[1] James Dewar
[2] Zygmunt Florenty Wroblewski
[3] Karol Olszewski
[4] John Ambrose Fleming
[5] Walther Hermann Nerst
[6] Carl von Linde
[7] William Hampson
در سال 1900، نیکلا تسلا[1] که با سیستم خنک سازی لیند کار میکرد، پدیده تقویت سیگنالهای الکتریکی را با سرد شدن اجسام که در نتیجه کاهش مقاومت آنها بود، مشاهده و به ثبت ساند.سرانجام خاصیت ابررسانایی توسط پروفسور هلندی، کمرلینک اونز، در سال 1911 و زمانی که وی سرگرم آزمایش تئوری دئور بود، در دانشگاه لیدن مشاهده شد. اونز دریافت که اگر جیوه در هلیوم مایع یعنی حدود 4.2 درجه کلوین قرار گیرد، مقاومت الکتریکی آن از بین میرود. سپس یک حلقه سربی را در دمای 7درجه کلوین ابررسانا نمود و قوانین فارادی را بر روی آن آزمایش کرد ومشاهده نمود وقتی با تغییر شار در حلقه جریان القایی تولید شود، حلقه سربی برعکس رساناهای دیگر عمل مینماید. یعنی بعد از قطع میدان تا زمانی که در حالت ابررسانایی قرار دارد، جریان الکتریکی تا مدت زیادی حفظ میکند. به عبارت دیگر بعد از به وجود آمدن جریان الکتریکی ناشی از میدان مغناطیسی در یک سیم ابررسانا، سیم حتی بدون میدان خارجی یا مولد الکتریکی نیز میتواند حامل جریان باشد. اونز این رخداد را در آزمایشگاه دانشگاه لیدن با ایجاد جریان ابررسانایی در یک سیم پیچ و سپس حمل سیم پیچ همراه با سرد کننده ای که در آن سرد نگه می داشت به دانشگاه کمبریج به عموم نشان داد. یافته اونز منجر به اعطای جایزه نوبل فیزیک در سال 1913 به وی شد.
اونز همچنین متوجه شد برای هریک از مواد ابررسانا، دمایی به نام دمای بحرانی وجود دارد که وقتی ماده از این دما سردتر بشود، جسم ابررسانا خواهد شد و در دماهای بالاتر از این دما، جسم دارای مقاومت الکتریکی است. دمای بحرانی عناصر مختلف متفاوت است. مثلا" دمای بحرانی جیوه حدود 5 درجه کلوین، سرب 9 درجه کلوین و نیوبیوم 9.2 درجه کلوین میباشد و برای بعضی آلیاژها وترکیبات مانند Nb3Sn و Nb3Ge، دمای بحرانی به 18و23 درجه کلوین نیز میرسد. البته فلزات رسانایی مانند طلا، نقره و حتی مس نیز هستند که تلاش برای رساندن مقاومت ویژه شان 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 بیازمند وجود هلیوم مایع میباشد که بسیار پر هزینه، خطرناک 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 کنند.
از کشف ابررسانایی در سال 1911 تا کنون، هیچ نظریه فیزیکی جامعی نتوانسته است به بیان دقیق علت خاصیت ابررسانایی بپردازد. در سال 1950، ماکسول[2] و رینولد[3] دریافتند که دمای بحرانی یک ابررسانا به جرم ایزوتوپیک عناصر تشکیل دهنده آن بستگی دارد. نظریه سه فیزیکدان آمریکایی یعنی باردین، کوپر و شریفر برای توجیه پدیده ابررسانایی در ابررساناهای متعارف که در 1957 در دانشگاه ایلی نویز[4] ارائه شد با نام آنها به نظریه BCS معروف گردید. براساس این نظریه در ابررسانای معمولی، الکترونهایی که در رسانایی جریان نقش دارند، جفتهایی تشکیل میدهند و متقابلا" با عواملی که باعث مقاومت الکتریکی میشوند مقابله میکنند. ابداع تئوری BCS نیز برای سه دانشمند آمریکایی جایزه نوبل 1972 را به ارمغان آورد. اینکه 46 سال طول کشید تا توجیهی برای پدیده ابررسانایی یافت شود، دلایلی داشت. دلیل اول اینکه جامعه فیزیک تا حدود بیست سال مبانی علمی لازم برای ارائه راه حل مسئله را که تئوری کوانتوم فلزات معمولی بود نداشت. دوم اینکه تا سال 1934 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 مشخصه حالت عادی است. بنابراین نظریه پردازان توجه شان را به توسعه یک تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب کردند. این مسیر توسط فریتز لاندن[5] رهبری میشد. وی در سال 1953 به نکته زیر اشاره کرد: “ابررسانایی پدیده ای کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی است و با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریک شده بوسیله وقفههای زمانی رخ میدهد.” به علاوه وی بیان داشت که دیامغناطیس شدن ابررساناها یک مشخصه بنیادی است. تئوری BCS در توضیح و تفسیر رویدادهای ابررسانایی موجود و همچنین در پیشگویی رویدادهای جدید نسبتا موفق بود. «حالا باید ببینیم حقایق نظری تا چه حد با مشاهدات همسانند ...؟» جمله ای بود که دیوید شوئنبرگ[6] در ژانویه 1959 سه دانشمند دانمارکی به نامهای آگ بور[7] ،بن موتلسون[8] و دیوید پاینز[9] ، در کپنهاگ نشان دادند که نوترونها و پروتونهای موجود در هسته اتم به خاطر جذب دو سویه شان جفت میشوند و بدینوسیله توانستند معمای قدیمی پدیده هسته ای را توجیه نمایند. در همین زمان یوشیرو نامبو[10] نیز در شیکاگو دریافت که ترتیب جفت شدن BCS بود که پژوهشگران فلزات ابررسانای جدیدی را معرفی کردند و مشتاقانه به دنبال موادی گشتند که در دماهای نسبتا بالاتر از 20 کلوین ابررسانا میشوند. بعد از ارائه تئوری BCS، دو آلیاژ جدید نیز معرفی شدند. یکی مواد الکترون سنگین مانند CeCu2Si2، Upt3 و Ube13 که به عنوان ابررساناهایی در دماهای حدود یک کلوین توسط فرانک استگلیش[11] در آلمان و زاچاری فیسک[12] ، جیم اسمیت[13] و هانس اوت[14] در آمریکا شناخته شدند ودیگری فلزات آلی تقریبا دو بعدی با دمای بحرانی حدود ده کلوین که در پاریس توسط دانیل ژرومه[15] کشف شد. با وجود تلاشهای زیاد بند ماتیوس[16] که حدود صد ماده ابررسانا را کشف کرد، هنوز حد بالایی برای دمای مواد ابرسانا وجود داشت. دمایی که از مکانیسم به کار رفته برای ابررسانایی یعنی تعامل فونونهای القایی[17] ناشی میشد. چنانکه نور کوانتومی را فوتون می نامند، اصوات کوانتومی را نیز فونون نامیده اند.
در سال 1962 اولین سیم ابررسانا به صورت تجاری از آلیاژ تیتانیوم-نیوبیوم ساخته شد. در سال 1962 جوزفسون انگلیسی در 22 سالگی آزمایشاتی روی جفت الکترونهای کوپر انجام داد که منجر به مشاهده و اعلام پدیده ای شد که خاصیت تونل زنی یا اثر جوزفسون نام گرفت. بر اساس اثر جوزفسون، در صورتیکه دو قطعه ابررسانا توسط یک عایق بسیار نازک(حدود یک نانومتر) به یکدیگر متصل شوند، جفت الکترونهای کوپر میتوانند از عایق عبور نمایند. مقدار جریان الکتریکی ایجاد شده به ولتاژ اتصال و میدان مغناطیسی وابسته است. ارائه تئوری مزبور برای جوزفسون و دو دانشمند دیگر یعنی لئو ایزاکی[18] و ایوار گیاور[19] که فعالیتهای مشابهی در برسی پدیده تونل زنی داشتند جایزه نوبل 1973 را به ارمغان آوردند.
حدود 70 سال پیشرفتهای انجام شده برای افزایش دمای بحرانی به کندی انجام گرفت. از سال 1911 تا سال 1973 یعنی حدود 62 سال دانشمندان تنها توانستند دمای بحرانی را از 4 به 3/23 کلوین که کمی بیشتر 20.3 کلوین یعنی دمای ئیدروژن مایع است برسانند اما کار با ئیدروژن مایع نیز پرهزینه، مشکل آفرین و خطرساز بود و کاربردهای ابررسانا را محدود می ساخت. در سالهای بعد علاوه بر فلزات و آلیاژهای فلزی، فعالیتهایی در زمینه ترکیبات نیمه فلزی توسط برخی دانشمندان آغاز شد اما هنوز ماده ای دیگری به جز فلزات و آلیاژها یافت نشده بود که بتواند در دماهای مورد انتظار ابررسانا باشد. سرانجام در 27 ژانویه سال 1986 جرج بدنوز[20] و آلکس مولر[21] در موسسه تحقیقاتی IBM شهر زوریخ سوئیس موفق به کشف پدیده ابررسانایی در سرامیکی از نوع اکسید مس و شامل لانتانوم و باریوم(La2-mBamCuO) شدند. دمای بحرانی نمونه ساخته شده حدود 35 کلوین بود و آنها نی به خاطر کشف ابررساناهای دما بالا(HTS) موفق به دریافت جایزه نوبل در سال 1987 شدند.
طی مدت زمان کوتاهی پس از کشف ابررسانایی دما بالا، دسترسی به دماهای بحرانی بالاتر به سرعت توسعه یافت. یک ماه بعد از کشف بدنوز و مولر، تاناکا[22] وهمکاران وی در توکیو نتایج آنها را تایید نمودند و نتایج را در یکی از نشریات ژاپنی به چاپ رسید. اندکی بعد از کشف اکسید مس حاوی باریوم و لانتانوم، در نتیجه همکاری پاول چو[23] از دانشگاه هوستون[24] و مانگ کنگ وو[25] از دانشگاه آلاباما[26] ، عضو جدیدی از خانواده مواد ابررسانا دما بالا با جایگزینی ایتریوم به جای لانتانوم کشف شد. این ماده سرامیکی(Yba2Cu3O7) که دمای بحرانی آن به 92 درجه کلوین می رسید، به YBCO معروف شد. با توجه به نقطه جوش نیتروژن که 77 کلوین در فشار یک اتمسفر است، برای سرد شدن این ابررسانا تا دمای بحرانی استفاده از نیتروژن مایع هم امکان پذیر بود که بسیار ارزان و بی خطرتر از ئیدروژن و هلیوم مایع بود. بنابراین فقط در طی یک سال از کشف اصلی، دمای انتقال به حالت ابررسانایی افزایش سه برابر داشت و واضح بود که انقلاب ابررساناها شروع شده است. برای پاسداشت تحول مهمی که در علم فیزیک واقع شده بود، توسط انجمن فیزیکدانان آمریکایی در بعدازظهر یکی از روزهای مارس 1987 جشنی هم در نیویورک برگزار شد. این جشن 3000 نفر نیز این جشن را از طریق تلویزیون مداربسته در خارج از محل اصلی تماشا کردند. در طول شش سال بعد، چند خانواده دیگر از ابررساناها کشف شدند که شامل ترکیبات شامل تولیوم(Tl) و جیوه (Hg) بوده و دارای حداکثر دمای بحرانی بیشتر از 120 کلوین بودند. بالاترین مقدار تایید شده دمای بحرانی در فشار معمولی یک اتمسفر، 135 کلوین و متعلق بهHgBa2Ca2Cu3O8+δ میباشد. به صورت تجربی معلوم شده است اگر ماده ابررسانا به صورت مکانیکی تحت فشار قرار گیرد، دمای بحرانی ابررسانا کمی تغییر میکند. در سال 1993، دمای بحرانی 165 درجه کلوین(108- درجه سانتیگراد) نیز در ترکیبی از اکسید مس و جیوه و البته تحت فشارهای خیلی بالا گزارش شد. در نهایت اوایل سال 2009 برای ابررسانای (Tl5Ba4Ca2Cu10Oy) دمای حدود 233 کلوین (40- درجه سانتیگراد) نیز گزارش شده است.
همگی ابررساناهای مورد اشاره یک ویژگی مشترک داشتند. وجود سطوح تراز[27] شامل اتمهای اکسیژن و مس که با مواد حامل بار برای سطوح راز از یکدیگر جدا میشوند. با توجه به کاربردهای مختلف ابررساناها، بسیاری از تلاشها بر افزایش دمای عملکرد ابررساناها تا دستیابی به دمای اتاق[28] متمرکز شده است.
هر چند دمای بحرانی ترکیبات جدید سرامیکی در حد قابل توجهی از دمای بحرانی مواد ابررسانای متعارف (فلزات و آلیاژها) بزرگتر است، به دلیل خصوصیات فیزیکی این مواد مانند شکنندگی و پایین بودن چگالی و جریان بحرانی کاربردهای این مواد هنوز در مرحله تحقیق است. در ابتدای سده بیست و یکم میلادی، ناگاماتسو[29] ابررسانایی را در دی برید منیزیوم (MgB2) با دمای بحرانی39 کلوین دید و بالاخره یک گروه علمی به سرپرستی پروفسور شی زو دو[30] در دانشگاه ولونگونگ[31] استرالیا ابررسانایی از دی برید منیزیوم ساختند که بالاترین رکورد را از نظر خواص مکانیکی در میان ابررسانا دارد. این ابررسانا به شکل سیم یا نوار با پوششی از آهن است و امکان انعطاف برای ساخت تجهیزات مختلف الکتریکی را دارا است.
ابررساناهای جدید عموماً سرامیکی و اکسیدهای فلزی ورقه ورقه هستند که در دمای اتاق مواد نسبتاً بی ارزشی محسوب میشوند و البته کاربردهای متفاوتی نیز دارند. اکسیدهای فلزی ابررسانا در مقایسه با فلزات شامل کمی حامل بار معمولی هستند و داری خواص انیسوتوروپیک[32] الکتریکی و مغناطیسی میباشند. این خواص به نحو قابل ملاحظهای حساس به محتوای اکسیژن میباشند. نمونههای ابررسانای موادی مانندYBa2Cu3O7 را یک دانش آموز دبیرستانی نیز میتواند در یک اجاق میکروویو تولید کند اما برای تشخیص خواص فیزیکی ذاتی، کریستالهای یکتایی با درجه خلوص بالا مورد نیاز است که فرآیند ساخت پیچیدهای دارند.
بعد از کشف ابرساناها، تا چند سال تصور میشد رفتار مغناطیسی ابررسانا مانند رساناهای کامل است. اما در سال 1933 مایسنر[33] و اوشنفلد[34] دریافتند اگر ماده مورد آزمایش قبل از ابرسانا شدن در میدان مغناطیسی باشد، شار از آن عبور میکند ولی وقتی در حضور میدان به دمای بحرانی برسد و ابررسانا گردد دیگر هیچ گونه شار مغناطیسی از آن عبور نخواهد کرد و تبدیل به یک دیامغناطیس کامل میشود که شدت میدان(B) درون آن صفر خواهد بود. آنها توزیع شار در خارج نمونههای قلع و سرب را که در میدان مغناطیسی تا زیر دمای گذار سرد شده بودند را اندازهگیری و مشاهده کردند که ابررسانا دیامغناطیس کامل شده و تمام شار به بیرون رانده شد. این آزمایش نشان داد که ماده ابررسانا چیزی بیشتر از ماده رسانای کامل است. براساس ویژگی مهم ابررساناها، فلزات در حالت ابررسانایی هرگز اجازه نمیدهند که چگالی شار مغناطیسی در درون آنها وجود داشته باشد. به عبارت دیگر در داخل ابررسانا همیشه B=0 است. این پدیده به اثر مایسنر معروف شد.
در اثر پدیده مایسنر اگر یک آهنربا روی ماده ابررسانا قرار گیرد، روی آن شناور میماند. در شکل شماره زیر یک آهنربای استوانه ای روی یک قطعه ابرسانا که توسط نیتروژن خنک شده شناور است. علت شناور ماندن، اثر مایسنر است که براساس آن خطوط میدان مغناطیسی امکان عبور از ابررسانا را نیافته و چنانکه مشاهده میشود، قرص مغناطیسی را شناور نگه می دارد.
پس از کشف دیامغناطیس بودن ابررساناها، در سال 1950 آْلیاژهای ابررسانایی مانند PbBi و 2PbTi کشف شدند که میدانهای بحرانی خیلی بالایی از خود نشان می دادند. پژوهشهای بعدی نشان داد که این مواد نوع متفاوتی از ابررساناها هستند که بعدا" نوعII نامیده شدند. لاندن با استفاده از موازنه انرژی در محدوده کوچکی بین مرز فازهای ابررسانا و نرمال، شرط تعادل فاز را بدست آورده و به حضور یک سطح انرژی دیگر با منشا غیر مغناطیسی اشاره کرد که علاوه بر انرژی بین دو فاز ابررسانا ونرمال وجود داشت. وی متذکر شد که اگر سطح انرژی کل مثبت باشد ابررسانایی از نوع اول و اگر منفی باشد از نوع دوم است که در این صورت میدان مغناطیسی به درون ابررسانا نفوذ میکند. در سال 2003 نیز آلکسی آبریکوزوف[35] و ویتالی گینزبورگ[36] به خاطر بسط تئوری ابررسانایی همراه با آنتونی لگت[37] برنده جایزه نوبل فیزیک شدند.
سپس پژوهشگران فرانسوی خاصیت جدیدی را در ابررساناها پیدا کردهاند که قبلا در هیچ نظریه ای پیش بینی نشده بود. چنانکه اشاره شد خواص ابررسانایی در مواد، به دمای محیط، میدان مغناطیسی و شدت جریان عبوری بستگی دارد. محققان فرانسوی بلوری از UrhGe ساخته بودند که در دمای 0.04 کلوین ابررسانا میشد و وقتی شدت میدان مغناطیسی به بیشتر از 2 تسلا می رسید، این خاصیت از بین می رفت. یکی از پژوهشگران این گروه، از روی کنجکاوی، شدت میدان مغناطیسی را را بازهم بیشتر کرد. وقتی شدت میدان به 12 تسلا رسید، بلور دوباره ابررسانا شد. وقتی میدان بازهم بالاتر رفت، این خاصیت دوباره از بین رفت. این گزارش که اخیرا در نشریه ساینس به چاپ رسیده، توجه بسیاری از فیزیکدانان حالت جامد را برانگیخته است چرا که توضیح خاصی برای این پدیده وجود ندارد. با توجه به موارد گفته شده، به نظر میرسد که میدان مغناطیسی متغییر باعث ایجاد رفتارهای جالب پیش بینی نشده در ابررساناها میشود. البته باید توجه داشت که ابررسانایی یک خاصیت کاملا کوانتومی است و به سادگی نمیتوان وضعیت پیش آمده در این آزمایش را توصیف کرد.
در اوایل سال 2010 محققان دانشگاه شریف موفق به ساخت لایه نازک ابررسانایی شدند. محققان، ابررسانای YBCO کیفیت بالا[38] را به روشMOD[39] طراحی و ساختند. به گزارش خبرنگار علمی خبرگزاری فارس، مهدی فردمنش پژوهشگر و مسئول آزمایشگاه ادوات و مدارهای ابررسانایی دانشکده مهندسی برق دانشگاه صنعتی شریف در این خصوص گفت: لایه نازک ابررسانایی YBCO به روش MOD دارای کاربردهای متعددی از جمله ساخت سیم ابررسانای نسل دوم، ساخت فیوز ابررسانا، ساخت ادوات مایکروویو دارند. ساخت ابررسانا با این روش به علت بهینه کردن پارامترهای بسیار مختلف، برای ساخت نمونههای با کیفیت بالا، بسیار دشوارتر از روشهای معمول بوده و به همین دلیل در سطح بینالملل نادر است. یکی از مهمترین مشخصههایی که نمایانگر کیفیت بالای ابررسانا است، جریان بحرانی آن است. نمونههای ساخته شده به این روش میتوانند دارای جریان بحرانی افزون بر MA/cm210 در K77 باشند، که بیشتر از نمونههای ساخته شده به روشهای دیگر است. معاون پژوهشی دانشکده مهندسی برق دانشگاه صنعتی شریف گفت: ابررسانای ساخته شده در این آزمایشگاه بر روی زیرلایه کریستال توسط اسپین کوتر لایه نشانی شده است. محلول مربوطه شامل مواد ایتریم (Y)، باریم(Ba) و مس(Cu) به نسبتهای به ترتیب 1، 2 و 3 است. فیلم لایهنشانی شده ابتدا در دمای مناسب کلسینه میشود، سپس فیلم را تحت جریان اکسیژن-آرگون با نسبت مناسب قرار داده و در نهایت، مرحله اکسیژن گیری با جریان اکسیژن خالص انجام میشود. مشخصه یابیهای مختلف انجام شده برروی فیلم، نمایانگر کیفیت بالای فیلم بدست آمده است. به گزارش فارس، این پروژه در آزمایشگاه ادوات و مدارهای ابررسانایی دانشکده مهندسی برق انجام شده و اساتید همکار این پروژه محمد علی وساقی و یکی از اساتید دانشگاه مونیخ آلمان، به همراه سید مهدی حسینی و علی مفتخرزاده دانشجویان مقطع دکترا بودهاند.
در 6 دسامبر2011 سایت سوپرکانداکتور[40] کشف اولین ابررسانای دمای اتاق(نزدیک 28 درجه سلسیوس) صحیح را اعلام کرد (Tl5Pb2Ba2Mg2Cu9o17+) از آن پس علاقه هزاران نفر از مردم به آن زیاد شد. البته لازم به ذکر است که ابررسانا دمای اتاق نامبرده همانند ابررسانای کشف شده در مارس 2011 که در دمای 18 سلسیوس بود در شرایط خاصی در دمای اتاق ابررسانا میشود. به دنبال تجاری سازی این محصول به بسیاری از مراکز تحقیقات امریکایی و مراکز تحقیقات ابررسانایی مطرح نامه نگاری شد ولی بیشتر آنها حتی حاضر به پاسخ دادن نامه نبودند و مابقی هم علاقهای به این موضوع نداشتند. و اینکه با وجود سه درخواست که با مشارکت D.O.E [41]به کاخ سفید انجام گرفت، هیچ پاسخی دریافت نشد.
[1] Nikola Tesla
[2] Maxwell
[3] Reynolds
[4] Illinois
[5] Fritz London
[6] David Schoenberg
[7] Aage Bohr
[8] Ben Mottleson
[9] David Pines
[10] Yoichiro Nambu
[11] Frank Steglich
[12] Zackary Fisk
[13] Jim Smith
[14] Hans Ott
[15] Daniel Jerome
[16] Bend Matthias
[17] Phonon Induced Interaction
[18] Leo Esaki
[19] Ivar Giaever
[20] George Bednorz
[21] Alex Mueller
[22] Tanaka
[23] Paul Chu
[24] Houston
[25] Mang Kang Wu
[26] Alabama
[27] Planes
[28] Room Temperature
[29] Nagamatsu
[30] Shi Xue Dou
[31] Wollongong
[32] Anisotropic
[33] Walther Meissner
[34] Robert Ochsenfeld
[35] Alexei Abrikosov
[36] Vitaly Ginzburg
[37] Anthony J.Leggett
[38] Ultra YBCO
[39] Metal Organic Deposition
[40] Superconductors.ORG