دھاتوں کی سپر کنڈکٹیویٹی، ہائیک کیمرلنگ اونس کی دریافت

سب سے پہلے سپر کنڈکٹیویٹی کے مظاہر کو دیکھا ہائیک کیمرلنگ اونس - ڈچ ماہر طبیعیات اور کیمسٹ۔ اس واقعہ کی دریافت کا سال 1911 تھا۔ اور پہلے سے ہی 1913 میں، سائنسدان کو ان کی تحقیق کے لئے طبیعیات میں نوبل انعام ملے گا.

انتہائی کم درجہ حرارت پر عطارد کی برقی مزاحمت کا مطالعہ کرتے ہوئے، وہ اس بات کا تعین کرنا چاہتا تھا کہ کسی مادے کی برقی رو کے خلاف مزاحمت کس سطح تک گر سکتی ہے اگر اسے نجاستوں سے پاک کر دیا جائے، اور اس کو کم کرنے کے لیے کیا کیا جا سکتا ہے۔ بلایا "تھرمل شور"، یعنی ان مادوں کے درجہ حرارت کو کم کرنا۔ نتائج غیر متوقع اور حیران کن تھے۔ 4.15 K سے کم درجہ حرارت پر، مرکری کی مزاحمت اچانک مکمل طور پر ختم ہو گئی!

ذیل میں اونس نے جو مشاہدہ کیا اس کا ایک گراف ہے۔

ان دنوں سائنس پہلے ہی کم از کم اتنا جانتی تھی۔ دھاتوں میں کرنٹ الیکٹران کا بہاؤ ہے۔جو کہ ان کے ایٹموں سے الگ ہوتے ہیں اور چارج شدہ گیس کی طرح برقی میدان کے ذریعے لے جاتے ہیں۔یہ ہوا کی طرح ہے جب ہوا زیادہ دباؤ والے علاقے سے کم دباؤ والے علاقے میں منتقل ہوتی ہے۔ صرف اب، کرنٹ کی صورت میں، ہوا کے بجائے، آزاد الیکٹران ہوتے ہیں، اور تار کے سروں کے درمیان ممکنہ فرق ہوا کی مثال کے لیے دباؤ کے فرق کے مترادف ہے۔

ڈائی الیکٹرکس میں، یہ ناممکن ہے، کیونکہ الیکٹران اپنے ایٹموں سے مضبوطی سے جکڑے ہوئے ہیں اور انہیں اپنی جگہ سے پھاڑنا بہت مشکل ہے۔ اور اگرچہ دھاتوں میں کرنٹ بنانے والے الیکٹران نسبتاً آزادانہ حرکت کرتے ہیں، لیکن وہ کبھی کبھار ہلنے والے ایٹموں کی شکل میں رکاوٹوں سے ٹکرا جاتے ہیں اور ایک قسم کی رگڑ پیدا ہوتی ہے جسے کہتے ہیں۔ برقی مزاحمت.

لیکن جب انتہائی کم درجہ حرارت پر یہ خود کو ظاہر کرنا شروع کر دیتا ہے۔ superconductivityرگڑ کا اثر کسی وجہ سے غائب ہو جاتا ہے، کنڈکٹر کی مزاحمت صفر پر گر جاتی ہے، جس کا مطلب ہے کہ الیکٹران مکمل طور پر آزادانہ طور پر، بلا روک ٹوک حرکت کرتے ہیں۔ لیکن یہ کیسے ممکن ہے؟

اس سوال کا جواب تلاش کرنے کے لیے ماہرینِ طبیعات نے کئی دہائیوں تک تحقیق کی۔ اور آج بھی عام تاروں کو "عام" تاریں کہا جاتا ہے، جبکہ صفر مزاحمت کی حالت میں کنڈکٹرز کو "سپر کنڈکٹرز" کہا جاتا ہے.

واضح رہے کہ اگرچہ عام کنڈکٹرز درجہ حرارت میں کمی کے ساتھ اپنی مزاحمت کو کم کر دیتے ہیں، لیکن تانبا، حتیٰ کہ کئی کیلونز کے درجہ حرارت پر بھی، سپر کنڈکٹر نہیں بنتا، اور مرکری، سیسہ اور ایلومینیم ایسا کرتے ہیں، لیکن ان کی مزاحمت کم از کم ایک سو ٹریلین ہو جاتی ہے۔ انہی حالات میں تانبے کے مقابلے میں کئی گنا کم۔

یہ بات قابل غور ہے کہ اونس نے غیر مصدقہ دعوے نہیں کیے تھے کہ کرنٹ گزرنے کے دوران پارے کی مزاحمت بالکل صفر ہو گئی تھی، اور صرف اتنا نہیں گرا تھا کہ اس وقت کے آلات سے اس کی پیمائش کرنا ناممکن ہو گیا تھا۔

اس نے ایک تجربہ ترتیب دیا جس میں مائع ہیلیم میں ڈوبی ہوئی ایک سپر کنڈکٹنگ کنڈلی میں کرنٹ اس وقت تک گردش کرتا رہا جب تک کہ جن کے بخارات نہ بن جائیں۔ کمپاس کی سوئی، جو کنڈلی کے مقناطیسی میدان کی پیروی کرتی تھی، بالکل بھی انحراف نہیں ہوئی! 1950 میں اس قسم کا زیادہ درست تجربہ ڈیڑھ سال تک جاری رہے گا اور اتنے طویل عرصے کے باوجود کرنٹ کسی بھی طرح کم نہیں ہوگا۔

ابتدائی طور پر، یہ معلوم ہوتا ہے کہ دھات کی برقی مزاحمت کا خاص طور پر درجہ حرارت پر انحصار ہوتا ہے، آپ تانبے کے لیے اس طرح کا گراف بنا سکتے ہیں۔

درجہ حرارت جتنا زیادہ ہوتا ہے، ایٹموں میں اتنا ہی زیادہ ہلچل پیدا ہوتی ہے۔ جتنا زیادہ ایٹم ہلتے ہیں، وہ کرنٹ بنانے والے الیکٹرانوں کی راہ میں اتنی ہی اہم رکاوٹ بن جاتے ہیں۔ اگر دھات کا درجہ حرارت کم ہوتا ہے، تو اس کی مزاحمت کم ہو جائے گی اور ایک مخصوص بقایا مزاحمت R0 تک پہنچ جائے گی۔ اور یہ بقایا مزاحمت، جیسا کہ یہ نکلا، نمونے کی ساخت اور "کمالیت" پر منحصر ہے۔

حقیقت یہ ہے کہ دھات سے بنے کسی بھی نمونے میں نقائص اور نجاست پائی جاتی ہے۔ اس انحصار نے 1911 میں سب سے بڑھ کر لوگوں کو دلچسپی ظاہر کی، ابتدائی طور پر اس نے سپر کنڈکٹیویٹی کے لیے کوشش نہیں کی تھی، لیکن وہ صرف کنڈکٹر کی اتنی فریکوئنسی حاصل کرنا چاہتا تھا تاکہ اس کی بقایا مزاحمت کو کم سے کم کیا جا سکے۔

ان سالوں میں، مرکری کو صاف کرنا آسان تھا، اس لیے محقق کو اتفاقی طور پر اس کا سامنا ہوا، اس حقیقت کے باوجود کہ پلاٹینم، سونا اور تانبا عام درجہ حرارت پر پارے سے بہتر موصل ہیں، ان کو صاف کرنا زیادہ مشکل ہے۔

جیسے جیسے درجہ حرارت کم ہوتا ہے، سپر کنڈکٹنگ حالت ایک خاص لمحے پر اچانک واقع ہوتی ہے جب درجہ حرارت ایک خاص نازک سطح تک پہنچ جاتا ہے۔ اس درجہ حرارت کو نازک کہا جاتا ہے، جب درجہ حرارت اس سے بھی کم ہو جاتا ہے، مزاحمت تیزی سے صفر تک گر جاتی ہے۔

نمونہ جتنا صاف ہوتا ہے، اتنا ہی تیز گرتا ہے، اور خالص ترین نمونوں میں یہ گراوٹ ایک ڈگری کے سوویں حصے سے بھی کم وقفے پر ہوتی ہے، لیکن نمونہ جتنا زیادہ آلودہ ہوتا ہے، اتنا ہی لمبا گرتا ہے اور دسیوں ڈگری تک پہنچ جاتا ہے، یہ خاص طور پر میں قابل توجہ اعلی درجہ حرارت کے سپر کنڈکٹرز.

نمونے کا اہم درجہ حرارت تیز کمی کے وقفے کے وسط میں ماپا جاتا ہے اور ہر مادہ کے لیے انفرادی ہے: مرکری 4.15K کے لیے، niobium کے لیے، 9.2K کے لیے، ایلومینیم کے لیے، 1.18K، وغیرہ۔ مرکب دھاتیں ایک الگ کہانی ہیں، ان کی سپر کنڈکٹیویٹی کو بعد میں اونس نے دریافت کیا: سونے کے ساتھ مرکری اور ٹن کے ساتھ مرکری وہ پہلا سپر کنڈکٹنگ مرکب تھا جو اس نے دریافت کیا۔

جیسا کہ اوپر ذکر کیا گیا ہے، سائنسدان نے مائع ہیلیم کے ساتھ کولنگ کا مظاہرہ کیا. ویسے، اونس نے اپنے طریقے کے مطابق مائع ہیلیم حاصل کیا، جو اس کی اپنی خصوصی تجربہ گاہ میں تیار کیا گیا تھا، جس کی بنیاد سپر کنڈکٹیویٹی کے رجحان کی دریافت سے تین سال قبل رکھی گئی تھی۔

سپر کنڈکٹیوٹی کی طبیعیات کے بارے میں تھوڑا سا سمجھنے کے لیے، جو نمونے کے نازک درجہ حرارت پر ہوتی ہے تاکہ مزاحمت صفر تک گر جائے، اس کا ذکر کرنا چاہیے۔ مرحلے کی منتقلی… نارمل حالت، جب دھات کی برقی مزاحمت عام ہوتی ہے، عام مرحلہ ہوتا ہے۔ سپر کنڈکٹنگ مرحلہ یہ وہ حالت ہے جب دھات کی مزاحمت صفر ہوتی ہے۔ اس مرحلے کی منتقلی نازک درجہ حرارت کے فوراً بعد ہوتی ہے۔

مرحلے کی منتقلی کیوں ہوتی ہے؟ ابتدائی "نارمل" حالت میں، الیکٹران اپنے ایٹموں میں آرام دہ ہوتے ہیں، اور جب اس حالت میں تار سے کرنٹ بہتا ہے، تو منبع کی توانائی خرچ ہو جاتی ہے تاکہ کچھ الیکٹران اپنے ایٹموں کو چھوڑ کر برقی میدان کے ساتھ حرکت کرنا شروع کر دیں۔ اگرچہ ان کے راستے میں ٹمٹماتی رکاوٹوں کا سامنا کرنا پڑتا ہے۔

جب تار کو اہم درجہ حرارت سے کم درجہ حرارت پر ٹھنڈا کیا جاتا ہے اور اسی وقت اس کے ذریعے کرنٹ قائم ہو جاتا ہے، تو الیکٹرانوں کے لیے اس کرنٹ میں رہنا اور اصل کی طرف لوٹنا زیادہ آسان ہو جاتا ہے۔ "نارمل" حالت میں، اس صورت میں یہ ضروری ہوگا کہ کہیں سے اضافی توانائی حاصل کی جائے، لیکن یہ کہیں سے نہیں آتی۔ لہذا، سپر کنڈکٹنگ حالت اتنی مستحکم ہے کہ مادہ اسے چھوڑ نہیں سکتا جب تک کہ اسے دوبارہ گرم نہ کیا جائے۔

بھی دیکھو:Meissner اثر اور اس کا استعمال