અતિવાહકતા (super-conductivity) : અમુક પરિસ્થિતિમાં વિદ્યુતવહન સામેનો પ્રતિરોધ (અવરોધ, resistance) સંપૂર્ણપણે ગુમાવી દેવાનો પદાર્થનો ગુણધર્મ. સામાન્યપણે વાહક ધાતુઓ(અને મિશ્રધાતુઓ)માં વિદ્યુત વહન સામે થતો પ્રતિરોધ તાપમાનના ઘટાડા સાથે ઘટે છે, એટલે કે તેમની વાહકતા વધે છે. નિરપેક્ષ (absolute) શૂન્ય(0 K)ની આસપાસ કેટલીક ધાતુઓનો વિદ્યુત પ્રતિરોધ લગભગ શૂન્ય બની જતાં તેઓ અતિવાહકતાનો ગુણ દર્શાવે છે. આવી ધાતુના વલયમાં એક વાર વિદ્યુતપ્રવાહ ઉત્પન્ન કરવામાં આવે તો તે અનંતકાળ સુધી વહ્યા કરે !

કેમરલિંગ ઓનેસે હીલિયમ વાયુને પ્રવાહીમાં રૂપાંતરિત કરતાં નિરપેક્ષ શૂન્યની નજીકનું તાપમાન સૌપ્રથમ મેળવવાનું શક્ય બન્યું. તેમણે શોધી કાઢ્યું કે પારાનો વિદ્યુતપ્રતિરોધ 4.2 K અથવા – 268.80 સે.થી નીચા તાપમાને એકાએક સંપૂર્ણપણે અર્દશ્ય થઈ જાય છે અને પારો અતિવાહક બની જાય છે. આ રીતે તેમણે અતિવાહકતાની અનોખી ઘટનાનું સૌપ્રથમ નિરૂપણ કર્યું, જે માટે તેમને 1913માં ભૌતિકશાસ્ત્રનું નોબેલ પારિતોષિક એનાયત કરવામાં આવ્યું હતું. એ સમયે ધાતુઓની નિમ્ન તાપમાને વિદ્યુતવાહકતા અંગે ખાસ માહિતી ન હતી. એમ માનવામાં આવતું કે વિદ્યુતવાહક ઇલેક્ટ્રૉન ધાતુઓમાં શિથિલ સ્થિતિમાં હોય છે અને તાપમાન ઘટાડતાં તેઓ સ્ફટિક જાળી(crystal lattice)નાં વિવિધ સ્થાનોએ ચીટકી જાય છે. આ પરિસ્થિતિમાં નિમ્ન તાપમાને વાહકતામાં ઘટાડો થવો જોઈએ. ઓનેસના પ્રયોગમાં આનાથી તદ્દન વિરુદ્ધ બાબત બની. 1957માં અતિવાહકતાની સમજ માટે બાર્ડીન, કૂપર અને શ્રીફરે BCS (ત્રણે વિજ્ઞાનીઓના નામના પ્રથમાક્ષર ઉપરથી) સિદ્ધાંત રજૂ કર્યો ત્યાં સુધી આ પ્રશ્ર્ન એક સમસ્યારૂપ હતો. આ ત્રણે વૈજ્ઞાનિકોને 1972નું ભૌતિકશાસ્ત્રનું નોબેલ પારિતોષિક એનાયત થયું હતું.

4.2 Kથી નીચા તાપમાને પારાનો પ્રતિરોધ શૂન્ય બનતાં તેની વાહકતા અનંત (infinite) બની ગણાય. સામાન્ય અવસ્થામાંથી અતિવાહક અવસ્થામાં થતું આ સંક્રમણ પારાની બાબતમાં આશરે 0.05 K જેટલા તાપમાનના ગાળામાં થયું હતું.

આ શોધ પછી આવા ગુણધર્મો દર્શાવતા સેંકડો પદાર્થો (ધાતુઓ, મિશ્ર-ઑક્સાઇડ) શોધી કાઢવામાં આવ્યા છે. જે તાપમાને પદાર્થ અતિવાહકતા દર્શાવે છે, તેને સંક્રમણ તાપમાન (Transition-temperature Tc) કહે છે. વિવિધ પદાર્થો માટે Tcનું મૂલ્ય વિભિન્ન હોય છે. પદાર્થમાંની ચુંબકીય અશુદ્ધિ, પદાર્થ ઉપરનું દબાણ તથા તેની સ્ફટિકરચના Tc ઉપર અસર કરે છે. પ્રવાહી હીલિયમ ઘણો મોંઘો છે તેથી નીચા Tcવાળા પદાર્થોની અતિવાહકતાનો વ્યાપક ઉપયોગ શક્ય નથી. આથી જેમ બને તેમ ઊંચા તાપમાને અતિવાહકતાનો ગુણ દર્શાવનાર પદાર્થોની શોધ માટે વૈજ્ઞાનિકોએ સઘન પ્રયત્નો કર્યા છે.

તાપમાન, કેલ્વિન

ચુંબકીય ક્ષેત્રની અસરથી અતિવાહકતાનો નાશ થાય છે. અતિવાહકનો સામાન્યમાં રૂપાંતર કરી શકવા માટેની ચુંબકીય ક્ષેત્રની લઘુતમ માત્રાને ક્રાંતિક ક્ષેત્ર (Hc) કહે છે. આ શોધી કાઢવા માટે અતિવાહક લાંબા, પાતળા નળાકારરૂપ કે અંડાકારરૂપ હોવું જોઈએ અને તેનો દીર્ઘ અક્ષ (axis) ક્ષેત્રને સમાંતર રહે તેમ અતિવાહકના નમૂનાને ગોઠવવો જોઈએ. તાપમાન ઘટતાં ક્રાંતિક ક્ષેત્રના મૂલ્યમાં વધારો થાય છે. અતિવાહક તત્વો માટે નિરપેક્ષ શૂન્ય તાપમાને ક્રાંતિક ક્ષેત્ર (Hc) 1.1 અર્સ્ટેડ(દા.ત., ટંગસ્ટન)થી 830 અર્સ્ટેડ (દા.ત., ટૅન્ટલમ) જેટલું હોય છે. (અર્સ્ટેડ ચુંબકીય ક્ષેત્રની પ્રબળતાનો એકમ છે.) અતિવાહકોના બે વિભાગો જાણીતા છે : (i) મૃદુ અતિવાહકો અને (ii) કઠિન અતિવાહકો. 1933માં માઇસનર અને ઑક્સેનફેલ્ડે શોધી કાઢ્યું કે સંક્રમણ તાપમાનથી ઊંચા તાપમાને રહેલા એક લાંબા અતિવાહક્ધો ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં મૂકીને તાપમાન ઘટાડવામાં આવે તો સંક્રમણ તાપમાને અતિવાહકમાંથી ચુંબકીય પ્રેરણરેખાઓ (induced lines of force) બહાર ધકેલાઈ જાય છે. એટલે કે અતિવાહકમાં ચુંબકીય અભિવાહઘનતા (magnetic flux density) શૂન્ય બને છે, અને અતિવાહક પ્રતિચુંબકીય (diamagnetic) ગુણ દર્શાવે છે. આ ઘટના માઇસનર અસર તરીકે ઓળખાય છે. પહેલા પ્રકારના (મૃદુ) અતિવાહકો (અગાઉ વર્ણવેલ આકારમાં) આ અસર પૂર્ણ રૂપે દર્શાવે છે. જ્યારે બીજા પ્રકારના (કઠિન) અતિવાહકોમાં આ અસર અપૂર્ણ રૂપે દેખાય છે.

વાહક                           અતિવાહક

તત્વોમાં ફક્ત નિયોબિયમ અને વેનેડિયમ બીજા પ્રકારની અસર દર્શાવે છે. આ ઉપરથી સ્પષ્ટ થાય છે કે અતિવાહકોમાં પસાર કરી શકાતા વિદ્યુતપ્રવાહની પણ મર્યાદા છે. કારણ કે વિદ્યુતપ્રવાહ ચુંબકીય ક્ષેત્ર સર્જે છે જે અતિવાહકતાનું ઘાતક બને છે. કઠિન અતિવાહકો ઊંચું ચુંબકીય ક્ષેત્ર ખમી શકતા હોઈ વધુ વિદ્યુતપ્રવાહ લઈ શકે છે. વધુ શક્તિશાળી ચુંબકો બનાવવા માટે વધુ વિદ્યુતપ્રવાહ જરૂરી છે. વધુ વિદ્યુતપ્રવાહ સામાન્ય વાહકોમાં વધુ ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે અને આ ગરમી દૂર કરવા માટે જટિલ શીતલન પ્રણાલી (cooling system) યોજવી પડે છે. આથી ઊંચા તાપમાને કાર્ય કરી શકે તેવા અતિવાહકો અત્યંત જરૂરી ગણાય. ધાતુઓ તથા મિશ્રધાતુઓના અભ્યાસ ઉપરથી માલૂમ પડ્યું છે કે રાસાયણિક તત્વોમાંથી 27 ધાતુતત્ત્વો (ઍલ્યુમિનિયમ, પારો વગેરે) વાતાવરણના દ્બાણે અતિવાહક બની શકે છે. બીજાં ધાતુઅધાતુ 11 તત્વો (સિલિકન, સિલીનિયમ વગેરે) ઊંચા દબાણે અતિવાહક બની શકે છે, જ્યારે બિસ્મથ(અને બીજાં પાંચ તત્વો)ને અવ્યવસ્થિત રૂપ(disordered form)માં ફેરવી શકાય છે જે અતિવાહક છે. લોહચુંબકીય (ferromagnetic) અને પ્રતિલોહચુંબકીય (antiferromagnetic) ધાતુઓ અતિવાહક બની શકતી નથી. અતિવાહક ધાતુઓ સામાન્ય તાપમાને આ ગુણ દર્શાવતી નથી. કેટલાંક રાસાયણિક સંયોજનો અતિવાહક બની શકે છે. દા.ત., સિલ્વર અને ફ્લોરીન જે અતિવાહક નથી. તેમનું સંયોજન ડાયસિલ્વર ફ્લોરાઇડ (Ag2F) અતિવાહક છે. ઘણાખરા અતિવાહકો માટે Tcનું મૂલ્ય 1 K અને 10 K વચ્ચેનું હતું. નિયોબિયમ અને જર્મેનિયમયુક્ત મિશ્રધાતુઓનું મહત્તમ સંક્રમણ તાપમાન 23.2 K જેટલું હતું. (Nb12 Al3Geનું Tc 21 K છે.) છેક 1986 સુધી 23.2 K એ અતિવાહકતા માટેનું વિક્રમ તાપમાન હતું. જોકે આ મિશ્રધાતુઓ ઘણી બરડ હોઈ તારનાં ગૂંચળાં બનાવવામાં ઉપયોગી ન હતી.

સામાન્ય તાપમાને અતિવાહકતા : ધાતુઓમાં વીજભાર વાહકકણો-(charge carriers)ની ઘનતા વધુ હોઈ અને ઑક્સાઇડ વિદ્યુત-અવાહક હોઈ ઑક્સાઇડને અતિવાહકતા અંગે ઘણાં વર્ષો સુધી મહત્વ અપાયું ન હતું. 1973માં લિથિયમટિટેનિયમ ઑક્સાઇડ (Li-Ti-O) પ્રણાલીમાં 13.7 K અને 1975માં બેરિયમ-લેડ-બિસ્મથ ઑક્સાઇડ (Ba–Pb–Bi–O) પ્રણાલીમાં પણ આ જ તાપમાનની આસપાસ અતિવાહકતા માલૂમ પડી હતી. આ અવલોકનોએ અતિવાહક પદાર્થોની શોધમાં એક નવી દિશા સુઝાડી હતી. આ મિશ્ર ઑક્સાઇડના વર્ગને સિરૅમિક તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. સપ્ટેમ્બર 1986માં બેડનૉટ્ર્ઝ અને મુલરે ઝૂરિકની આઈ. બી. એમ. પ્રયોગશાળામાં લૅન્થેનમબેરિયમકૉપર ઑક્સાઇડ (La-Ba-Cu-O) પ્રણાલીમાં સૌપ્રથમ 30 K જેટલા ઊંચા તાપમાને અતિવાહકતાની શોધ કરી. આ અવલોક્ધાથી પ્રેરાઈને દુનિયાભરમાં સિરૅમિકમાં હજુ ઊંચા તાપમાને અતિવાહકતા મેળવવા ઘનિષ્ઠ પ્રયત્નો શરૂ થયા છે. 1987ના પ્રારંભમાં Tc 90 Kવાળો અતિવાહક પદાર્થ પૉલ ચુએ બનાવ્યો, જેનું સંઘટન (composition) Y-Ba-Cu-Oથી દર્શાવી શકાય. લૅન્થેનમને બદલે ઇટ્રિયમ લેવાથી આટલો મોટો ફેર પડી શક્યો. આ Tc નાઇટ્રોજનના ઉત્કલનબિંદુ 77 Kથી ઊંચે હોઈ યંત્રોને ઠારવા માટે પ્રવાહી નાઇટ્રોજન વાપરી શકાય. પ્રવાહી નાઇટ્રોજન પ્રવાહી હીલિયમની સરખામણીમાં ઘણો સોંઘો ગણાય. આ પછી 240 K અને 300 K સુધીના અતિવાહકો મળ્યાના દાવા થયા છે. સિરૅમિક પદાર્થો દાણાદાર રચના ધરાવે છે અને એમાંનો અમુક ભાગ અતિવાહક ગુણો ધરાવતો હોય તેવી શક્યતા છે. લગભગ સામાન્ય તાપમાન સુધીના અતિવાહકતા અંગેના દાવાઓને અસંદિગ્ધ સમર્થન મળવાનું બાકી છે. ભારતમાં આ અંગેનું સંશોધન નૅશનલ ફિઝિકલ લૅબોરેટરી (દિલ્હી), ઇન્ડિયન ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑવ્ સાયન્સ (બૅંગલોર), તાતા ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑવ્ ફન્ડામેન્ટલ રિસર્ચ (મુંબઈ), નૅશનલ કેમિકલ લૅબોરેટરી (પુણે) અને ઇન્ડિયન ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑવ્ ટેક્નૉલોજી(મુંબઈ, ચેન્નઈ)માં ચાલી રહ્યું છે. 300 Kવાળા અતિવાહકો અંગેનો દાવો નાર્લિકર અને તેમના સાથીઓએ નૅશનલ ફિઝિકલ લૅબોરેટરીમાં કર્યો છે.

1987ના વર્ષનું નોબેલ પારિતોષિક બેડનૉટ્ર્ઝ અને મુલરને એનાયત થયું હતું. પાતળા સ્તર(thin films)રૂપ અતિવાહકોમાં પકવેલ (નિસાદિત, sintered) પદાર્થ કરતાં સોગણો વિદ્યુતપ્રવાહ વહે છે. આ ઘણી ઉપયોગી બાબત છે.

અતિવાહકતાની સમજ : બીસીએસ (BCS) સિદ્ધાંત અનુસાર વાહક પદાર્થમાં, વાહક ઇલેક્ટ્રૉનો(conduction electrons)નું અશુદ્ધિઓ, સ્થાનભ્રંશો (dislocations), સીમાવર્તી કણો, ફોનૉન (કણ જેવા ગુણધર્મો ધરાવતાં તરંગ-પૅકેટો) વગેરે દ્વારા પ્રકીર્ણન (scattering) થાય છે, જેથી ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિ અવ્યવસ્થિત બને છે. પરિણામે વાહકો પ્રતિરોધ દર્શાવે છે. સૈદ્ધાંતિક રીતે શૂન્ય કેલ્વિન તાપમાને વાહકમાં આવી કોઈ અવ્યવસ્થા રહેતી ન હોઈ પદાર્થ અનંતવાહકતા (infinite conductivity) દર્શાવી શકે એમ માની શકાય. અતિવાહક પદાર્થમાં ઇલેક્ટ્રૉનની વિશિષ્ટ ગોઠવણી હોય છે, જેને કૂપર યુગ્મ કહે છે. ઇલેક્ટ્રૉન અને પદાર્થની સ્ફટિકરૂપમાં રહેલ જાલિકાનાં કંપનો વચ્ચેની પારસ્પરિક ક્રિયાના પરિણામરૂપ આ યુગ્મો અસ્તિત્વમાં આવે છે. સમસ્થાનિકો(isotopes)ની અતિવાહકતાના અભ્યાસ ઉપરથી સ્પષ્ટ થાય છે કે અતિવાહકતાને ઇલેક્ટ્રૉન અને જાલિકા કંપનો વચ્ચે થતી ક્રિયા સાથે સંબંધ છે. કૂપર યુગ્મના ઇલેક્ટ્રૉન સાથે સંકળાયેલ ઊર્જાની માત્રા રાસાયણિક પ્રક્રિયામાં ઇલેક્ટ્રૉન સાથે સંકળાયેલ ઊર્જાના લગભગ હજારમા ભાગ જેટલી અલ્પ હોય છે. સામાન્યમાંથી અતિવાહક અવસ્થામાં થતા સંક્રમણ સાથે સંકળાયેલ ઊર્જાનું પ્રમાણ અતિઅલ્પ (સૂક્ષ્મ) હોઈ અતિવાહકતાની સમજણ આપવાનું લાંબા સમય સુધી શક્ય ન બન્યું. તાપમાન વધતાં કૂપર-યુગ્મોના ઇલેક્ટ્રૉન અલગ થઈને ઉત્તેજિત થાય છે. સંક્રમણ તાપમાને બધા જ ઇલેક્ટ્રૉન તરંગો સંબદ્ધ (coherent) થાય છે અને એક સમૂહ તરીકે વર્તે છે, જેને કારણે પદાર્થ અતિવાહકતા દર્શાવે છે. અતિવાહક ઇલેક્ટ્રૉનોનું એક જ સંબદ્ધ તરંગ-ફલન (wave function) તેમની વર્તણૂક નક્કી કરે છે.

અતિવાહકતાના સંશોધનનો વિકાસ

સામાન્ય અવસ્થા કરતાં અતિવાહક અવસ્થામાં વિશિષ્ટ ઉષ્મા (specific heat) વધુ હોય છે, જ્યારે એન્ટ્રોપીનું એટલે કે અવ્યવસ્થાનું પ્રમાણ ઓછું હોય છે. અર્થાત્ અતિવાહક અવસ્થામાં વ્યવસ્થાનું પ્રમાણ વધુ હોય છે. જોકે એન્ટ્રોપીમાં થતો આ ફેરફાર નજીવો હોય છે. ઉષ્મીય ગુણધર્મોના અભ્યાસ ઉપરથી માલૂમ પડે છે કે ઇલેક્ટ્રૉનોને ઉપલબ્ધ ઊર્જાસ્તરોના વિતરણમાં અંતરાલો (gaps) રહેલાં છે. ચુંબકીય ગુણધર્મોનો અભ્યાસ ચુંબકીય અભિવાહમાં પણ ક્વૉન્ટીકરણ (quantization) થાય છે તેમ સૂચવે છે. ટૂંકમાં અતિવાહકતામાં ક્વૉન્ટમ-યાંત્રિકી સ્થૂળ સ્તર પર પણ અગત્યનો ભાગ ભજવે છે.

જોસેફસન અસર : બે અતિવાહકો વચ્ચે એક અવાહક સ્તર (insulating film) રાખવામાં આવે તો આ રીતે રચાતા ઓછા પ્રતિરોધવાળા સંધાન(junction)ની એક બાજુએથી બીજી બાજુ સુધી કૂપર-યુગ્મ ઇલેક્ટ્રૉન સુરંગપ્રવિધિ (tunnelling) દ્વારા જઈ શકે છે અને શૂન્ય વોલ્ટે વિદ્યુતપ્રવાહ મળે છે, જે જોસેફસન પ્રવાહ તરીકે ઓળખાય છે. આ અસરના ઉપયોગથી વિદ્યુતપ્રવાહ, વોલ્ટેજ તથા ચુંબકીય ક્ષેત્ર માપવાની અત્યંત સંવેદી સંરચનાઓ (high sensitivity devices) શોધાઈ છે. અતિ ઝડપી કોમ્પ્યૂટરની રચનામાં પણ જોસેફસન અસર પર આધારિત સ્વીચો અગત્યનો ભાગ ભજવશે તે નિશ્ર્ચિત છે. આ શોધ માટે જોસેફસનને ભૌતિકશાસ્ત્રનું 1973નું નોબેલ પારિતોષિક એનાયત કરવામાં આવ્યું હતું.

અતિવાહકતાના ઉપયોગો : અતિવાહકતા ખરેખર આશ્ર્ચર્યજનક ઘટના છે. તેના અસંખ્ય ઉપયોગો શુદ્ધવિજ્ઞાન તથા અનુપ્રયુક્ત (applied) વિજ્ઞાનમાં શક્ય છે : અધ્ધર ચાલતો (levitation) વાહન-વ્યવહાર, વિદ્યુતઊર્જાનું લાંબા અંતર સુધી વ્યય (loss) વગર વિતરણ, શક્તિશાળી ચુંબકો [દા.ત., કણત્વરિત્ર – particle accelerators, મૅગ્નેટો હાઇડ્રોડાયનેમિક-(MHD) પદ્ધતિથી ઊર્જા-ઉત્પાદન], અતિ અલ્પ વિદ્યુતપ્રવાહ, ચુંબકીય ક્ષેત્ર, વોલ્ટેજ વગેરે માપવાનાં અતિ સંવેદનશીલ ઉપકરણો, કોમ્પ્યૂટર્સ, ક્રાયોટ્રોન સ્વિચ રચનાઓમાં, આયુર્વિજ્ઞાનમાં વપરાતાં નિદાનસૂચક (diagnostic) સાધનો, સબમરીનોનાં સંદેશાવ્યવહારનાં સાધનો વગેરેમાં ક્રાંતિકારી ફેરફારો શક્ય છે.

અરુણ રમણલાલ વામદત્ત