വരാനിരിക്കുന്നത് സൂപ്പര് കണ്ടക്ടറുകളുടെ നാളുകൾ

വരാനിരിക്കുന്നത് സൂപ്പര് കണ്ടക്ടറുകളുടെ നാളുകൾ

Sabu Jose

ഇന്ന് ലോകത്ത് ഉല്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഊര്ജത്തിന്റെ നഷ്ടത്തില് പകുതിയും സംഭവിക്കുന്നത് പ്രസരണത്തിലാണ്. അതിചാലകത ഉപയോഗപ്പെടുത്താന് കഴിഞ്ഞാല് പ്രസരണനഷ്ടം ഒഴിവാക്കാന് കഴിയുമെന്നാണ് ആധുനിക ഗവേഷണങ്ങള് തെളിയിക്കുന്നത്. കാന്തിക പ്ലവന തത്വമനുസരിച്ച് അവിശ്വസനീയമായ വേഗതയില് ഭൂമിയുടെ കാന്തിക ക്ഷേത്രം ഉപയോഗിച്ച് സഞ്ചരിക്കുന്ന വാഹനങ്ങള്, ഇന്നുള്ളതിന്റെ ആയിരക്കണക്കിന് ഇരട്ടി ശക്തിയും ബുദ്ധി കൂര്മതയുമുള്ള സൂപ്പര് കംപ്യൂട്ടറുകള്, അസാധാരണ കഴിവുകളുള്ള വൈദ്യുത ഉപകരണങ്ങള്, അണുസംയോജനം വഴി ഊര്ജം ഉല്പാദിപ്പിക്കുന്ന അപകട രഹിതമായ ആണവറിയാക്ടറുകള് തുടങ്ങി ലോകത്തിന്റെ മുഖഛായ തന്നെ മാറ്റാന് കഴിയുന്ന കണ്ടുപിടിത്തങ്ങളാണ് അതിചാലകതയെ അടിസ്ഥാനമാക്കി സങ്കല്പിക്കപ്പെട്ടിട്ടുള്ളത്.

ചാലകങ്ങളിലൂണ്ടാകുന്ന വൈദ്യുതരോധത്തിന്റെ പ്രധാന കാരണം വൈദ്യുതി ചാലന സമയത്ത് ചൂട് കാരണമുണ്ടാകുന്ന പ്രതിരോധമാണ്. താപനില സാധ്യമായിടത്തോളം താഴ്ത്തിക്കൊണ്ടു വരികയാണ് അതിനുള്ള പ്രതിവിധി. കേവല പൂജ്യം അഥവാ പൂജ്യം കെല്വിന് (-273 ഡിഗ്രി സെല്ഷ്യസ്) താപനിലയില് ചാലകങ്ങളുടെ രോധം പൂര്ണമായി നഷ്ടമാകും. ഊര്ജം പ്രസരണ നഷ്ടം കൂടാതെ ചാലകങ്ങളിലൂടെ പ്രവഹിക്കും. എന്നാല് ഈ താപനില നിലനിര്ത്തിക്കൊണ്ട് പോകാന് വളരെബുദ്ധിമുട്ടും പണച്ചെലവ് ഏറെയുമാണ്. ഇപ്പോള് പരീക്ഷണശാലയുടെ പുറത്ത് 4.2 കെല്വിന് താപനില്യില് വരെ അതിചാലകത സൃഷ്ടിക്കാന് കഴിഞ്ഞിട്ടുണ്ട്. അതിനായി ഉപകരണങ്ങള് ദ്രവ ഹീലിയം നിറച്ച സംഭരണികളില് താഴ്ത്തിയിടേണ്ടതുണ്ട്. അതുകൊണ്ടാക്കെത്തന്നെ അതിചാലകത ഉപയോഗിക്കുന്ന മേഖലകള് ഇന്ന് ചുരുക്കമാണ്. അവ കാന്തിക പ്ലവന രീതിയില് ചലിക്കുന്ന അതിവേഗ ട്രെയിനുകള്, കാന്തിക അനുരണന ബിംബവത്ക്കരണ ഉപകരണങ്ങള്, അണുസംയോജന ഗവേഷണത്തിനുപയോഗിക്കുന്ന ഉപകരണങ്ങള് എന്നിവയിലൊക്കെ ഒതുങ്ങി.

താപനില കുറയുമ്പോള് ഒരു ചാലകത്തിന്റെ വൈധ്യുത രോധം പൂജ്യത്തോടടുക്കും. ആ സമയം അവയുടെ ചാലകത അസാധാരണമാം വിധം വര്ധിക്കും. ഈ പ്രതിഭാസമാണ് അതിചാലകത. 1911 ഡച്ച് ഭൗതിക ശാസ്ത്രജ്ഞനായ കാമര്ലിങ് ഓണ്സ് ആണ് അതിചാലകത കണ്ടുപിടിച്ചത്. ആ സമയത്ത് വളരെയധികം താഴ്ന്ന താപനിലയില് മാത്രമേ അതിചാലകത സാധ്യമാകുമായിരുന്നുള്ളൂ. എന്നാല് പിന്നീട് നടന്ന ഗവേഷണങ്ങള് ഉയര്ന്ന താപനിലയിലും അതിചാലകത സാധ്യമാകും എന്ന് കണ്ടെത്തി.
വൈദ്യുതി യഥേഷ്ടം കടന്നുപോകുന്ന വസ്തുക്കളെയാണ് ചാലകങ്ങള് എന്നു വിളിക്കുന്നത്. ഇരുമ്പ്, ചെമ്പ്, അലുമിനിയം മുതലായ ലോഹങ്ങള് നല്ല ചാലകങ്ങളാണ്. എന്നാല് ഈ ചാലകങ്ങളിലെല്ലാം വൈദ്യുതി കടന്നുപോകുന്നതിന് പ്രതിരോധവും ഉണ്ട്. ഈ പ്രതിരോധം ഊഷ്മാവ് കുറയുന്നതിനനുസരിച്ച് ക്രമമായി കുറയും. താപനില കുറഞ്ഞു കുറഞ്ഞ് കേവല പൂജ്യത്തോടടുക്കുമ്പോള് വൈദ്യുത വാഹന ക്ഷമത സീമാതീതമായി വര്ധിക്കുന്നു. ഇതാണ് അതിചാലകതയുടെ ശാസ്ത്രം.

ചാലകങ്ങളിലെ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളുടെ പ്രവര്ത്തനം കാരണമാണ് അവയിലൂടെ വൈദ്യുതി പ്രവഹിക്കാന് കാരണം. ഊഷ്മാവ് കൂടുമ്പോള് ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ചലനത്തിന് തടസമുണ്ടാവുകയും വൈദ്യുത വാഹനശേഷി കുറയുകയും ചെയ്യുന്നു. ഊഷ്മാവ് കുറയുമ്പോള് പ്രതിരോധം കുറയുകയും വൈദ്യുത വാഹനശേഷി വര്ധിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇവയാണ് അതിചാലകങ്ങള്. എല്ലാ ലോഹങ്ങളും അതിചാലകങ്ങളല്ല. ലെഡ്, ടിന്, മെര്ക്കുറി തുടങ്ങിയ മൂലകങ്ങള് അതിചാലക സ്വഭാവം കാണിക്കുന്നവയാണ്. എന്നാല് ഉയര്ന്ന കാന്തികക്ഷേത്രം സൃഷ്ടിക്കാന് പാകത്തിലുള്ള വൈദ്യുതി കടത്തിവിടുമ്പോള് അവ അതിചാലക സ്വഭാവം ഉപേക്ഷിക്കും. എന്നാല് പുതിയ സംയുക്തങ്ങളായ നിയോബിയം, ടൈറ്റാനിയം എന്നിവയുടെ ഓക്സൈഡുകളുടെ സങ്കരങ്ങള്ക്ക് ഈ പ്രശ്നമില്ല. ഉയര്ന്ന മര്ദത്തില് താപനില 52 കെല്വിനില് വരെ ഇവ അതിചാലകത പ്രദര്ശിപ്പിക്കും. എന്നാല് മര്ദം അന്തരീക്ഷ മര്ദത്തിന്റെ ആയിരം മടങ്ങാകുമ്പോള് ഈ സംയുക്തങ്ങളുടെ തന്മാത്രാ ഘടന നശിക്കുന്നതായി കണ്ടെത്തി. പിന്നീട് യിട്രിയം എന്ന മൂലകം അടങ്ങിയ സംയുക്തങ്ങള് ഉപയോഗിച്ചപ്പോള് താപനില 100 കെല്വിന് വരെ ഉയര്ത്താന് സാധിച്ചു. സാധാരണ താപനിലയില് അതിചാലകങ്ങളെ നിര്മിക്കുകയാണ് അന്തിമ ലക്ഷ്യം. ട്രാന്സിസ്റ്ററുകള് ലോകത്തെ മാറ്റിമറിച്ചതുപോലെ അതും ഭൗതിക ശാസ്ത്രത്തിലെ വലിയൊരു വഴിത്തിരിവായിരിക്കും. പരീക്ഷണശാലയില് അത് സാധ്യമായി എന്നാണ് ശാസ്ത്രലോകത്തുനിന്നുമുള്ള പുതിയ വാര്ത്ത.

ബി.സി.എസ് സിദ്ധാന്തം

അതിചാലകത കണ്ടെത്തിക്കഴിഞ്ഞ് ഏകദേശം അന്പത് വര്ഷങ്ങള്ക്കു ശേഷമാണ് അതിനൊരു സൈദ്ധാന്തിക വിശദീകരണം നല്കുന്നത്. അതിചാലകതയേക്കുറിച്ച് ഗവേഷണം നടത്തിയ ജോണ് ബാര്ഡീന്, ലിയോ കൂപ്പര്, ജോണ് ഷ്രൈഫര് എന്നിവരുടെ ഗവേഷണ ഫലങ്ങളില് നിന്ന് ഉരുത്തിരിഞ്ഞുവന്ന സിദ്ധാന്തമാണ് ബി. സി. എസ് സിദ്ധാന്തം. മൂവരുടെയും പേരിന്റെ ആദ്യാക്ഷരങ്ങള് കൂട്ടിച്ചേര്ത്താണ് ഈ സിദ്ധാന്തത്തിന് പേരിട്ടിരിക്കുന്നത്. 1972 ല് ഭൗതികശാസ്ത്ര നൊബേല് പുരസ്ക്കാരം ലഭിച്ചത് ഈ സിദ്ധാന്തത്തിനാണ്. പദാര്ഥത്തിന്റെ വൈദ്യുത ചാലകതയ്ക്ക് കാരണമായ ഇലക്ട്രോണുകളും ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ക്രിസ്റ്റല് ജാലികയുടെ കമ്പനങ്ങളും തമ്മിലുള്ള പ്രതിക്രിയയാണ് അതിചാലകതയ്ക്ക് ആധാരം എന്നാണ് ഈ സിദ്ധാന്തം പറയുന്നത്. ഒരു ചാലകത്തില് ധാരാളം സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകള് ഉണ്ട്. ചാലകം അതിചാലകമായി മാറുമ്പോള് ഇതില് രണ്ടെണ്ണം ചേര്ന്ന് ഒരു ജോടിയായി മാറുന്നു. കൂപ്പര് ജോടികള് എന്നാണിതിന് പറയുന്ന പേര്. ക്രിസ്റ്റല് ജാലികയുടെ കമ്പനമാണ് ഇവയെ ഒന്നിച്ച് നിര്ത്തുന്നത്. വിപരീത ചാര്ജുള്ള ഇവയെ വേര്പെടുത്താന് കഴിയാത്തവിധം ഒന്നിച്ചുനില്ക്കുന്നതിനാല് ഇവയ്ക്ക് സുഗമമായി വൈദ്യുതി കടത്തിവിടാന് കഴിയും. പരസ്പരം കൂട്ടിയിടിച്ചാല് പോലും ഇവ വേര്പെടുന്നില്ല. അതിനാല് ഇലക്ട്രോണുകള്ക്കുണ്ടാകുന്ന സഞ്ചാര തടസം പോലും ഇവയ്ക്ക് അനുഭവപ്പെടില്ല. ഇതാണ് അതിചാലകതയ്ക്ക് കാരണം.

വെല്ലുവിളികളും പ്രതീക്ഷയും

1990 കളില് ശാസ്ത്രജ്ഞര് 100 കെല്വിന് താപനിലയില് വരെ പ്രത്യേക മൂലക സംയുക്തങ്ങള് ഉപയോഗിച്ച് അതിചാലകത സൃഷ്ടിച്ചിട്ടുണ്ട്. ദ്രവ ഹീലിയത്തിനു പകരം ദ്രവ നൈട്രജന് ഉപയോഗിക്കാമെന്നും കണ്ടെത്തി. താഴ്ന്ന ഊഷ്മാവില് വസ്തുക്കള്ക്കുണ്ടാകുന്ന മാറ്റങ്ങളേക്കുറിച്ച് പഠിക്കാന് തുടങ്ങിയപ്പോഴാണ് മെര്ക്കുറിയുടെ പ്രതിരോധം നാല് കെല്വിനില് കുത്തനെ കുറഞ്ഞ് പൂജ്യമായിത്തീരുന്നു എന്ന് കണ്ടെത്തിയത്. അതുവരെ പൂജ്യം കെല്വിനില് മാത്രമേ ഇതു സംഭവിക്കു എന്നാണ് കരുതിയിരുന്നത്. ഒരു ചാലകം അതിചാലകമായി മാറുന്ന താപനിലയാണ് സംക്രമണ താപനില . ഓരോ പദാര്ഥത്തിനും സംക്രമണ താപനില വ്യത്യസ്തമായിരിക്കും. ഈ കണ്ടെത്തലോടുകൂടി അതിചാലകത അന്തരീക്ഷ താപനിലയിലേക്കും കൊണ്ടുവരാം എന്ന വിശ്വാസം ശക്തമായി. അതോടുകൂടി അതിചാലകത ഭൗതിക ശാസ്ത്രത്തിലെ ഏറ്റവും പ്രധാനപ്പെട്ട ഗവേഷണവിഷയവുമായി മാറി.

അതിചാലകതയുടെ ഉപയോഗങ്ങള്

അതിചാലകതയുടെ ഏറ്റവും വലിയ ഉപയോഗമാണ് ഊര്ജ സംരക്ഷണം. ഇന്ന് പവര് സ്റ്റേഷനുകളില് നിന്നയയ്ക്കുന്ന വൈദ്യുതി മുഴുവനും നമുക്ക് വീടുകളില് കിട്ടുന്നില്ല. വൈദ്യുതി വഹിച്ചുകൊണ്ടുപോകുന്ന ചാലകങ്ങളുടെ രോധമാണ് ഇതിന് കാരണം. അന്തരീക്ഷ താപനിലയില് അതിചാലകങ്ങള് സാധ്യമായാല് അയയ്ക്കുന്ന മുഴുവന് വൈദ്യുതിയും നമുക്ക് ലഭിക്കും. ഇന്നത്തെ ഊര്ജ ദൗര്ലഭ്യത്തിന് ഇത് വലിയൊരളവ് പരിഹാരമാകും. അതിചാലകങ്ങള് വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കാന് പോകുന്ന മറ്റൊരു മേഖലയാണ് വിദ്യുത്കാന്തങ്ങളുടെ നിര്മാണം. സാധാരണ ചാലകങ്ങളുപയോഗിച്ച് ശക്തിയേറിയ കാന്തങ്ങള് നിര്മിച്ചാല് ഉയര്ന്ന രോധംകാരണം അവ കത്തിപ്പോകാന് സാധ്യതയുണ്ട്. എന്നാല് അതിചാലകങ്ങളില് രോധമില്ലാത്തതിനാല് ഇങ്ങനെ സംഭവിക്കുന്നില്ല. വേഗം കൂടിയ മാഗ്നെറ്റിക് ട്രെയിനുകളില് ഇത് അനിവാര്യമാണ്. പക്ഷെ ഇന്നത്തെ അവസ്ഥയില് ഇത് പൂര്ണമായും സാധ്യമല്ല. കാരണം ചെമ്പ് കമ്പികള് പോലെ യഥേഷ്ടം ചുരുളാക്കാന് പറ്റിയ അതിചാലകങ്ങള് ഇന്ന് കണ്ടുപിടിക്കപ്പെട്ടിട്ടില്ല. ടിന്, നിയോബിയം, വനേഡിയം, ഗാലിയം എന്നീ മൂലകങ്ങള് ചേര്ന്ന കൂട്ടുലോഹങ്ങളാണ് ഇന്ന് കണ്ടുപിടിക്കപ്പെട്ട അതിചാലകങ്ങളില് വച്ച് അക്കാര്യത്തിനായി ഉപയോഗിക്കാന് പറ്റിയവ. എന്നാല് ഇവയെ വളരെ താഴ്ന്ന താപനിലയില് നിലനിര്ത്തണം.

മനുഷ്യശരീരത്തിന്റെ ആന്തരിക ചിത്രങ്ങളെടുക്കാനുള്ള ഒരു സങ്കേതമാണ് എം.ആര്.ഐ. വളരെ ശക്തിയേറിയ കാന്തിക ക്ഷേതം ഉപയോഗിച്ചാണ് ഇത് സാധ്യമാക്കുന്നത്. ഇതില് ഉപയോഗിക്കുന്ന കാന്തിക ക്ഷേത്രത്തിന്റെ തീവ്രത ഏതാണ് 3-4 ടെസ്ല വരും. ഇത് ഭൂകാന്തികതയുടെ ഒരുലക്ഷം മടങ്ങാണ്. എം.ആര്.ഐ ഉപകരണത്തില് ഉപയോഗിക്കുന്ന അതിചാലക വൈദ്യുതവാഹി വളരെ കുറച്ച് ഊര്ജം മാത്രമേ നഷ്ടപ്പെടുത്തുന്നുള്ളൂ. ഈ മേഖലയിലുള്ള ഗവേഷണങ്ങള് സൂചിപ്പിക്കുന്നത് വരാനിരിക്കുന്നത് അതിചാലകതയുടെയും സൂപ്പര് കണ്ടക്ടറുകളുടെയും നാളുകളാണെന്നാണ്.