અતિવાહકતા (super-conductivity) : ચોક્કસ પરિસ્થિતિમાં વિદ્યુતવહન સામેનો અવરોધ (resistance) સંપૂર્ણપણે ગુમાવી દેવાનો પદાર્થનો ગુણધર્મ. વાહક ધાતુઓ અને મિશ્રધાતુઓમાં વિદ્યુતવહન સામે થતો અવરોધ તાપમાનના ઘટાડા સાથે ઘટે છે, તેમની વાહકતા વધે છે. નિરપેક્ષ (absolute) શૂન્ય(0 K)ની આસપાસ કેટલીક ધાતુઓનો વિદ્યુત અવરોધ લગભગ શૂન્ય બની જતાં તેઓ અતિવાહકતાનો ગુણ દર્શાવે છે. આવી ધાતુના વલયમાં એક વાર વિદ્યુતપ્રવાહ ઉત્પન્ન કરવામાં આવે તો તે અનંતકાળ સુધી વહ્યા કરે ! આધુનિક સંશોધનો દ્વારા કાર્બનના ગ્રેફિન સ્વરૂપને પણ અતિવાહક (superconductor) બનાવી શકાયું છે.
કેમરલિંગ ઓનેસે હીલિયમ વાયુને પ્રવાહીમાં રૂપાંતરિત કરતાં નિરપેક્ષ શૂન્યની નજીકનું તાપમાન શક્ય બન્યું. તેમણે શોધી કાઢ્યું કે પારાનો વિદ્યુતઅવરોધ 4.2 K અથવા -268.80 સે.થી નીચા તાપમાને સંપૂર્ણપણે અદૃશ્ય થઈ જાય છે. પારો અતિવાહક બની જાય છે. અતિવાહકતાની અનોખી ઘટનાનું સૌપ્રથમ નિરૂપણ કર્યું, એ માટે તેમને 1913માં ભૌતિકશાસ્ત્રનો નોબેલ પુરસ્કાર એનાયત થયો હતો. એ સમયે 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. આ ત્રણે વિજ્ઞાનીઓને 1972નો ભૌતિકશાસ્ત્રનો નોબેલ પુરસ્કાર એનાયત થયો. 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.
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.
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 માટે અતિવાહક લાંબા, પાતળા નળાકારરૂપ કે અંડાકારરૂપ હોવું જોઈએ. 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., ટેન્ટલમ) 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 અતિવાહકો 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 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. અતિવાહકોમાં પસાર કરી શકાતા વિદ્યુતપ્રવાહની મર્યાદા છે. 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. રાસાયણિક તત્વોમાંથી 27 ધાતુતત્વો (ઍલ્યુમિનિયમ, પારો વગેરે) વાતાવરણના દબાણે અતિવાહક બની શકે છે. બીજાં ધાતુ-અધાતુ 11 તત્વો (સિલિકન, સિલિનિયમ વગેરે) ઊંચા દબાણે અતિવાહક બની શકે છે, જ્યારે બિસ્મથ અને બીજાં પાંચ તત્વોને 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 ફ્લોરિનનું 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.)
1973માં લિથિયમટિટેનિયમ ઑક્સાઇડ (Li-Ti-O) પ્રણાલીમાં અને 1975માં બેરિયમ-લેડ-બિસ્મથ ઑક્સાઇડ (Ba-Pb-Bi-O) પ્રણાલીમાં 13.7 K તાપમાનની આસપાસ અતિવાહકતા માલૂમ પડી હતી. આ મિશ્ર ઑક્સાઇડના વર્ગને સિરેમિક કહે છે. સપ્ટેમ્બર, 1986માં બેડનોટ્ર્ઝ અને મુલરે ઝૂરિકની આઈ.બી.એમ. પ્રયોગશાળામાં લેન્થેનમ-બેરિયમ-કૉપર ઑક્સાઇડ (La-Ba-Cu-O) પ્રણાલીમાં સૌપ્રથમ 30 K જેટલા ઊંચા તાપમાને અતિવાહકતાની શોધ કરી. 1987ના પ્રારંભમાં Tc 90 Kવાળો અતિવાહક પદાર્થ પોલ ચુએ બનાવ્યો, જેનું સંઘટન (composition) Y-Ba-Cu-Oથી દર્શાવી શકાય. લેન્થેનમને બદલે ઇટ્રિયમ લેવાથી આટલો મોટો ફેર પડી શક્યો. આ Tc નાઇટ્રોજનના ઉત્કલનિંબદુ 77 Kથી ઊંચે હોઈ યંત્રોને ઠારવા માટે પ્રવાહી નાઇટ્રોજન વાપરી શકાય. આ પછી 240 K અને 300 K સુધીના અતિવાહકો મળ્યાના દાવા થયા છે. સિરેમિક પદાર્થો દાણાદાર રચના ધરાવે છે અને એમાંનો અમુક ભાગ અતિવાહક ગુણો ધરાવતો હોય તેવી શક્યતા છે. ભારતમાં આ અંગેનું સંશોધન નૅશનલ ફિઝિકલ લૅબોરેટરી (દિલ્હી), ઇન્ડિયન ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑવ્ સાયન્સ (બૅંગાલુરુ), તાતા ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑવ્ ફન્ડામેન્ટલ રિસર્ચ (મુંબઈ), નૅશનલ કેમિકલ લૅબોરેટરી (પુણે) અને ઇન્ડિયન ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑવ્ ટૅકનૉલૉજી(મુંબઈ, ચેન્નાઈ)માં થાય છે. 300 Kવાળા અતિવાહકો અંગેનો દાવો નાર્લિકર અને તેમના સાથીઓએ નૅશનલ ફિઝિકલ લૅબોરેટરીમાં કર્યો છે.
પાતળા સ્તર(thin films)રૂપ અતિવાહકોમાં નિસાદિત, (sintered) પદાર્થ કરતાં સોગણો વિદ્યુતપ્રવાહ વહે છે. બીસીએસ (BCS) સિદ્ધાંત અનુસાર વાહક પદાર્થમાં, વાહક ઇલેક્ટ્રૉનો(conduction electrons)નું અશુદ્ધિઓ, સ્થાનભ્રંશો (dislocations), સીમાવર્તી કણો, ફોનોન (કણ જેવા ગુણધર્મો ધરાવતાં તરંગ-પૅકેટો) વગેરે દ્વારા પ્રકીર્ણન (scattering) થાય છે, જેથી ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિ અવ્યવસ્થિત બને છે. પરિણામે વાહકો અવરોધ દર્શાવે છે. સૈદ્ધાંતિક રીતે શૂન્ય કેલ્વિન તાપમાને વાહકમાં આવી કોઈ અવ્યવસ્થા રહેતી ન હોઈ પદાર્થ અનંતવાહકતા (infinite conductivity) દર્શાવી શકે. અતિવાહક પદાર્થમાં ઇલેક્ટ્રૉનની વિશિષ્ટ ગોઠવણીને 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. 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, જેથી પદાર્થ અતિવાહકતા દર્શાવે છે. અતિવાહક ઇલેક્ટ્રૉનોનું એક જ સંબદ્ધ તરંગ-ફલન (wave function) તેમની વર્તણૂક નક્કી કરે છે.
સામાન્ય અવસ્થા કરતાં અતિવાહક અવસ્થામાં વિશિષ્ટ ઉષ્મા (specific heat) વધુ હોય છે, જ્યારે એન્ટ્રોપીનું એટલે કે અવ્યવસ્થાનું પ્રમાણ ઓછું 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 (uantization) થાય 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 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. આના ઉપયોગથી વિદ્યુતપ્રવાહ, વોલ્ટેજ તથા ચુંબકીય ક્ષેત્ર માપવાની અત્યંત સંવેદી સંરચનાઓ (high sensitivity devices) શોધાઈ છે. આ શોધ માટે જોસેફસનને ભૌતિકશાસ્ત્રનું 1973નો નોબેલ પુરસ્કાર એનાયત કરવામાં આવ્યો હતો.
અતિવાહકતાના ઉપયોગો : હવાના સ્તર પર ચાલતો (levitation) વાહનવ્યવહાર, વિદ્યુતઊર્જાનો 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, કમ્પ્યૂટર્સ, ક્રાયોટ્રોન સ્વિચ રચનાઓમાં, તબીબી સાધનો, સબમરીનોનાં સંદેશાવ્યવહારનાં સાધનો વગેરેમાં તે ઉપયોગી છે.
અરુણ રમણલાલ વામદત્ત