सुपरकंडक्टिविटी

संघनित पदार्थ भौतिकी के क्षेत्र में, सुपरकंडक्टिविटी सबसे अद्भुत घटनाओं में से एक है। यह पदार्थ की एक ऐसी अवस्था है जो विद्युत प्रतिरोध की पूरी अनुपस्थिति और कुछ सामग्रियों में चुंबकीय क्षेत्रों के निष्कासन द्वारा विशेषित होती है जब उन्हें एक विशिष्ट क्रिटिकल तापमान से नीचे ठंडा किया जाता है। इस घटना की खोज 1911 में डच भौतिक विज्ञानी हाइके कैमरलिंग ओन्स ने की थी, जिन्होंने 4.2 K (केल्विन) से कम तापमान पर पारे में इसे देखा था।

खोज और ऐतिहासिक विकास

सुपरकंडक्टिविटी की यात्रा एक सदी से अधिक पहले शुरू हुई थी। ओन्स ने बहुत ठंडे धातुओं पर प्रयोग किए और पाया कि पारे का विद्युत प्रतिरोध अचानक 4.2 K पर शून्य हो गया। इस आश्चर्यजनक परिणाम ने सुपरकंडक्टिविटी की खोज की ओर ले गया, जिसने वैज्ञानिक मंडलों में महान रुचि उत्पन्न की। इसके बाद, सुपरकंडक्टिविटी अन्य सामग्रियों जैसे सीसा और नाइओबियम में भी पाई गई, प्रत्येक की अपनी अनोखी क्रिटिकल तापमान के साथ।

ओन्स की खोज के बाद के वर्षों में, शोधकर्ताओं ने अंतर्निहित तंत्र को समझने का प्रयास किया। दशकों तक इस घटना ने वैज्ञानिकों को उलझन में डाले रखा, जब तक कि तीन भौतिक विज्ञानी, जॉन बारडीन, लियोन कूपर और रॉबर्ट श्रिफर ने 1957 में BCS सिद्धांत को प्रस्तुत किया, जिसने पारंपरिक कम तापमान सुपरकंडक्टर्स में सुपरकंडक्टिविटी के लिए संतोषजनक सैद्धांतिक स्पष्टीकरण प्रदान किया।

सुपरकंडक्टर्स के मौलिक गुण

शून्य विद्युत प्रतिरोध

एक सुपरकंडक्टर की सबसे उल्लेखनीय विशेषताओं में से एक विद्युत प्रतिरोध की अनुपस्थिति है। सामान्य कंडक्टरों में, इलेक्ट्रॉनों की अशुद्धियों और जाली कंपन के कारण प्रतिरोध उत्पन्न होता है। एक सुपरकंडक्टर में, इसके क्रिटिकल तापमान से नीचे, ये बिखरने की प्रक्रिया रोक जाती है, और इलेक्ट्रॉन सामग्रियों के माध्यम से बिना किसी बाधा के जाने में सक्षम होते हैं। यह संपत्ति विद्युत प्रवाह के बिना किसी ऊर्जा हानि के संचरण की अनुमति देती है।

मैस्नर प्रभाव

सुपरकंडक्टिविटी की दूसरी मौलिक विशेषता मैस्नर प्रभाव है, जिसे 1933 में वाल्थर मैस्नर और रॉबर्ट ओछ्सेनफेल्ड द्वारा खोजा गया था। उन्होंने पाया कि जब एक सुपरकंडक्टर अपनी सुपरकंडक्टिंग अवस्था में पहुँचता है, यह अपने अंदर से चुंबकीय क्षेत्रों को निकाल देता है। चुंबकीय क्षेत्रों के इस निष्कासन से ही आदर्श कंडक्टर एक सुपरकंडक्टिंग पदार्थ से भिन्न होता है।

मैस्नर प्रभाव का उदाहरण:

उपरोक्त चित्र में एक सुपरकंडक्टर (नीले रंग में) दिखाया गया है, जिसके चुंबकीय क्षेत्र की रेखाएँ (हरे रंग में) इसके चारों ओर मुड़ी हुई हैं, चुंबकीय क्षेत्रों के निष्कासन को प्रदर्शित करते हुए, जिसे मैस्नर प्रभाव कहा जाता है।

सुपरकंडक्टिविटी का सैद्धांतिक स्पष्टीकरण

BCS सिद्धांत

BCS सिद्धांत, जिसे इसके विकासकर्ताओं बार्डीन, कूपर और श्रिफर के नाम पर रखा गया है, इस प्रश्न का उत्तर देता है कि क्यों इलेक्ट्रॉन, जो आम तौर पर एक-दूसरे को उनके समान चार्ज के कारण प्रतिकर्षित करते हैं, एक सुपरकंडक्टर में कूपर युग्मित रूप में होते हैं।

कूपर युग्म

कूपर युग्म उन इलेक्ट्रॉनों के युग्म होते हैं जो निम्न तापमान पर एक लट्टिस संरचना में बंद होते हैं, जो बोसॉन (वे कण जो बोस-आइंस्टीन सांख्यिकी का पालन करते हैं) के रूप में व्यवहार करते हैं बजाय कि फर्मियन के। बोसानों के रूप में, वे समान क्वांटम अवस्था में संक्षेपित हो सकते हैं, जिससे वे सुपरकंडक्टर के माध्यम से फैलाव के बिना गुजर सकते हैं।

कूपर युग्म निर्माण:    
इलेक्ट्रॉन 1 ----- फोनोन बादल ----- इलेक्ट्रॉन 2
    

उपरोक्त दृश्य में, एक इलेक्ट्रॉन लट्टिस के माध्यम से चलता है, जो एक सकारात्मक आवेश का पैटर्न बनाता है, जो दूसरे इलेक्ट्रॉन को आकर्षित करता है, फोनोन या जाली कंपन के माध्यम से युग्म बनाता है।

बैंड गैप

BCS सिद्धांत फर्मी स्तर पर इलेक्ट्रॉनिक घनत्व की अवस्थाओं में एक ऊर्जा अंतर की भविष्यवाणी करता है। यह ऊर्जा अंतर इलेक्ट्रॉन बिखरने की अवस्थाओं को रोकती है, जो सामान्य धातुओं में आमतौर पर प्रमुख होते हैं, सुपरकंडक्टिविटी की ओर ले जाते हुए। ऊर्जा अंतर का आकार तापमान पर निर्भर करता है और जैसे-जैसे तापमान क्रिटिकल तापमान के करीब आता है, इसका आकार घटता जाता है।

सुपरकंडक्टर्स के प्रकार

प्रकार I सुपरकंडक्टर

प्रकार I सुपरकंडक्टर्स को एकल क्रिटिकल चुंबकीय क्षेत्र द्वारा विशेषित किया जाता है, जिसके नीचे वे आदर्श डायमैग्नेट्स के रूप में कार्य करते हैं और पूर्ण मैस्नर प्रभाव प्रदर्शित करते हैं। इस क्रिटिकल क्षेत्र से ऊपर, सुपरकंडक्टिविटी अचानक खो जाती है।

प्रकार II सुपरकंडक्टर

प्रकार II सुपरकंडक्टर्स के दो क्रिटिकल चुंबकीय क्षेत्र होते हैं, जिन्हें निम्न क्रिटिकल क्षेत्र और उच्च क्रिटिकल क्षेत्र के रूप में जाना जाता है। निम्न क्रिटिकल क्षेत्र के नीचे, वे पूर्ण मैस्नर प्रभाव प्रदर्शित करते हैं, लेकिन निम्न और उच्च क्षेत्रों के बीच, वे चुंबकीय क्षेत्र की रेखाओं को वर्टेक्स अवस्थाओं के माध्यम से अंशिक रूप से अंदर जाने की अनुमति देते हैं, जिसमें सामग्री के छोटे क्षेत्र सामान्य हो जाते हैं। उच्च क्रिटिकल क्षेत्र से ऊपर, सुपरकंडक्टिविटी पूरी तरह खो जाती है।

प्रकार II सुपरकंडक्टर्स में चुंबकीय क्षेत्र के دخول की उदाहरण:

यह दृश्य प्रकार II सुपरकंडक्टर्स के अनूठे व्यवहार को उजागर करता है और वे कैसे क्रिटिकल क्षेत्रों के बीच वर्टेक्स रूप में चुंबकीय क्षेत्रों को प्रवेश की अनुमति देते हैं।

सुपरकंडक्टिविटी के अनुप्रयोग

चुंबकीय रूप से लवित ट्रेन्स (मैगलेव)

सुपरकंडक्टर्स चुंबकीय रूप से लवित ट्रेनों में उपयोग किए जाते हैं क्योंकि उनमें चुंबकीय क्षेत्रों को रद्द करने की क्षमता होती है (मैस्नर प्रभाव), जिससे ट्रेनें पटरी के ऊपर बिना किसी घर्षण के तैर सकती हैं।

चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (MRI)

MRI मशीनें शक्तिशाली सुपरकंडक्टिंग चुंबकीय का उपयोग करती हैं ताकि मानव शरीर की उच्च-रिज़ोल्यूशन छवियों के लिए आवश्यक चुंबकीय क्षेत्रों को उत्पन्न किया जा सके, जो चिकित्सा निदान में सहायक होती हैं।

विद्युत केबल

सुपरकंडक्टर्स की शून्य प्रतिरोध संपत्ति का शक्ति केबलों में उपयोग किया जा सकता है, जिससे बिजली को लंबी दूरी तक न्यूनतम या बिना ऊर्जा हानि के संप्रेषित किया जा सकता है, दक्षता में काफी सुधार होता है।

कण त्वरक

कण त्वरकों में, सुपरकंडक्टिंग चुंबकीय का उपयोग कण बीमों को निर्देशित और केंद्रीकरण करने के लिए किया जाता है। ये चुंबकीय CERN के बड़े हैड्रन कोलाइडर (LHC) जैसी सुविधाओं में महत्वपूर्ण घटक होते हैं।

चुनौतियाँ और भविष्य के दृष्टिकोण

इसके वादों के बावजूद, सुपरकंडक्टिविटी को व्यापक रूप से अपनाए जाने का सामना चुनौतियों को किया गया है, मुख्यतः इसलिए कि अत्यधिक निम्न ऑपरेटिंग तापमान की आवश्यकता होती है। हालांकि, 1980 के दशक के अंत में उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स की खोज, जैसे कि तांबा-ऑक्साइड सिरेमिक्स पर आधारित, ने अधिक व्यावहारिक अनुप्रयोगों की संभावना को उजागर किया है। अनुसंधान उन सामग्रियों को खोजने के लिए जारी है जो और भी उच्च तापमान पर सुपरकंडक्टर्स बन सकते हैं, आदर्शतः कमरे के तापमान के करीब।

संक्षेप में, सुपरकंडक्टिविटी भौतिकी के सबसे दिलचस्प घटनाओं में से एक है, जो प्रौद्योगिकी के विभिन्न क्षेत्रों में महत्वपूर्ण प्रभाव रखती है। जैसे-जैसे अनुसंधान प्रगति करेगा, उम्मीद है कि इसकी क्षमता को और बढ़ाया जाएगा, सुपरकंडक्टर आधारित प्रौद्योगिकियों को रोजमर्रा के उपयोग के लिए संभव बना देगा।

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