سال طول کشید تا توجیهی برای پدیده ابررسانایی یافت شود، دلایلی داشت. دلیل اول این‌كه جامعهٔ فیزیک تا حدود بیست سال مبانی علمی لازم برای ارائه راه حل مسئله را كه تئوری کوانتوم فلزات معمولی بود نداشت.

دوم این‌که تا سال ۱۹۳۴ هیچ آزمایش اساسی در این زمینه انجام نشد. سوم اینکه وقتی مبانی علمی لازم بدست آمد، به زودی مشخص شد انرژی مشخصه وابسته به تشکیل ابررسانایی بسیار کوچک یعنی حدود یک ملیونیم انرژی الکتریکی مشخصهٔ حالت عادی است.

بنابراین نظریه پردازان توجه‌شان را به توسعهٔ یک تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب کردند. این مسیر توسط فریتز لاندن رهبری می‌شد. وی در سال ۱۹۵۳ به نکتهٔ زیر اشاره کرد:‌ "ابررسانایی پدیده‌ای کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی است و با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریک شده بوسیلهٔ وقفه های زمانی رخ می‌دهد." به علاوه وی بیان داشت كه دیامغناطیس شدن ابررساناها یک مشخصه بنیادی است.

تئوری BCS در توضیح و تفسیر رویدادهای ابررسانایی موجود و هم چنین در پیشگویی رویدادهای جدید نسبتاً موفق بود. در ژوئیه ۱۹۵۹، در اولین کنفرانس بزرگی كه بعد از ارائه ی نظریه ی BCS با موضوع با ابررسانایی در دانشگاه کمبریج برگزار شد، دیوید شوئنبرگ كنفرانس را با این جمله آغاز کرد: «حالا باید ببینیم تا چه حد مشاهدات با حقایق نظری جور در می‌آیند ...؟»

کمی بعد از انتشار نتایج اولیهٔ تئوری BCS، در تابستان سال ۱۹۵۷ سه دانشمند دانماركی به نامهای آگ بور، بن موتلسون و دیوید پاینز، در کپنهاگ نشان دادند که نوترونها و پروتونهای موجود در هسته اتم به خاطر جذب دوسویه شان جفت می‌شوند و بدینوسیله توانستند معمای قدیمی پدیدهٔ هسته‌ای را توجیه نمایند. در همین زمان یوشیرو نامبونیز در شیکاگو دریافت که ترتیب جفت شدن BCS برای پدیده‌های انرژی بالا در فیزیک ذرات ابتدائی نیز صحت دارد.

باید گفت در اثر ارائه تئوری BCS بود كه پژوهشگران فلزات ابررسانی جدیدی را معرفی کردند و مشتاقانه به دنبال موادی گشتند که در دماهای نسبتاً بالاتر از ۲۰ کلوین ابررسانا می‌شوند. بعد از ارائه تئوری BCS، دو آلیاژ جدید نیز معرفی شدند.

یكی مواد الکترون سنگین مانند CeCu۲Si۲، UPt۳ و UBe۱۳ که به عنوان ابررساناهایی در دماهای حدود یک کلوین توسط فرانك استگلیش در آلمان و زاچاری فیسك، جیم اسمیت و هانس اوت در آمریكا شناخته شدند و دیگری فلزات آلی تقریبا دو بعدی با دمای بحرانی حدود ده درجه کلوین كه در پاریس توسط دانیل ژرومه کشف شد.

باوجود تلاش‌های زیاد بند ماتیوس که حدود صد ماده ابررسانا را کشف کرد، هنوز حد بالایی برای دمای مواد ابررسانا وجود داشت. دمایی که از مکانیسم به کار رفته برای ابررسانایی یعنی تعامل فونون القائی ناشی می‌شد. چنانكه نور كوانتومی را فوتون می‌نامند، اصوات كوانتومی را نیز فونون نامیده‌اند.

در سال ۱۹۶۲ جوزفسون انگلیسی در ۲۲ سالگی آزمایشاتی روی جفت الكترونهای كوپر انجام داد كه منجر به مشاهده و اعلام پدیده‌ای شد كه خاصیت تونل‌زنی یا اثر جوزفسون نام گرفت. بر اساس اثر جوزفسون، درصورتیكه دو قطعه ابررسانا توسط یك عایق بسیار نازك (حدود یك نانومتر) به یكدیگر متصل شوند، جفت الكترونهای كوپر می‌توانند از عایق عبور نمایند.

مقدار جریان الكتریكی ایجاد شده به ولتاژ اتصال و میدان مغناطیسی وابسته است. ارائه تئوری مزبور برای جوزفسون و دو دانشمند دیگر یعنی لئو ایزاكی و ایوار گیاور كه فعالیتهای مشابهی در بررسی پدیده تونل زنی داشتند جایزه نوبل ۱۹۷۳ را به ارمغان آورد.

---