अतिचालकता का इतिहास

अतिचालकता शून्य विद्युत प्रतिरोध प्रदर्शित करने वाली कुछ पदार्थों की घटना है और एक विशेषता तापमान के नीचे चुंबकीय क्षेत्र का निष्कासन है। अतिचालकता का इतिहास 1911 में डच भौतिक विज्ञानी हेइके कामेरलिंग ओन्स की पारा (तत्व) में अतिचालकताकी खोज के साथ प्रारम्भ हुआ। तब से, कई अन्य अतिचालक पदार्थों की खोज की गई है और अतिचालकता के सिद्धांत को विकसित किया गया है। संघनित पदार्थ भौतिकी के क्षेत्र में ये विषय अध्ययन के सक्रिय क्षेत्र बने हुए हैं।

अतिचालकता के अध्ययन का एक आकर्षक इतिहास है, इस क्षेत्र में नाटकीय रूप से त्वरित प्रकाशन और एकस्वन गतिविधि वाली कई सफलताओं के साथ, जैसा कि दाईं ओर की आकृति में दिखाया गया है और नीचे विवरण में वर्णित है। ध्यान देने योग्य बात यह है कि इसके 100+ साल के इतिहास में अतिचालकता के बारे में प्रति वर्ष गैर-एकस्वन प्रकाशनों की संख्या एकस्वन परिवारों की संख्या की तुलना में 10 गुना अधिक रही है, जो एक ऐसी तकनीक की विशेषता है, जिसने पर्याप्त व्यावसायिक सफलता प्राप्त नहीं की है (देखें) अतिचालकता के तकनीकी अनुप्रयोग)।



परा-अवतापीय घटना (1908 तक) की खोज
जेम्स देवर ने कम तापमान पर विद्युत प्रतिरोध में शोध प्रारम्भ किया। देवर और जॉन एम्ब्रोस फ्लेमिंग ने भविष्यवाणी की थी कि पूर्ण शून्य पर, शुद्ध धातुएं पूर्ण विद्युत चुम्बकीय चालक बन जाएंगी (हालांकि, बाद में, देवर ने प्रतिरोध के गायब होने पर अपनी राय बदल दी, यह विश्वास करते हुए कि हमेशा कुछ प्रतिरोध होगा)। वाल्थर हरमन नर्नस्ट ने ऊष्मप्रवैगिकी का तीसरा नियम विकसित किया और कहा कि पूर्ण शून्य अप्राप्य था। कार्ल वॉन लिंडे और विलियम हैम्पसन, दोनों वाणिज्यिक शोधकर्ता, लगभग उसी समय गैसों के द्रवीकरण के लिए जूल-थॉमसन प्रभाव पर एकस्वन के लिए दर्ज किए गए थे। लिंडे का एकस्वन पुनर्योजी प्रतिप्रवाह पद्धति का उपयोग करते हुए, स्थापित तथ्यों की व्यवस्थित जांच के 20 वर्षों का चरमोत्कर्ष था। हैम्पसन की योजना भी पुनर्योजी पद्धति की थी। संयुक्त प्रक्रिया को हैम्पसन-लिंडे द्रवीकरण प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है।

ओन्स ने अपने शोध के लिए एक लिंडे यंत्र ख़रीदा। 21 मार्च, 1900 को, निकोला टेस्ला को तापमान कम करके विद्युत दोलनों की तीव्रता बढ़ाने के साधनों के लिए एक एकस्वन दिया गया था, जो कम प्रतिरोध के कारण हुआ था। इस एकस्वन के अंदर यह कम तापमान अनुनादी परिपथ के विद्युत दोलनों की बढ़ी हुई तीव्रता और अवधि का वर्णन करता है। ऐसा माना जाता है कि टेस्ला का इरादा था कि लिंडे के यंत्र का उपयोग शीतलन एजेंटों को प्राप्त करने के लिए किया जाएगा।

10 जुलाई, 1908 को एक मील का पत्थर प्राप्त किया गया था, जब नीदरलैंड में लीडेन विश्वविद्यालय में हेइके कामेरलिंग ओन्स ने पहली बार तरलीकृत हीलियम का उत्पादन किया था, जिसका वायुमंडलीय दबाव पर 4.2 केल्विन का क्वथनांक होता है।

अचानक और मौलिक गायब होना
हेइके कामेरलिंगह ओन्स और जैकब क्ले ने कम तापमान पर प्रतिरोध में कमी पर देवर के पहले के प्रयोगों की फिर से जांच की। ओन्स ने प्लैटिनम और सोने के साथ जांच प्रारम्भ की, इन्हें बाद में पारा (तत्व) (एक अधिक आसानी से परिष्कृत सामग्री) के साथ बदल दिया। क्रायोजेनिक तापमान पर ठोस पारे की प्रतिरोधकता में ओन्स का शोध तरल हीलियम को प्रशीतक के रूप में उपयोग करके पूरा किया गया था। 8 अप्रैल, 1911 को 16:00 बजे ओन्स ने "क्विक नगेनोएग नुल" का उल्लेख किया, जिसका अनुवाद [प्रतिरोध] पारा लगभग शून्य के रूप में होता है। 4.19 K के तापमान पर, उन्होंने देखा कि प्रतिरोधकता अचानक गायब हो गई (मापने वाला उपकरण ओन्स किसी भी प्रतिरोध का संकेत नहीं दे रहा था)। ओन्स ने अपने शोध का खुलासा 1911 में "ऑन द सडेन रेट एट द रेसिस्टेंस ऑफ मर्करी डिसएपियर्स" शीर्षक वाले एक पेपर में किया था। ओन्स ने उस पेपर में कहा कि "विशिष्ट प्रतिरोध" सामान्य तापमान पर सबसे अच्छे चालक के सापेक्ष हजारों गुना कम हो गया। ओन्स ने बाद में इस प्रक्रिया को उलट दिया और पाया कि 4.2 K पर, प्रतिरोध सामग्री पर लौट आया। अगले साल, ओन्स ने घटना के बारे में और लेख प्रकाशित किए। प्रारंभ में, ओन्स ने इस घटना को "अतिचालकता"(1913) कहा और, केवल बाद में, "अतिचालकता" शब्द को अपनाया। अपने शोध के लिए, उन्हें 1913 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

1912 में ओन्स ने अतिचालकता की उपयोगिता पर एक प्रयोग किया। ओन्स ने एक विद्युत प्रवाह को एक अतिचालक वलय में प्रस्तुत किया और इसे उत्पन्न करने वाली बैटरी को हटा दिया। विद्युत धारा को मापने पर, ओन्स ने पाया कि इसकी तीव्रता समय के साथ कम नहीं हुई। प्रवाहकीय माध्यम की अतिचालक अवस्था के कारण धारा बनी रही।

बाद के दशकों में, अतिचालकता कई अन्य पदार्थो में पाई गई; 1913 में, 7 K पर सीसा, 1930 के नाइओबियम में 10 K पर, और 1941 में 16 K पर नाइओबियम नाइट्राइड।

पहेलियां और समाधान (1933-)
अतिचालकता को समझने में अगला महत्वपूर्ण कदम 1933 में आया, जब वाल्थर मीस्नर और रॉबर्ट ओचसेनफेल्ड ने पाया कि अतिचालकता लागू चुंबकीय क्षेत्र को निष्कासित कर देते हैं, एक ऐसी घटना जिसे मीस्नर प्रभाव के रूप में जाना जाता है। 1935 में, भाइयों फ्रिट्ज़ लंदन और हेंज लंदन ने दिखाया कि मीस्नर प्रभाव अतिचालकता धारा द्वारा किए गए विद्युत चुम्बकीय मुक्त ऊर्जा को कम करने का परिणाम था। 1950 में, अतिचालकता का घटनात्मक गिन्ज़बर्ग-लैंडौ सिद्धांत लेव लैंडौ और विटाली गिन्ज़बर्ग द्वारा तैयार किया गया था।

गिंज़बर्ग-लैंडौ सिद्धांत,को अतिचालकता के स्थूलदर्शीय गुणों को समझाने में बड़ी सफलता मिली, जिसने लैंडौ के दूसरे क्रम के चरण संक्रमण के सिद्धांत को श्रोडिंगर-जैसे तरंग समीकरण के साथ जोड़ा। विशेष रूप से, एलेक्सी एब्रिकोसोव ने दिखाया कि गिन्ज़बर्ग-लैंडौ सिद्धांत अतिचालकता के विभाजन को दो श्रेणियों में विभाजित करने की भविष्यवाणी करता है जिन्हें अब टाइप I और टाइप II कहा जाता है।एब्रिकोसोव और गिन्ज़बर्ग को उनके काम के लिए 2003 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था (लैंडौ की 1968 में मृत्यु हो गई थी)। इसके अतिरिक्त 1950 में, इमानुएल मैक्सवेल और, लगभग एक साथ, सी.ए. रेनॉल्ड्स एट अल. पाया गया कि अतिचालकता का महत्वपूर्ण तापमान घटक तत्व के समस्थानिक द्रव्यमान पर निर्भर करता है। इस महत्वपूर्ण खोज ने अतिचालकता के लिए जिम्मेदार सूक्ष्म तंत्र के रूप में इलेक्ट्रॉन- फ़ोनान अन्तःक्रिया की ओर संकेत किया।

बीसीएस सिद्धांत
अतिचालकता का संपूर्ण सूक्ष्म सिद्धांत अंततः 1957 में जॉन बार्डीन, लियोन एन. कूपर और रॉबर्ट श्राइफ़र द्वारा प्रस्तावित किया गया था। इस बीसीएस सिद्धांत ने अतिचालकता धारा को पीपा बनाने वाले जोड़े के अति तरल के रूप में समझाया, इलेक्ट्रॉनों के जोड़े फ़ोनान के आदान-प्रदान के माध्यम से बातचीत करते हैं। इस कार्य के लिए लेखकों को 1972 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया। बीसीएस सिद्धांत को 1958 में एक मजबूत आधार पर स्थापित किया गया था, जब निकोले बोगोल्युबोव ने दिखाया कि बीसीएस तरंग क्रिया, जो मूल रूप से एक परिवर्तनीय तर्क से प्राप्त किया गया था, इलेक्ट्रॉनिक हैमिल्टनियन के विहित परिवर्तन का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है। 1959 में, लेव गोरकोव ने दिखाया कि बीसीएस सिद्धांत क्रांतिक तापमान के निकट गिन्ज़बर्ग-लैंडौ सिद्धांत कम हो गया। गोरकोव अतिचालकता चरण विकास समीकरण प्राप्त करने वाले पहले व्यक्ति थे$$2eV=\hbar\frac{\partial \phi}{\partial t}$$.

अल्प मात्रा–घेरा प्रभाव
अल्प मात्रा–घेरा प्रभाव की खोज 1962 में एक समानांतर चुंबकीय क्षेत्र के अधीन खाली और पतली दीवार वाले अतिचालक बेलन के प्रयोगों में की गई थी। ऐसे बेलन का विद्युत प्रतिरोध बेलन के माध्यम से चुंबकीय प्रवाह के साथ एक आवधिक दोलन दर्शाता है, अवधि h/2e = 2.07×10−15 V·s है। विलियम लिटिल और रोनाल्ड पार्क्स द्वारा प्रदान की गई व्याख्या यह है कि प्रतिरोध दोलन एक अधिक मौलिक घटना को दर्शाता है, अर्थात अतिचालक महत्वपूर्ण तापमान (टीसी) का आवधिक दोलन। यह वह तापमान है जिस पर आदर्श अतिचालक हो जाता है। अल्प मात्रा–घेरा प्रभाव अतिचालक इलेक्ट्रॉनों के सामूहिक क्वांटम व्यवहार का परिणाम है। यह सामान्य तथ्य को दर्शाता है कि यह फ्लक्स के अतिरिक्त फ्लक्सॉइड है जिसे अतिचालक में मात्राबद्ध किया जाता है। अल्प मात्रा–घेरा प्रभाव दर्शाता है कि वेक्टर संभावित जोड़े एक अवलोकन योग्य भौतिक मात्रा, अर्थात् अतिचालक महत्वपूर्ण तापमान से जुड़ते हैं।

व्यावसायिक गतिविधि
1911 में अतिचालकता की खोज के तुरंत बाद, कैमरलिंग ओन्स ने अतिचालकता वक्र के साथ एक विद्युत चुम्बक बनाने का प्रयास किया, लेकिन पाया कि अपेक्षाकृत कम चुंबकीय क्षेत्र ने उन सामग्रियों में अतिचालकता को नष्ट कर दिया, जिनकी उन्होंने जांच की। बहुत बाद में, 1955 में, जॉर्ज यन्टेमा अतिचालक नाइओबियम तार कुंडलन के साथ एक छोटा 0.7-टेस्ला लौह- केंद्र भाग विद्युत चुम्बक का निर्माण करने में सफल रहे। फिर, 1961 में, जे. ई. कुंजलर, ई. ब्यूहलर, एफ.एस.एल. सू, और जे.एच. वर्निक चौंकाने वाली खोज की कि 4.2 केल्विन पर, तीन भाग नाइओबियम और एक भाग टिन से युक्त एक यौगिक 8.8 टेस्ला के चुंबकीय क्षेत्र में 100,000 एम्पीयर प्रति वर्ग सेंटीमीटर से अधिक के वर्तमान घनत्व का समर्थन करने में सक्षम था। भंगुर और निर्माण में कठिन होने के होते हुए भी, नाइओबियम-टिन 20 टेस्ला तक उच्च चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने वाले उत्तमचुंबक में बेहद उपयोगी सिद्ध हुआ है। 1962 में, टेड बर्लिनकोर्ट और रिचर्ड हेक ने पाया कि नाइओबियम और टाइटेनियम की कम भंगुर मिश्र धातु 10 टेस्ला तक के अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं। इसके तुरंत बाद, वेस्टिंगहाउस इलेक्ट्रिक संस्था और वाह चांग संस्था में नाइओबियम-टाइटेनियम उत्तमचुंबक तार का व्यावसायिक उत्पादन प्रारम्भ हुआ। यद्यपि नाइओबियम-टाइटेनियम, नाइओबियम-टिन की तुलना में कम प्रभावशाली अतिचालक गुणों का दावा करता है, फिर भी, नाइओबियम-टाइटेनियम सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला "वर्कहॉर्स" उत्तमचुंबक सामग्री बन गया है, जो बड़े पैमाने पर इसकी उच्च लचीलापन और निर्माण में आसानी का परिणाम है। हालाँकि, नाइओबियम-टिन और नाइओबियम-टाइटेनियम दोनों का एमआरआई मेडिकल इमेजर्स, विशाल उच्च-ऊर्जा कण त्वरक के लिए झुकने और केंद्रित करने वाले चुंबक और कई अन्य अनुप्रयोगों में व्यापक अनुप्रयोग मिलता है। अतिचालकता के लिए एक यूरोपीय संघ, कॉनेक्टस ने अनुमान लगाया कि 2014 में, वैश्विक आर्थिक गतिविधि, जिसके लिए अतिचालकता अपरिहार्य थी, लगभग पाँच बिलियन यूरो थी, जिसमें एमआरआई पद्धति का योगदान उस कुल का लगभग 80% था।

1962 में, ब्रायन जोसेफसन ने महत्वपूर्ण सैद्धांतिक भविष्यवाणी की थी कि ऊष्मारोधी की एक पतली परत द्वारा अलग किए गए अतिचालक के दो टुकड़ों के बीच एक उत्तमधारा प्रवाहित हो सकता है। यह घटना, जिसे अब जोसेफसन प्रभाव कहा जाता है, का उपयोग व्यंग्य जैसे अतिचालक उपकरणों द्वारा किया जाता है। इसका उपयोग चुंबकीय प्रवाह क्वांटम h/2e के सबसे सटीक उपलब्ध माप में किया जाता है, और इस प्रकार प्लैंक के स्थिरांक h के लिए (क्वांटम हॉल प्रतिरोधकता के साथ मिलकर)। जोसेफसन को इस कार्य के लिए 1973 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

1973 में एन.बी 3Ge में 23 K का Tc पाया गया, जो 1986 में क्यूप्रेट उच्च तापमान वाले अतिचालक की खोज तक उच्चतम परिवेश-दबाव Tc बना रहा (नीचे देखें)।

उच्च तापमान अतिचालक
1986 में, जे. जॉर्ज बेडनोर्ज़ और के. एलेक्स म्यूएलर ने लैंथेनम-आधारित क्यूप्रेट पेरोव्स्काइट सामग्री में अतिचालकता की खोज की, जिसका संक्रमण तापमान 35 K (भौतिकी में नोबेल पुरस्कार, 1987) था और यह उच्च तापमान वाले अतिचालक में से पहला था। यह जल्द ही पाया गया (चिंग-वू चू द्वारा) कि लैंथेनम को येट्रियम के साथ प्रतिस्थापित करने, अर्थात वाईबीसीओ बनाने से, महत्वपूर्ण तापमान 92 K तक बढ़ गया, जो महत्वपूर्ण था क्योंकि तरल नाइट्रोजन को तब प्रशीतक के रूप में उपयोग किया जा सकता था (वायुमंडलीय दबाव पर, उबलते हुए नाइट्रोजन का बिंदु 77 K है)।

यह व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण है क्योंकि तरल नाइट्रोजन का उत्पादन बिना किसी कच्चे माल के स्थान पर सस्ते में किया जा सकता है, और पाइपिंग में हीलियम की कुछ समस्याओं (ठोस वायु प्लग, आदि) का खतरा नहीं है। तब से कई अन्य क्यूप्रेट अतिचालक की खोज की गई है, और इन सामग्रियों में अतिचालकता का सिद्धांत सैद्धांतिक संघनित पदार्थ भौतिकी की प्रमुख उत्कृष्ट चुनौतियों में से एक है।

मार्च 2001 में, मैग्नीशियम डाइओराइट की अतिचालकता  Tc = 39 K के साथ पाया गया।

2008 में, ऑक्सीपनिक्टाइड या लौह-आधारित अतिचालक की खोज की गई, जिससे इस उम्मीद में काम की बाढ़ आ गई कि उनका अध्ययन करने से क्यूप्रेट अतिचालक का एक सिद्धांत मिलेगा। 2013 में, सामग्री की स्फटिक संरचना को विकृत करने के लिए अवरक्त लेजर प्रकाश की छोटी दालों का उपयोग करके, पिकोसेकंड के लिए वाईबीसीओ में कमरे के तापमान की अतिचालकता प्राप्त की गई थी।

2017 में यह प्रस्ताव दिया गया था कि अनदेखे अति कठोर सामग्री (उदाहरण के लिए गंभीर रूप से डोप किए गए बीटा-टाइटेनियम एयू) टीसी के साथ एक नए अतिचालक के लिए उम्मीदवार हो सकते हैं, जो एचजीबीएसीयूओ (138 K) से बहुत अधिक है, संभवतः 233 K तक, जो इससे भी अधिक होगा H2S। बहुत सारे शोध से पता चलता है कि अतिरिक्त रूप से निकेल कुछ पेरोव्स्काइट्स में तांबे की जगह ले सकता है, जो कमरे के तापमान के लिए एक और रास्ता मौजूद करता है। ली + डोप्ड सामग्री का भी उपयोग किया जा सकता है, अर्थात स्पिनेल बैटरी सामग्री लीटी2Ox और जाली का दबाव Tc को 13.8 K से अधिक तक बढ़ा सकता है। इसके अलावा LiHx को H की तुलना में बहुत कम दबाव पर धातुकृत करने का सिद्धांत दिया गया है और यह टाइप 1 अतिचालक के लिए एक उम्मीदवार हो सकता है।

ऐतिहासिक प्रकाशन
पेपर्स बाय एच.के. ओन्स


 * हीलियम तापमान पर शुद्ध पारे का प्रतिरोध। कॉम. लीडेन''। 28 अप्रैल, 1911।
 * पारा की प्रतिरोधकता का गायब होना। कॉम. लीडेन''। 27 मई, 1911।
 * दर में अचानक परिवर्तन पर जिस पर पारे का प्रतिरोध समाप्त हो जाता है । कॉम. लीडेन''। 25 नवंबर, 1911।
 * एक सुपरकंडक्टर के माध्यम से एक एम्पीयर आणविक वर्तमान या एक स्थायी चुंबक की नकल। कॉम. लीडेन''। 1914.

बीसीएस सिद्धांत

अन्य प्रमुख कागजात
 * एफ लंदन और एच लंदन, सुप्राकंडक्टर के विद्युत चुम्बकीय समीकरण, प्रोक। रॉय। समाज। (लंदन) 'ए149', 71 (1935), ISSN 0080-4630।
 * वी.एल. गिन्ज़बर्ग और एल.डी. लन्दौ, जे. उदाहरण तोर। फ़िज़। '20', 1064 (1950)
 * ए.ए. एब्रिकोसोव, दूसरे समूह के सुपरकंडक्टर्स के चुंबकीय गुणों पर, सोवियत भौतिकी JETP '5', 1174 (1957)
 * ए.ए. एब्रिकोसोव, दूसरे समूह के सुपरकंडक्टर्स के चुंबकीय गुणों पर, सोवियत भौतिकी JETP '5', 1174 (1957)
 * ए.ए. एब्रिकोसोव, दूसरे समूह के सुपरकंडक्टर्स के चुंबकीय गुणों पर, सोवियत भौतिकी JETP '5', 1174 (1957)
 * ए.ए. एब्रिकोसोव, दूसरे समूह के सुपरकंडक्टर्स के चुंबकीय गुणों पर, सोवियत भौतिकी JETP '5', 1174 (1957)

पेटेंट
 * टेस्ला, निकोला, विद्युत दोलनों की तीव्रता बढ़ाने के साधन, 21 मार्च, 1900।

यह भी देखें

 * अतिचालकता
 * मैक्रोस्कोपिक क्वांटम घटनाएं
 * कम तापमान वाली तकनीक की समयरेखा
 * अतिचालकता के तकनीकी अनुप्रयोग
 * उच्च तापमान अतिचालकता

बाहरी लिंक और संदर्भ

 * हेइके कामेरलिंग ओन्स, कम तापमान पर पदार्थों के गुणों की जांच, जिसने अन्य बातों के अलावा, तरल हीलियम की तैयारी के लिए नेतृत्व किया है, नोबेल व्याख्यान, 11 दिसंबर, 1913
 * एम. तिनखम, अतिचालकताका परिचय, दूसरा संस्करण, मैकग्रा-हिल, एनवाई, 1996, ISBN 0-486-43503-2
 * टी. श्टमैन, एब्सोल्यूट ज़ीरो एंड द कॉन्क्वेस्ट ऑफ़ कोल्ड, ह्यूटन मिफ्लिन कंपनी, 1999, ISBN 0-395-93888-0
 * जे. मैट्रिकॉन, जी. वायसैंड और सी. ग्लासहॉसर, द कोल्ड वॉर्स: ए हिस्ट्री ऑफ सुपरकंडक्टिविटी, रटगर्स यूनिवर्सिटी प्रेस, 2003, ISBN 0-8135-3295-7
 * जे. श्मेलियन, अतिचालकताके असफल सिद्धांत

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