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 शुरू 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 रेफ्रिजरेंट के रूप में उपयोग करके पूरा किया गया था। 8 अप्रैल, 1911 को 16:00 बजे ओन्स ने Kwik nagenoeg nul 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 का उपकरण ओन्स उपयोग कर रहा था जो किसी भी प्रतिरोध का संकेत नहीं देता था)। ओन्स ने अपने शोध का खुलासा 1911 में ऑन द सडेन रेट एट द रेसिस्टेंस ऑफ मर्करी डिसएपियर्स नामक एक पेपर में किया। ओन्स ने उस पेपर में कहा कि विशिष्ट प्रतिरोध सामान्य तापमान पर सबसे अच्छे कंडक्टर की तुलना में हजारों गुना कम हो जाता है। 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 घटना को अतिचालकता(1913) कहा और, केवल बाद में, अतिचालकताशब्द 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 रिंग में पेश 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 सामग्रियों 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-)
अतिचालकताको समझने में अगला महत्वपूर्ण कदम 1933 में हुआ, जब वाल्थर मीस्नर और रॉबर्ट ओचसेनफेल्ड ने पाया कि सुपरकंडक्टर्स ने लागू चुंबकीय क्षेत्र को निष्कासित कर दिया, एक ऐसी घटना जिसे मीस्नर प्रभाव के रूप में जाना जाने लगा। 1935 में, फ्रिट्ज लंदन और हेंज लंदन के भाइयों ने दिखाया कि मीस्नर प्रभाव सुपरकंडक्टिंग करंट द्वारा ले जाने वाले विद्युत चुम्बकीय थर्मोडायनामिक मुक्त ऊर्जा के न्यूनीकरण का परिणाम था। 1950 में, लेव लैंडौ और विटाली गिन्ज़बर्ग द्वारा अतिचालकताके फेनोमेनोलॉजिकल गिन्ज़बर्ग-लैंडौ सिद्धांत को तैयार किया गया था।

गिंज़बर्ग-लैंडौ सिद्धांत, जिसने श्रोडिंगर समीकरण | श्रोडिंगर-जैसे तरंग समीकरण के साथ दूसरे क्रम चरण संक्रमण के लैंडौ के सिद्धांत को जोड़ा, सुपरकंडक्टर्स के मैक्रोस्कोपिक गुणों को समझाने में बड़ी सफलता मिली। विशेष रूप से, एलेक्सी अलेक्सेयेविच एवरीकोशोव ने दिखाया कि गिन्ज़बर्ग-लैंडौ सिद्धांत सुपरकंडक्टर्स के दो श्रेणियों में विभाजन की भविष्यवाणी करता है जिसे 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 (1968 में लैंडौ की मृत्यु हो गई थी)। इसके अलावा 1950 में, एमानुएल मैक्सवेल और, लगभग एक साथ, सी.ए. रेनॉल्ड्स एट अल। पाया गया कि एक सुपरकंडक्टर का महत्वपूर्ण तापमान घटक रासायनिक तत्व के समस्थानिक पर निर्भर करता है। इस महत्वपूर्ण खोज ने अतिचालकताके लिए जिम्मेदार सूक्ष्म तंत्र के रूप में इलेक्ट्रॉन-फोनन इंटरैक्शन की ओर इशारा किया।

बीसीएस सिद्धांत
अतिचालकताका पूर्ण सूक्ष्म सिद्धांत अंततः 1957 में जॉन बार्डीन, लियोन कूपर | लियोन एन. कूपर जोड़ी जॉन रॉबर्ट श्रिफर द्वारा प्रस्तावित किया गया था। इस बीसीएस सिद्धांत ने सुपरकंडक्टिंग करंट को कूपर जोड़े के सुपरफ्लूड के रूप में समझाया, इलेक्ट्रॉनों के जोड़े फोनन के आदान-प्रदान के माध्यम से बातचीत करते हैं। इस काम के लिए, लेखकों को 1972 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था। BCS सिद्धांत को 1958 में एक मजबूत नींव पर स्थापित किया गया था, जब निकोले बोगोलीबॉव ने दिखाया कि BCS तरंग, जो मूल रूप से एक परिवर्तनशील तर्क से प्राप्त की गई थी, प्राप्त की जा सकती है। इलेक्ट्रॉनिक हैमिल्टनियन (क्वांटम यांत्रिकी) के एक विहित परिवर्तन का उपयोग करना। 1959 में, लेव गोर्कोव ने दिखाया कि बीसीएस सिद्धांत गिंज़बर्ग-लैंडौ सिद्धांत में महत्वपूर्ण तापमान के करीब कम हो गया। गोरकोव सबसे पहले सुपरकंडक्टिंग फेज इवोल्यूशन इक्वेशन को व्युत्पन्न करने वाले थे $$2eV=\hbar\frac{\partial \phi}{\partial t}$$.

लिटिल–पार्क प्रभाव
लिटिल-पार्क्स प्रभाव की खोज 1962 में एक समानांतर चुंबकीय क्षेत्र के अधीन खाली और पतली दीवार वाले अतिचालक  सिलेंडरों के प्रयोगों में की गई थी। ऐसे सिलेंडरों का विद्युत प्रतिरोध सिलेंडर के माध्यम से चुंबकीय प्रवाह के साथ आवधिक दोलन दिखाता है, अवधि प्लैंक स्थिरांक/2प्रारंभिक आवेश = 2.07×10−15 वी·एस. 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 (टी) का आवधिक दोलनc). यह वह तापमान है जिस पर नमूना सुपरकंडक्टिंग बन जाता है। लिटिल-पार्क प्रभाव सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रॉनों के सामूहिक क्वांटम व्यवहार का परिणाम है। यह सामान्य तथ्य को दर्शाता है कि यह सुपरकंडक्टर्स में परिमाणित फ्लक्स के बजाय फ्लक्सोइड है। लिटिल-पार्क्स प्रभाव दर्शाता है कि वेक्टर संभावित जोड़े एक अवलोकन योग्य भौतिक मात्रा, अर्थात् सुपरकंडक्टिंग महत्वपूर्ण तापमान।

व्यावसायिक गतिविधि
1911 में अतिचालकताकी खोज के तुरंत बाद, कामेरलिंग ओन्स ने सुपरकंडक्टिंग वाइंडिंग्स के साथ एक इलेक्ट्रोमैग्नेट बनाने का प्रयास किया, लेकिन पाया कि अपेक्षाकृत कम चुंबकीय क्षेत्र ने उन सामग्रियों में अतिचालकताको नष्ट कर दिया जिसकी उन्होंने जांच की। बहुत बाद में, 1955 में, जॉर्ज येंटेमा सुपरकंडक्टिंग नाइओबियम वायर वाइंडिंग के साथ एक छोटा 0.7-टेस्ला आयरन-कोर इलेक्ट्रोमैग्नेट बनाने में सफल रहा। फिर, 1961 में, जॉन यूजीन कुंजलर|जे. ई. कुंजलर, ई. ब्यूहलर, एफ.एस.एल. सू, और जे.एच. वर्निक चौंकाने वाली खोज की कि 4.2 केल्विन पर, तीन भागों नाइओबियम और एक भाग टिन वाला 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 गढ़ने में कठिन होने के बावजूद, नाइओबियम-टिन तब से 20 टेस्ला के रूप में उच्च चुंबकीय क्षेत्र पैदा करने वाले सुपरमैग्नेट में बेहद उपयोगी साबित हुआ है। 1962 में, टेड बर्लिनकोर्ट और रिचर्ड हेक पता चला है कि नाइओबियम और टाइटेनियम के कम भंगुर मिश्र धातु 10 टेस्ला तक के अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं। इसके तुरंत बाद, वेस्टिंगहाउस इलेक्ट्रिक कॉर्पोरेशन और वाह चांग कॉर्पोरेशन में नाइओबियम-टाइटेनियम सुपरमैग्नेट तार का व्यावसायिक उत्पादन शुरू हुआ। हालांकि नाइओबियम-टाइटेनियम में नाइओबियम-टिन की तुलना में कम प्रभावशाली सुपरकंडक्टिंग गुण होते हैं, फिर भी, नाइओबियम-टाइटेनियम सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला "वर्कहॉर्स" सुपरमैग्नेट सामग्री बन गया है, जो बड़े पैमाने पर इसकी बहुत उच्च लचीलापन और निर्माण में आसानी का परिणाम है। हालांकि, नाइओबियम-टिन और नाइओबियम-टाइटेनियम दोनों एमआरआई मेडिकल इमेजर्स में व्यापक उपयोग पाते हैं, अत्यधिक उच्च-ऊर्जा कण त्वरक के लिए झुकने और ध्यान केंद्रित करने वाले मैग्नेट, और अन्य अनुप्रयोगों के एक मेजबान। अतिचालकताके लिए एक यूरोपीय कंसोर्टियम, कोनेक्टस ने अनुमान लगाया कि 2014 में, वैश्विक आर्थिक गतिविधि, जिसके लिए अतिचालकताअपरिहार्य थी, लगभग पांच बिलियन यूरो थी, जिसमें एमआरआई सिस्टम कुल का लगभग 80% था।

1962 में, ब्रायन डेविड जोसेफसन ने महत्वपूर्ण सैद्धांतिक भविष्यवाणी की कि इन्सुलेटर की एक पतली परत द्वारा अलग किए गए सुपरकंडक्टर के दो टुकड़ों के बीच एक सुपरकरंट प्रवाहित हो सकता है। इस घटना को, जिसे अब जोसेफसन प्रभाव कहा जाता है, SQUIDs जैसे अतिचालक उपकरणों द्वारा उपयोग किया जाता है। इसका उपयोग चुंबकीय प्रवाह क्वांटम h/2e के सबसे सटीक उपलब्ध मापों में किया जाता है, और इस प्रकार (क्वांटम हॉल प्रभाव के साथ युग्मित) प्लैंक स्थिरांक h के लिए। जोसेफसन को इस काम के लिए 1973 में भौतिकी का नोबेल पुरस्कार दिया गया था।

1973 में में टी पाया गयाc 23 K का, जो उच्चतम परिवेश-दबाव T बना रहाc 1986 में कप्रेट उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स की खोज तक (नीचे देखें)।

उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स
1986 में, जोहान्स जॉर्ज बेडनोर्ज़|जे. जॉर्ज बेडनोर्ज़ और कार्ल अलेक्जेंडर मुलर|के. एलेक्स मुलर ने एक लेण्टेनियुम-आधारित कप्रेट पेरोवियन सामग्री में अतिचालकता की खोज की, जिसका संक्रमण तापमान 35 K (भौतिकी में नोबेल पुरस्कार, 1987) था और उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स में से पहला था। यह जल्द ही पाया गया ( चिंग-डब्ल्यू यूसी फॉक्स द्वारा) कि लेन्थेनम को yttrium के साथ बदलकर, यानी YBCO बनाकर, महत्वपूर्ण तापमान को 92 K तक बढ़ा दिया, जो महत्वपूर्ण था क्योंकि तरल नाइट्रोजन को तब रेफ्रिजरेंट के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता था (वायुमंडलीय दबाव पर, उबलना नाइट्रोजन का बिंदु 77 K है)। यह व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण है क्योंकि तरल नाइट्रोजन को कच्चे माल के बिना सस्ते में ऑन-साइट उत्पादित किया जा सकता है, और पाइपिंग में हीलियम की कुछ समस्याओं (ठोस वायु प्लग, आदि) से ग्रस्त नहीं है। उसके बाद से कई अन्य कप्रेट सुपरकंडक्टर्स की खोज की गई है, और इन सामग्रियों में अतिचालकताका सिद्धांत सैद्धांतिक संघनित पदार्थ भौतिकी की प्रमुख उत्कृष्ट चुनौतियों में से एक है।

मार्च 2001 में, मैग्नीशियम लीक  की अतिचालकता  टी के साथ मिला थाc = 39 के.

2008 में, oxypnictide या आयरन-आधारित सुपरकंडक्टर्स की खोज की गई, जिससे इस उम्मीद में काम की हड़बड़ाहट हो गई कि उनका अध्ययन कप्रेट सुपरकंडक्टर्स का एक सिद्धांत प्रदान करेगा।

2013 में, वाईबीसीओ में पिकोसेकंड के लिए कमरे के तापमान की अतिचालकताप्राप्त की गई थी, सामग्री के क्रिस्टल संरचना को ख़राब करने के लिए अवरक्त लेजर प्रकाश की छोटी दालों का उपयोग किया गया था। 2017 में यह सुझाव दिया गया था कि अनदेखे सुपरहार्ड सामग्री (जैसे गंभीर रूप से डोप किए गए बीटा-टाइटेनियम एयू) टीसी के साथ एक नए सुपरकंडक्टर के लिए उम्मीदवार हो सकते हैं, जो एचजीबीएक्यूओ (138 के) से काफी अधिक है, संभवतः 233 के तक, जो इससे भी अधिक होगा एच2एस। बहुत सारे शोध बताते हैं कि अतिरिक्त रूप से निकेल कुछ पर्कोव्साइट्स में तांबे की जगह ले सकता है, जो कमरे के तापमान के लिए एक और मार्ग प्रदान करता है। ली + डोप्ड सामग्री का भी उपयोग किया जा सकता है, यानी स्पिनल बैटरी सामग्री लीटी2Ox और जाली का दबाव Tc को 13.8 K से अधिक तक बढ़ा सकता है। इसके अलावा LiHx को H तुलना में काफी कम दबाव पर धातुकृत करने के लिए सिद्धांतित किया गया है और यह टाइप 1 सुपरकंडक्टर 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

श्रेणी: अतिचालकता श्रेणी:भौतिकी का इतिहास