مکانیسم‌های اصلی ابررسانایی: مقایسه انواع اول، دوم و ابررساناهای دمای بالا

ابررسانایی توانایی مواد خاصی است که الکتریسیته را با مقاومت دقیقاً صفر هدایت کنند و همزمان میدان‌های مغناطیسی را دفع نمایند. این پدیده یک رفتار واحد و یکنواخت در تمام مواد نیست، بلکه به سه رژیم مکانیکی متمایز تقسیم می‌شود: نوع اول (Type-I)، نوع دوم (Type-II) و کوپرات‌های دمای بالا. به زبان ساده، مواد نوع اول میدان‌های مغناطیسی را کاملاً دفع می‌کنند اما فقط در سرمای شدید کار می‌کنند؛ مواد نوع دوم به میدان‌های مغناطیسی اجازه می‌دهند در لوله‌های میکروسکوپی نفوذ کنند و این امکان را فراهم می‌سازند که در برابر نیروهای مغناطیسی بسیار قوی‌تر مقاومت کنند؛ و کوپرات‌های دمای بالا قوانین مرسوم را به طور کامل می‌شکنند و بالاتر از آستانه حیاتی نیتروژن مایع عمل می‌کنند.[8]

اساس ابررسانایی مرسوم در نظریه BCS نهفته است که نام خود را از جان باردین، لئون کوپر و رابرت شریفر گرفته است. در یک رسانای معمولی، الکترون‌ها به شبکه اتمی در حال ارتعاش برخورد می‌کنند و انرژی را به صورت گرما از دست می‌دهند—این همان مقاومت الکتریکی است. اما در یک ابررسانای نوع اول که نزدیک به صفر مطلق خنک شده است، یک الکترون در حال عبور، شبکه با بار مثبت را کمی به سمت خود می‌کشد و یک موج کوچک از بار مثبت بالا ایجاد می‌کند. الکترون دومی جذب این موج می‌شود و این دو الکترون را به یک «جفت کوپر» پیوند می‌دهد. از آنجایی که این جفت‌ها به عنوان یک موجودیت کوانتومی واحد (یک بوزون) عمل می‌کنند، بدون برخورد از شبکه عبور می‌کنند و در نتیجه مقاومت الکتریکی صفر می‌شود.[1]

ابررساناهای نوع اول همچنین اثر مایسنر کامل را نشان می‌دهند: آن‌ها میدان‌های مغناطیسی را به طور کامل از درون خود دفع می‌کنند. با این حال، همین کمال بزرگترین محدودیت آن‌هاست. اگر میدان مغناطیسی خارجی بیش از حد قوی شود، یا اگر جریان الکتریکی عبوری از ماده، میدان مغناطیسی بیش از حدی تولید کند، جفت‌های کوپر از هم گسسته می‌شوند. حالت ابررسانایی فوراً فرو می‌ریزد. به دلیل این شکنندگی، مواد نوع اول مانند سرب خالص یا آلومینیوم عمدتاً به محیط‌های محاسبات کوانتومی بسیار کنترل‌شده و آشکارسازهای مغناطیسی فوق‌حساس محدود می‌شوند.[1][8]

برای ساخت آهنرباهای الکتریکی قدرتمند جهت دستگاه‌های MRI یا شتاب‌دهنده‌های ذرات، مهندسان به ابررساناهای نوع دوم متکی هستند. این مواد معمولاً آلیاژهایی مانند نیوبیوم-تیتانیوم هستند که میدان‌های مغناطیسی را به شکل متفاوتی مدیریت می‌کنند. مواد نوع دوم به جای دفع کامل میدان، به شار مغناطیسی اجازه می‌دهند که در لوله‌های میکروسکوپی و کوانتومی‌شده‌ای به نام گردابه‌های آبریکوسوف (Abrikosov vortices) به داخل آن‌ها نفوذ کند. ماده درون این لوله‌ها به حالت عادی و مقاومتی بازمی‌گردد، اما ماده اطراف لوله ابررسانا باقی می‌ماند.[6][7]

این «حالت گردابه‌ای» یک مصالحه درخشان در فیزیک است. با اجازه دادن به میدان مغناطیسی که در رشته‌های مجزا عبور کند، بخش عمده‌ای از ماده می‌تواند خواص ابررسانایی خود را حتی تحت فشار مغناطیسی عظیم حفظ کند. چالش اصلی مهندسی در مواد نوع دوم، «تثبیت» این گردابه‌ها در جای خود است. اگر جریان الکتریکی گردابه‌ها را به حرکت درآورد، حرکت آن‌ها گرما تولید کرده و مقاومت الکتریکی ایجاد می‌کند. با وارد کردن نقص‌های میکروسکوپی در ساختار بلوری ماده، دانشمندان مواد می‌توانند گردابه‌ها را به دام اندازند و به آلیاژ اجازه دهند جریان‌های عظیمی را در میدان‌های مغناطیسی بالا حمل کند.[7][8]

مواد نوع اول و نوع دوم مرسوم هر دو یک محدودیت عملیاتی جدی دارند: آن‌ها باید تا نزدیکی صفر مطلق خنک شوند، که معمولاً به هلیوم مایع گران‌قیمت و دشوار برای نگهداری نیاز دارد. این وضعیت در سال ۱۹۸۶ با کشف ابررساناهای دمای بالا، به ویژه دسته‌ای از سرامیک‌ها که به کوپرات‌ها معروفند، به شدت تغییر کرد. این مواد دارای لایه‌های متناوب از صفحات اکسید مس هستند و می‌توانند در دماهای بالاتر از ۷۷ کلوین به ابررسانایی دست یابند.[4][7]

آستانه ۷۷ کلوین مهم‌ترین عدد در ابررسانایی کاربردی است، زیرا نقطه جوش نیتروژن مایع است. نیتروژن مایع ارزان، فراوان و از نظر مهندسی سیستم‌های خنک‌کننده بسیار آسان‌تر از هلیوم مایع است. کوپرات‌ها ناگهان کاربردهای ماکروسکوپی—مانند کابل‌های انتقال برق بدون اتلاف و آهنرباهای پیشرفته راکتور همجوشی—را از نظر اقتصادی و فنی امکان‌پذیر ساختند.[4][6]

با این حال، مکانیسم محرک ابررسانایی دمای بالا در کوپرات‌ها همچنان یکی از عمیق‌ترین رازهای حل‌نشده در فیزیک ماده چگال باقی مانده است. جفت‌شدن با واسطه فونون در نظریه BCS نمی‌تواند توضیح دهد که چگونه جفت‌های کوپر در چنین دماهای بالایی تشکیل می‌شوند؛ انرژی حرارتی باید به راحتی آن‌ها را از هم بپاشد. شواهد قویاً نشان می‌دهد که «چسب» پیونددهنده الکترون‌ها در کوپرات‌ها به جای ساختاری، مغناطیسی است.[1][2][5]

در صفحات اکسید مس یک کوپرات، الکترون‌ها به شدت فشرده و قویاً همبسته هستند، به این معنی که رفتار یک الکترون به شدت بر همسایگانش تأثیر می‌گذارد. فیزیکدانان بر این باورند که نوسانات در اسپین‌های مغناطیسی این الکترون‌ها—به جای ارتعاشات در شبکه اتمی—واسطه جفت‌شدن هستند. هنگامی که یک الکترون در صفحه حرکت می‌کند، ردی از اسپین‌های مغناطیسی آشفته بر جای می‌گذارد که سپس الکترون دوم را جذب می‌کند.[2][3]

در حالی که کلیات این جفت‌شدن مغناطیسی به طور گسترده پذیرفته شده است، مدل ریاضی دقیق آن همچنان به شدت مورد مناقشه است. محققان دهه‌ها صرف اجرای شبیه‌سازی‌های پیچیده مدل هابارد (Hubbard model)—یک چارچوب ریاضی مورد استفاده برای توصیف الکترون‌های در حال تعامل در یک شبکه—کرده‌اند تا ثابت کنند آیا این مدل به طور طبیعی منجر به ابررسانایی می‌شود یا خیر. پیشرفت‌های محاسباتی اخیر شواهد قوی ارائه کرده‌اند که مدل هابارد واقعاً از ابررسانایی پشتیبانی می‌کند و مکانیسم را در کانون توجه بیشتری قرار می‌دهد، اگرچه هنوز یک نظریه کامل و مورد پذیرش جهانی وجود ندارد.[2][3][5]

عدم قطعیت پیرامون مکانیسم کوپرات فقط یک مشکل آکادمیک نیست؛ بلکه گلوگاه اصلی در کشف مواد ابررسانای جدید است. بدون یک نظریه پیش‌بینی‌کننده، دانشمندان مواد عمدتاً مجبورند به روش آزمون و خطا تکیه کنند، ترکیبات سرامیکی مختلف را دوپ کنند و نتایج را اندازه‌گیری نمایند. اگر فیزیکدانان بتوانند مکانیسم جفت‌شدن کوپرات را به طور قطعی حل کنند، می‌تواند نقشه‌ای برای مهندسی یک ابررسانای واقعی در دمای اتاق فراهم کند.[4][5][8]

تا زمانی که آن پیشرفت نظری رخ دهد، دنیای کاربردی همچنان محدودیت‌های مواد شناخته‌شده را جابجا می‌کند. کوپرات‌های دمای بالا در حال حاضر به صورت نوارهای انعطاف‌پذیر (REBCO) تولید می‌شوند تا نسل بعدی راکتورهای همجوشی فشرده را بسازند، در حالی که آلیاژهای مرسوم نوع دوم همچنان ابزار اصلی تصویربرداری پزشکی و فیزیک ذرات باقی مانده‌اند. مکانیسم جفت شدن و جریان یافتن الکترون‌ها بدون مقاومت ممکن است در این مواد به شدت متفاوت باشد، اما تأثیر جمعی آن‌ها بر انرژی و فناوری مطلق است.[6][7][8]