1- مقاومت ناچیز در مقابل عبور جریان مستقیم و توانایی عبور چگالی جریان بالا:
امروزه صرفهجویی در مصرف انرژی یکی از مهم‌ترین نیازهای کشورهای صنعتی است. بودجه‌های زیادی صرف تحقیقات در زمینه کشف راه‌های تازه و موثرتر برای یافتن انرژی‌های ارزان و با ریسک کمتر می‌شود. بر پایه این پدیده، بارهای الکتریکی می‌توانند بدون تلفات گرمایی از یک رسانا عبور کنند. بنابراین ابررسانایی با نقشی که می‌تواند در زمینه صرفهجویی در تولید و انتقال انرژی الکتریکی بازی کند، در آینده بشر نقشی اساسی خواهد داشت و به همین دلیل در سال‌های اخیر بیش از 10 هزار پژوهشگر با صرف هزینه‌های زیاد، تحقیقات خود را روی موضوع ابررسانایی و کاربردهای آن در علوم مختلف متمرکز کرده‌اند. با توجه به مقاومت تقریبا صفر، ابررساناها در شبکه‌های توزیع و انتقال و همچنین ماشین‌های الکتریکی قابل استفاده هستند. این خاصیت موجب می‌شود اگر جریانی در یک ابررسانا ایجاد شود، بدون کاهش قابل توجهی برای مدت طولانی برقرار بماند. همینطور شدت جریان عبوری از ابررسانا نیز به علت فقدان افت اهمی بسیار بالاست. برای مثال آلیاژ نیوبیوم و تیتانیوم که در درجه حرارت 4/4 کلوین به حالت ابررسانایی می‌رسد قادر به عبور جریان 2هزار آمپر بر میلیمتر مربع در شدت میدان 5 تسلا است. این چگالی یکصد بار بیشتر از چگالی جریان در سیم‌های مسی معمولی است. البته در صورت افزایش چگالی جریان از حد معینی، ابررسانا در وضعیت مقاومتی قرار می‌گیرد و خصوصیت ابررسانایی را از دست خواهد داد. جریان یا چگالی جریانی که ابررسانا می‌تواند از خود عبور دهد و خاصیت ابررسانایی را از دست ندهد به جریان بحرانی یا چگالی جریان بحرانی معروف است.
2- توانایی در تولید میدان‌های مغناطیسی قوی:
پدیده ابررسانایی در فناوری‌های جدید از توانایی‌های گسترده‌ای برخوردار است. خواص ابررسانایی در مواد، علاوه بر دمای محیط و شدت جریان عبوری، به میدان مغناطیسی هم بستگی دارد یعنی حتی اگر جسم در دمایی پایین‌تر از حد ابررسانایی باشد، وقتی میدان مغناطیسی از میزان مشخصی بیشتر باشد، خاصیت ابررسانایی از بین خواهد رفت. از این میدان‌ها می‌توان در قطارهای مغناطیسی استفاده کرد. شدت این میدان‌ها برای آلیاژ نیوبیوم و تیتانیوم (NbTi) به حدود 10 تسلا نیز می‌رسد. شدت میدان مغناطیسی در جهت از بین بردن خاصیت ابررسانایی عمل می‌کند. میدان بحرانی به شدت میدانی اشاره دارد که ابررسانا خاصیت خود را در آن شدت میدان از دست می‌دهد. برای توضیح خصوصیات مغناطیسی ابررسانا، فرض کنید که در غیاب هرگونه مغناطیسی ابتدا مقاومت ابررسانا با سرد شدن از بین برود و سپس میدان مغناطیسی به آن اعمال شود. به دلیل آنکه چگالی شار نمی‌تواند در داخل فلز تغییر کند، باید حتی بعد از اعمال میدان مغناطیسی نیز صفر باقی بماند. در واقع اعمال میدان مغناطیسی، جریان‌های بدون مقاومتی را القا می‌کند که در سطح نمونه طوری گردش می‌کنند که چگالی شار مغناطیسی آنها در داخل نمونه دقیقا برابر و در جهت مخالف چگالی شار میدان مغناطیسی اعمال شده باشد و از آنجایی که این جریان‌ها از بین نمی‌روند، چگالی شار خالص در داخل نمونه صفر باقی می‌ماند.
سال‌های بسیاری تصور می‌شد که تمام ابررساناها بر اساس اصول فیزیکی مشابهی رفتار می‌کنند اما اکنون ثابت شده ابررساناها با توجه به رفتار فیزیکی، به 2 گروه مختلف که به ابررساناهای نوع I وII معروفند باید دسته‌بندی شوند. بیشتر عناصر در شرایط ابررسانایی، رفتار ابررسانایی از نوع I را از خود نشان می‌دهند اما تعداد کمی از عناصر و بیشتر آلیاژها عموما رفتار ابررسانایی از نوع II را بروز می‌دهند.
توجیه اختلاف بین ابررساناهای نوع Iو II مبتنی بر مسافت آزاد میانگین الکترون‌های هدایتی در فاز نرمال است. مقاومت الکترونی در مواد ابررسانای نوع I یعنی آلیاژها و فلزات واسط در حالت عادی کوتاه است اما با افزودن مقداری از یک عنصر خاص، مسافت آزاد میانگین الکترون‌های هدایتی افزایش یافته و ابررسانای نوع اول به ابررسانای نوع دوم تبدیل می‌شود. از نظر مغناطیسی، ابررساناهای نوع اول دارای 2 محدوده و ابررساناهای نوع دوم دارای 3 ناحیه برای فعالیت هستند.
3- خاصیت تونل‌زنی:
این مشخصه به این معنی است که اگر 2 ابررسانا را خیلی به هم نزدیک کنیم، مقداری از جریان یکی به دیگری نشت می‌کند. در 2 سر این پیوندگاه یا تونل هیچ ولتاژی وجود ندارد. یعنی میزان جریان نشتی به ولتاژ بستگی ندارد ولی به میدان مغناطیسی و تابش مغناطیسی حتی در مقادیر خیلی کوچک بشدت وابسته است.
اندازه‌گیری مقاومت ابررسانا
«اونس» برای اندازه‌گیری مقاومت ابررسانا آزمایشی را به این صورت طرح کرد که ابتدا جریانی را در 2 سر یک پیچه برقرار کرد و سپس آن را داخل یک ظرف هلیوم مایع فروبرد تا به حالت ابررسانایی درآید. سپس 2 سر پیچه را به هم وصل کرد تا اتصال کوتاه شود. سپس با قرار دادن یک قطب‌نما، هرگونه افت در میعان مغناطیسی تولید شده توسط جریان در پیچه را اندازه گرفت. چنین آزمایشی، چندین سال بعد در MIT (موسسه فناوری ماساچوست) در ابعاد بسیار بزرگ انجام شد و پس از مدت 2 سال هیچگونه افت جریانی مشاهده نشد اما سرانجام اعتصاب صنفی کارگران بخش حمل و نقل در ایالت ماساچوست موجب شد هلیوم مایع بموقع به آزمایشگاه نرسد و آزمایش متوقف شود.
کشفی ناامید‌کننده
کشف خاصیت ابررسانایی در نخستین مراحل، دانشمندان را مصمم به ساخت منبع لایزالی برای تولید انرژی کرد یعنی ساخت سیم‌پیچ‌هایی عظیم از ابررسانا برای صرفهجویی در مصرف برق. اما این بار هم اونس بود که نشان داد زیاد شدن میدان مغناطیسی موجب از بین رفتن خاصیت ابررسانایی می‌شود. در واقع هم دما و هم میدان مغناطیسی و هم شدت جریان الکتریکی عبوری در ایجاد خاصیت ابررسانایی در فلزات موثر است. اگر میدان مغناطیسی در محیط ایجاد شود، دمای ابررسانی پایین‌تر می‌رود.
تکنولوژی ابررساناها
در ارتباط با ابررساناهای جدید در دمای بالا تاکنون هیچ کاربرد تجاری در گستره دمایی که فعلا کشف شده (زیر ۲۰۰ کلوین) به طور کامل به منصه ظهور نرسیده است. حتی در آزمایش‌های فضایی که در دمایی پایین‌تر از دمای گذار به ابررسانایی در این مواد انجام می‌شود، پژوهشگران ترجیح می‌دهند از همان ابررساناهای قبلی و در محیط هلیوم مایع استفاده کنند تا به تمام جنبه‌های مساله مسلط باشند. فوری‌ترین کاربرد برای ابررساناهای دمای بالا ساخت تراشه‌های فوق‌سریع است که انقلابی عظیم را در فناوری اطلاعات ایجاد خواهد کرد که با اختراع ترانزیستور‌ها قابل قیاس است. یکی از کاربردهای ابررساناها با توجه به حساسیت آنها به میدان مغناطیسی اکتشافات معدنی، زمین‌شناختی و حتی ردیابی زیردریایی‌هاست. ساخت قطارهایی که با استفاده از خاصیت ابررسانایی میدان مغناطیسی تولید می‌کنند که آنها را بالاتر از سطح زمین و بدون هیچگونه اصطکاک با ریل که موجب تلف کردن مقدار زیادی از انرژی می‌شود، قطار را به حرکت درمی‌آورد، یکی از شناخته شده و معروف‌ترین کاربردهای ابررسانایی است. این قطار‌ها قادرند مسافت بیش از ۵۰۰ کیلومتر را در کمتر از یک ساعت بپیمایند. به کار بردن ابررساناها در خطوط انتقال نیرو حتی با احتساب همه هزینه‌های سرد نگه داشتن ابررسانا رقمی معادل ۷۰ تا ۸۰ درصد صرفهجویی در مصرف برق را نشان می‌دهد که بسیار عظیم است. به کار بردن ابررساناها در وسایل تحقیقاتی (مثل شتاب‌دهنده‌ها) و وسایل پزشکی (مثل دستگاه MRI) از کاربردهای عادی ابررساناها شده است. به کار بردن ابررساناهای سرامیکی مزیت دیگری هم دارند و آن اینکه برای سرد کردن آنها (با توجه به دمای بالاتر نسبت به ابررساناهای فلزی) به جای هلیوم مایع می‌توان از نیتروژن مایع استفاده کرد که بسیار ارزان‌تر و فراوان‌تر است. یکی از مهم‌ترین مسائل فنی، تبدیل ابررسانای سرامیکی به هلیوم است که باید حل شود و تا آن زمان چاره‌ای جز صبر نداریم.
منبع: مرکز تحقیقات فشار قوی و مواد مغناطیسی
دانشگاه علم و صنعت ایران