ابررسانایی پدیدهای است که در آن یک بار بدون مقاومت در یک ماده حرکت میکند. به این مورد ابررسانا میگویند. در تئوری، این اجازه میدهد تا انرژی الکتریکی بین دو نقطه با کارایی کامل منتقل شود و چیزی در برابر گرما از دست ندهد. در چیزی که اکثر مردم به عنوان دماهای عادی فکر میکنند، همه مواد مقداری مقاومت الکتریکی دارند. این بدان معنی است که آنها در برابر جریان الکتریسیته به همان روشی که یک لوله باریک در برابر جریان آب مقاومت میکند، مقاومت میکنند. به دلیل مقاومت، زمانی که الکترونها از طریق وسایل الکترونیکی دستگاههای ما مانند رایانهها یا تلفنهای همراه حرکت میکنند، مقداری انرژی به عنوان گرما از دست میرود. برای اکثر مواد، این مقاومت حتی اگر مواد تا دمای بسیار پایین خنک شوند، باقی میماند. استثناها موادی ابررسانا هستند. ابررسانایی خاصیت برخی از مواد برای هدایت جریان مستقیم (DC) الکتریسیته بدون اتلاف انرژی زمانی است که در دمای بحرانی سرد میشوند این مواد همچنین میدانهای مغناطیسی را هنگام انتقال به حالت ابررسانا بیرون میکنند.
اهمیت مواد ابررسانا و نحوه عملکرد ابررسانا
در یک دنیای ایدهآل، همه ما باید مواد ابررسانا را به شبکههای الکترونیکی و برق خود متصل کنیم که در مصرف انرژی صرفه جویی میکند و به ما امکان میدهد مدارها را در فضاهای محدود جمع کنیم. متأسفانه، مشکلاتی وجود دارد. بیشتر مواد ابررسانا فقط در دماهای کمی بالاتر از صفر مطلق، جایی که اتمها به سختی حرکت میکنند، این عملکرد مفید را دارند. این ابررساناهای سرد معمولاً با اجازه دادن به الکترونها برای غلبه بر دافعه معمول خود نسبت به یکدیگر و نزدیک شدن به یکدیگر برای تشکیل جفتهای کوپر کار میکنند. در این حالت انرژی کم، هویت هر الکترون منفرد کمتر قطعی میشود. این به آنها اجازه میدهد تا به راحتی از میان انبوه اتمها بگذرند. در حالی که بیشتر مواد ابررسانا فلزات هستند، استثنائات غیرعادی نیز وجود دارد. برخی از آنها نیاز به افزودن عناصر اضافی برای دوپ کردن مواد دارند و به روشهای متفاوتی کار میکنند که تئوریهای موجود را به چالش میکشند.
ابررساناهای دمای اتاق
ابررسانایی یکی از جذابترین پدیدههای کوانتومی طبیعت است. بیش از 100 سال پیش در جیوه سرد شده تا دمای هلیوم مایع (حدود -452 درجه فارنهایت، فقط چند درجه بالاتر از صفر مطلق) کشف شد. در اوایل، دانشمندان میتوانستند آنچه را که در ابررسانایی رخ میدهد توضیح دهند، اما چرایی و چگونگی ابررسانایی برای نزدیک به 50 سال یک راز بود. در سال 1957، سه فیزیکدان در دانشگاه ایلینویز از مکانیک کوانتومی برای توضیح مکانیسم میکروسکوپی ابررسانایی استفاده کردند. آنها یک نظریه کاملاً جدید ارائه کردند که چگونه الکترونهای دارای بار منفی، که معمولاً یکدیگر را دفع میکنند، به جفتهای زیر Tc تشکیل میشوند. این الکترونهای جفت شده توسط ارتعاشات سطح اتمی معروف به فونونها در کنار هم نگه داشته میشوند و در مجموع این جفتها می توانند بدون مقاومت در مواد حرکت کنند. این دانشمندان برای کشف خود جایزه نوبل فیزیک را در سال 1972 دریافت کردند.
کشف ابررسانا
پس از کشف ابررسانایی در جیوه، این پدیده در سایر مواد در دماهای بسیار پایین نیز مشاهده شد. این مواد شامل چندین فلز و آلیاژ نیوبیم و تیتانیوم بود که به راحتی میتوان آن را به سیم تبدیل کرد. سیمها به چالش جدیدی برای تحقیقات ابررساناها منجر شد. فقدان مقاومت الکتریکی در سیمهای ابررسانا به این معنی است که آنها میتوانند جریانهای الکتریکی بسیار بالایی را پشتیبانی کنند، اما بالاتر از یک جریان بحرانی، جفتهای الکترون شکسته میشوند و ابررسانایی از بین میرود. از نظر فناوری، سیمها کاربردهای جدیدی را برای ابررساناها، از جمله سیم پیچها برای ایجاد آهنرباهای قدرتمند، باز کردند. در دهه 1970، دانشمندان از آهنرباهای ابررسانا برای تولید میدانهای مغناطیسی بالا مورد نیاز برای توسعه دستگاههای تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) استفاده کردند. اخیراً، دانشمندان آهنرباهای ابررسانا را برای هدایت پرتوهای الکترونی در سنکروترونها و شتاب دهندهها در تأسیسات کاربری علمی معرفی کردند. در سال 1986، دانشمندان دسته جدیدی از مواد اکسید مس را کشف کردند که دارای ابررسانایی بودند، اما در دماهای بسیار بالاتر از فلزات و آلیاژهای فلزی از اوایل قرن. این مواد به عنوان ابررساناهای با دمای بالا شناخته میشوند. در حالی که هنوز باید سرد شوند، در دماهای بسیار گرمتر ابررسانا هستند. برخی از آنها در دمای بالاتر از نیتروژن مایع (321- درجه فارنهایت). این کشف نوید فناوریهای جدید انقلابی را داشت. همچنین پیشنهاد شد که دانشمندان ممکن است بتوانند موادی را پیدا کنند که در دمای اتاق یا نزدیک به آن ابررسانا هستند. از آن زمان، بسیاری از مواد ابررسانا با دمای بالا با استفاده از حدسهای آموزشدیده همراه با آزمایشهای آزمون و خطا، از جمله دستهای از مواد مبتنی بر آهن، کشف شدهاند. با این حال، همچنین مشخص شد که نظریه میکروسکوپی که ابررسانایی را در فلزات و آلیاژهای فلزی توصیف میکند در مورد بیشتر این مواد جدید صدق نمیکند، بنابراین یک بار دیگر معمای ابررسانایی جامعه علمی را به چالش میکشد. آزمایشهای اخیر بر روی مواد مبتنی بر هیدروژن تحت فشار بسیار بالا، پیشبینی نظری ابررسانایی را در دماهای نزدیک به دمای اتاق تأیید کرد.
موارد استفاده از ابررساناها
حمل و نقل برق کارآمد با ابرساناها، ابررساناها کاربردهای زیادی دارند، واضح ترین آنها به عنوان هادی های بسیار کارآمد است. اگر شبکه ملی از ابررساناها به جای آلومینیوم ساخته میشد، نیاز به تبدیل برق به ولتاژ بالاتر (این امر جریان را کاهش میدهد، که اتلاف انرژی به گرما را کاهش میدهد) و سپس دوباره پایین آمدن وجود داشت. آهنرباهای ابررسانا نیز در تولید الکتریسیته کارآمدتر از ژنراتورهای سیم مسی معمولی هستند. در واقع، یک ژنراتور ابررسانا تقریباً نصف یک ژنراتور سیم مسی حدود 99 درصد کارایی دارد. ژنراتورهای معمولی حدود 50 درصد کارآمد هستند. استفاده از ابررساناها به عنوان دستگاههای کارآمد انرژی تشویق میشود. در حال حاضر، مشکل در دمای بحرانی است، مگر اینکه مادهای پیدا شود که بتواند بالاتر از 300K ابررسانا باشد، باید از نوعی سیستم خنک کننده استفاده شود که گران است، اگرچه شرکتها در حال توسعه نمونه های اولیه هستند.
منبع