ابررسانا؛ ماده‌ اسرارآمیزی که می‌تواند تکنولوژی آینده را متحول کند

در دنیای بی‌حدومرز تکنولوژی، «کارآمدی» حرف اول و آخر را می‌زند. تمام وسایل الکترونیکی که به ‌آن‌ها متکی هستیم (از گوشی موبایل گرفته تا تبلت و تلویزیون و حتی خطوط برقی که روشنایی را به خانه‌های ما می‌رساند)، دچار ضعف بزرگی به نام «هدررفت انرژی» هستند.

ناکارآمدی ترانزیستورها و مدارهای رسانای تعبیه‌شده در وسایل و تجهیزات الکترونیکی نه‌تنها باعث هدررفت انرژی می‌شود؛ بلکه این تخلیه‌ی انرژی همیشه با ایجاد گرمای مازاد همراه است که برای خنک‌کردنش باز‌هم به استفاده از انرژی بیشتر نیاز است. علاوه‌براین، گرم‌شدن تجهیزات الکترونیکی سبب افت عملکرد یا خرابی قطعات موجود در آن‌ها می‌شود.

درست همین‌جا ابررساناها وارد می‌شوند. این مواد که در دمای بسیار پایین کار می‌کنند، توانایی انتقال الکتریسیته بدون هدررفت انرژی را دارند. بااین‌حال، با وجود پیشرفت‌های تحقیقاتی درزمینه‌ی ابررساناها، هنوز تا ساخت ابررساناهای سازگار با دما و فشار محیط راه درازی در پیش داریم.

با تحقق رؤیای ساخت این نوع ابررساناها، کامپیوترهایمان دیگر داغ نمی‌کند و هنگام انتقال انرژی به‌واسطه خطوط برق، حتی یک وات برق هدر نمی‌رود و انرژی ذخیره‌شده درون باتری‌های مغناطیسی هرگز تخلیه نمی‌شود. قبل‌ از اینکه به این رؤیاپردازی ادامه دهیم، بیایید با ابررساناها و نحوه‌ی کار و انواع آن‌ها بیشتر آشنا شویم.

ابررسانا ماده‌ای است که در آن مقاومت الکتریکی صفر می‌شود و میدان مغناطیسی را از درون خود طرد می‌کند. بدین‌ترتیب، ماده‌ی ابررسانا به‌‌دلیل طرد میدان مغناطیسی از ماده‌ی رسانای کامل با میدان مغناطیسی ثابت متمایز می‌شود. به‌همین‌‌دلیل، ماده‌ی ابررسانا می‌تواند الکتریسیته را بدون هدررفت انرژی و ایجاد گرمای مازاد منتقل کند؛ اما چنین چیزی چگونه امکان‌پذیر است؟ برای درک درست مفهوم ابررسانایی، در این بخش اصول بنیادی مانند «مقاومت الکتریکی صفر» و «اثر مایسنر» و انواع ابررساناها را تشریح کرده‌ایم.

در سال ۱۹۱۱، هایکه کامرلینگ اونس، فیزیک‌دان آلمانی، اولین ابررسانا را در قالب باتری «بدون هدررفت انرژی» کشف کرد. اونس در آن زمان مشغول انجام تحقیقات روی خواص الکتریکی جیوه (ماده‌ی به‌کاررفته در دماسنج) بود و دریافت که مقاومت الکتریکی جیوه در دمای زیر ۴٫۲ درجه‌ی کلوین (منفی ۲۶۸٫۹۵ سلسیوس) به‌طور کامل از بین می‌رود.

گفتنی است مواد دیگری غیر از جیوه هم وجود دارند که با کاهش محسوس دما، مقاومت الکتریکی‌شان غیرفعال می‌شود. گفتنی‌ است میزان کاهش دما برای ازبین‌بردن مقاومت الکتریکی در هر ماده متغیر است. برای درک بهتر این موضوع، بد نیست نگاهی به سطح کوانتومی و مدل استاندارد فیزیک بیندازیم.

ذرات بنیادی موجود در طبیعت به دسته‌های مختلفی تقسیم‌بندی شده‌اند. یکی از ذرات مهمی که در گروه فرمیون‌ها به‌چشم می‌خورد، الکترون است. همان‌طور‌که در دوره‌ی دبیرستان یاد گرفتیم، حرکت منظم الکترون‌ها به ایجاد جریان الکتریکی منجر می‌شود؛ اما مسئله این است که الکترون‌ها ذرات آزاد هستند و اساساً حرکت منظمی ندارند. در مواد رسانای معمولی مانند سیم‌های مسی که جریان برق را به خانه‌های ما منتقل می‌کنند یا طلا که در ساخت پردازنده‌ها استفاده می‌شود، بدون هدررفت نمی‌توان برق را منتقل کرد.

برای فهم ساده‌تر حرکت الکترون‌ها، می‌توان آن‌ها را مانند افرادی در حال اسکیت‌سواری در نظر گرفت. اسکیت‌سواران آماتور معمولاً هنگام تمرین به یکدیگر برخورد می‌کنند یا زمین می‌خورند. الکترون‌ها هم مانند اسکیت‌سواران حرکات نامنظمی دارند و همین امر باعث هدررفت انرژی و ایجاد گرمای مازاد می‌شود. دلیل اصلی گرم‌شدن وسایل الکترونیکی، مقاومت الکتریکی و هدررفت بخشی از انرژی است.

در ابررساناها مقاومت الکتریکی وجود ندارد. با کاهش دمای محیط به آستانه‌ی موردنیاز، الکترون‌ها با یکدیگر جفت می‌شوند و قضیه‌ی «جفت کوپر» اتفاق می‌افتد. گفتنی‌ است هر جفت کوپر متشکل از یک جفت الکترون یا فرمیون‌های دیگر است که در دماهای پایین به‌صورت مشخصی به یکدیگر می‌چسبند. در سال ۱۹۵۷، لئون کوپر، فیزیک‌دان آمریکایی، این قضیه را ابداع کرد.

متأسفانه جیوه ظرفیت و کاربرد زیادی در ساخت ابررساناها ندارد؛ به‌همین‌دلیل، فعلاً امکان ساخت ابررساناها وجود ندارد. حقیقت امر آن است که شرکت‌های فعال در حوزه‌ی فناوری تا وقتی‌که به ماده‌ای ایدئال برای استفاده در ابررساناهای سازگار با دمای محیط دست پیدا نکنند، هرگز به‌کارگیری سیلیکون در ساخت پردازنده‌ها را کنار نخواهند گذاشت؛ چراکه هزینه‌های هنگفت روی دستشان می‌گذارد. پس برای متحول‌کردن فناوری و زندگی آینده، ماده‌ی مدنظر برای ساخت ابررساناها باید با فناوری امروزی و زیرساخت‌های جهانی سازگاری کامل داشته باشد.

در سال ۱۹۳۳، والتر مایسنر و رابرت اوکسنفلد کشف کردند که ابررساناها نه‌تنها انتقال انرژی بدون هدررفت را تسهیل می‌کنند؛ بلکه در‌برابر میدان‌های مغناطیسی بیرونی نیز از خود مقاومت نشان می‌دهند. به‌عبارت‌دیگر، ابررساناها هر میدان مغناطیسی مجاور را دفع می‌کنند. این اثر دافعه با عنوان «اثر مایسنر - اوکسنفلد» شناخته می‌شود.

برای مثال، قطارهای سریع‌السیر مگلو (Maglev) را در نظر بگیرید. این نوع قطارها با استفاده از نیروی جاذبه و دافعه‌ی مغناطیسی حرکت می‌کنند.

ازآنجاکه قطارهای مگلو هیچ تماسی با سطح زمین ندارند، امنیت و سرعتشان بسیار بیشتر از قطارهای غیرمغناطیسی (غیر ابررسانایی) است. این قطارها با بهره‌گیری از سیستم تعدیل الکترودینامیکی مبتنی‌بر اثر مایسنر، میدان‌های مغناطیسی خارجی را دفع می‌کند و در وضعیت تعادل کامل باقی می‌ماند.

ابررساناها را می‌توان به دو دسته‌ی کلی Type I و Type II طبقه‌بندی کرد. ابررساناهای نوع یک موسوم به Type I تحت انفجاری ناگهانی انتقال انرژی قرار می‌گیرند و به‌طور ناگهانی از حالت ابررسانایی خارج می‌شوند. حال آنکه ابررساناهای نوع دو موسوم به Type II می‌توانند قابلیت ابررسانایی خود را در هر شرایطی حفظ کنند. در این بخش، انواع ابررسانا را با زبانی ساده و مفهوم معرفی کرده‌ایم.

به‌طور‌کلی، ابررساناهای نوع اول هنگامی‌که درمعرض فشار محیط قرار می‌گیرند، خاصیت ابررسانایی خود را از دست می‌دهند. سیلیسید تانتالیوم یکی از نمونه‌های شناخته‌شده‌ی ابررساناهای نوع اول به‌شمار می‌رود. این ماده از‌طریق انتقال انرژی مرتبه‌ی اول (معادل همان انتقال انرژی که در وهله‌ی اول به ابررسانایی آن منجر شده بود) از حالت ابررسانایی خارج می‌شود. این امر باعث حرکت نامنظم الکترون‌ها و درنتیجه هدررفت انرژی و تولید گرما خواهد شد.

همان‌طورکه در بخش قبل هم اشاره‌ شد، هر ابررسانا باید توانایی «جفت‌کردن الکترون‌ها در دمای آستانه» و «دفع میدان‌های مغناطیسی از‌طریق اثر مایسنر» را داشته باشد. از‌آنجاکه ابررسانایی شکل خاصی از ماده است، به‌راحتی ممکن است این حالت از بین برود و ماده خاصیت ابررسانایی خود را از دست بدهد. ازبین‌رفتن خاصیت ابررسانایی ممکن است به دو روش مختلف انجام شود؛ به‌همین‌‌دلیل، ابررساناها به دو نوع اول و دوم تقسیم شده‌اند.

ابررساناهای نوع دوم برخلاف نوع اول، خاصیت ابررسانایی خود را در شرایط مختلف حفظ می‌کنند. این نوع ابررساناها عموماً از ترکیبی از مواد مختلف ساخته می‌شوند؛ به‌همین‌دلیل، توانایی خوبی در حفظ خاصیت ابررسانایی در شرایط گوناگون دارند.

فرایند ساخت ابررساناها هنوز به‌طور کامل تکامل نیافته است؛ ازاین‌رو، هنگام ساخت ترکیب نهایی که متشکل از مواد مختلف با خواص گوناگون است، موادی با قابلیت ابررسانایی با مواد فاقد این قابلیت ترکیب می‌شوند. به‌همین‌دلیل، در شرایط بهینه بخشی از ترکیب نهایی رفتار ابررسانایی از خود نشان می‌دهد (یعنی الکترون‌ها به‌صورت کنترل‌شده در یک مسیر معین حرکت می‌کنند) و بخش دیگر فاقد این قابلیت است و به الکترون‌ها اجازه‌ی حرکت آزادانه و نامنظم را می‌دهد.

ازآنجاکه ترکیب نهایی شامل مواد مختلف با خواص گوناگون است، دفع میدان‌های مغناطیسی با اختلال مواجه می‌شود. به‌بیان دیگر، میدان‌های مغناطیسی را بخشی از ماده دفع می‌کند؛ اما با‌توجه‌به نبود خاصیت ابررسانایی در بخش دیگر ماده، خیلی راحت به داخل آن نفوذ می‌کند و باعث ایجاد «گرداب‌های میدان مغناطیسی» می‌شود.

گرداب‌های میدان مغناطیسی به پدیدارشدن قابلیتی به‌ نام Flux-Pinning منجر می‌شوند که در آن مواد معلق موجود درون ماده به‌واسطه میدان مغناطیسی خارجی که به داخل ماده نفوذ کرده‌اند، از حالت تعلیق خارج و در جای خود نگه داشته می‌شوند.

یکی دیگر از پیامد‌های گرداب‌های میدان مغناطیسی، محدودکردن مدت‌زمان حفظ خاصیت ابررسانایی ازطریق ماده است. در ابررساناهای نوع دوم، افزایش تنش بین حالت معمولی و حالت ابررسانایی به گسترش گردابه‌ها و ازدست‌رفتن خاصیت ابررسانایی در بخش‌های دیگر ماده منجر می‌شود. در ابررساناهای نوع اول، خاصیت ابررسانایی به‌طور ناگهانی از بین می‌رود؛ اما در ابررساناهای نوع دوم، خاصیت ابررسانایی به‌تدریج کاهش می‌یابد.

با وجود پیشرفت‌های علمی در زمینه‌ی ابررساناها و دستیابی به YBCO (ایتریوم باریم اکسید مس) به‌عنوان ابررسانای سازگار با دما و فشار زیاد، هنوز دانش بشری درباره‌ی این نوع مواد به اندازه‌ی کافی تکامل نیافته است و همچنان هیچ توضیح علمی درباره دلیل تبدیل‌شدن ماده‌ی YBCO به ابررسانا وجود ندارد. به‌‌عبارت‌دیگر، نمی‌دانیم ابررساناها چطور کار می‌کنند؛ اما سازوکارشان معجزه‌آسا است و کاملاً مصر هستیم تا از آن‌ها در صنایع استفاده کنیم.

این موضوع را باید در نظر گرفت که ابررساناها در سطح کوانتومی عمل می‌کنند. به‌عبارت‌دیگر، ماده‌ی ابررسانا زمانی به‌وجود می‌آید که شرایط برای ظهور طبیعی اثرهای کوانتومی خاص مهیا باشد. علم فیزیک مواد متراکم که به مطالعه‌ی ابررساناها اختصاص دارد،‌ از علم شیمی و مکانیک کوانتومی برای مطالعه‌ی برهم‌کنش مواد مختلف کمک می‌گیرد. این شاخه‌ی علمی بسیار پیچیده و متغیر است و تقریباً هر هفته شاهد انتشار پژوهش‌ها و دستاوردهای جدید علمی در این زمینه هستیم.

سال گذشته، پژوهشگری کره‌ای ادعای دستیابی به ماده‌ی ابررسانای سازگار با دما و فشار اتاق (LK-99) را مطرح کرد. در آن زمان، توجه بسیاری از محققان فعال درزمینه‌ی ابررساناها به این مقاله‌ی علمی معطوف شد؛ چراکه اگر این ادعا صحت داشت، می‌توانست تمام جنبه‌های زندگی بشر، از رایانش کوانتومی گرفته تا تصویربرداری پزشکی و انرژی و حمل‌و‌نقل را متحول کند. با گذشت چند ماه، هنوز بحث‌های جالبی درباره‌ی ماده LK-99 به‌گوش می‌رسدغ اما بعضی دانشمندان صحت این ادعا را به‌کل رد کرده‌اند.

بااین‌حال، تحقیقات بزرگ و قاطعی در‌زمینه‌ی ابررساناها انجام شده و بعضی از آن‌ها مانند قطار سریع‌السیر مغناطیسی شانگهای، شتاب‌دهنده‌های ذرات مانند برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ (موسوم به LHC)، دستگاه‌های MRI و بعضی کابل‌های خاص از قابلیت‌های ابررسانایی بهره می‌برند و به مرحله‌ی تجاری‌سازی رسیده‌اند.

درست است که در‌حال‌حاضر دانش ما درباره‌ی ابررساناها محدود و ناقص است، این موضوع اهمیت چندانی ندارد؛ چراکه در طول تاریخ بسیاری از ابزارهای مهم‌ و سودمند بدون دانش کامل در‌اختیار بشر قرار گرفته است. محققان دانش لازم از آنچه باید در مسیر رسیدن به ابررساناهای سازگار با دمای اتاق و فشار محیط جست‌وجو کنند، بهره می‌برند و شاید فعلاً همین کافی باشد.