“Superconductivity”—Bahin sa Unsa ang Kakisaw?

SA SULOD nianang daw samag tunga nga tasa sa kape nga Styrofoam maoy usa ka daw itom nga perdigones nga samag gidak-on sa gamayng batones. Sa ibabaw sa perdigones dunay mas gamay pang tipak sa metal. Sa hinayhinay, gibubo sa batan-ong estudyante diha sa tasa ang nagbulabulang likido, sa tinagidyot. Mahinamong nagtan-aw ang tanan sa palibot sa lamesa.

Sa sinugdan mibulabulag kusog ang likido dihang naigo kini sa tasa. Dayon milinaw ang tanan ug ang hangin mipundo. Unya, ang gamayng tipak sa metal misugod sa pagkisaw sama nga nagsayaw. Sa kalit, naukang kini gikan sa perdigones ug milutaw sa hangin! Mikuha ang estudyante ug laang ug gikaw-it kini sa tipak. Walay lipat, walay gimik—ang tipak ming-alsa!

Kadto maoy eksperimento sa superconductivity nga gihimo sa grupo sa mga estudyante sa hayskol sa California. Sa mga usa o duha ka tuig lang nga miagi, kining eksperimentoha mahimo lamang diha sa modernong mga laboratoryo sa pagdukiduki nga may komplikadong mga gamit ug igong pundo. Ang kamatuoran nga nahimo kana sa mga estudyante sa hayskol karong adlawa maoy timailhan sa kusog nga pag-uswag niining natara.

Ang magasing Time dunay sugilanon sa hapin sa miaging Mayo nga nag-ulohang “Superconductors!—Ang makakurat nga kalamposan nga mobag-o sa atong kalibotan.” Gitawag kini sa Newsweek nga “Usa ka Bag-ong Kausaban sa Elektrisidad.” Ang hapin sa Life magasin dunay ulohang “Fast-Food Physics,” nga nagpaila sa kusog nga pag-uswag sa mga butang niining natara. Busa, unsa ang superconductivity? Ug bahin sa unsa ang kakisaw?

Ang Dugay Nang Gipangitang Mithi

Ang conductivity, sumala sa kahubitan, mao ang sukod sa katakos sa substansiya sa pagdala ug koryente. Ang kadaghanan kanato nahibalo nga ang mga butang sama sa bildo ug porselana dili makadala ug koryente. Sa laing bahin, ang mga metal sama sa tumbaga, bulawan, ug platino maoy maayong conductor o tigdala sa koryente tungod kay wala kaayoy resistance o babag sa koryenteng moagi kanila. Nan, ang superconductivity, maoy pagkawala sa tanang resistance diha sa usa ka alambre—kanang mithianong bahin nga diin libreng makaagi ang koryente ug walay pagkunhod sa koryente.

Dugay nang nagpanan-aw ang mga siyentipiko sa dakong potensiyal nga mahimo niining mithianong materyal—usa ka superconductor. Pananglitan, ang power transmission line nga hinimo sa mga superconductor makakuha dili lamang sa dakong pagkunhod sa enerhiya tungod sa resistance sa kasagarang mga alambre kondili sa mangil-ad ug mahal nga mga linya sa koryente nga nagkuroskuros sa nasod. Ang paggamit ug mga superconductor nakapaposible sa pagtukod ug dasok kaayong mga supercomputer nga moandar sa katulinong wala pa mahimo hangtod karon. Ang tagsaong magnetikong kinaiyahan sa mga superconductor mohatag ug usa ka bag-ong kaliwatan sa kusgan kaayong mga elektromagnetiko nga nakahimong praktikal sa mga eksperimental nga aparato sama sa mga medical scanner, sa mga tren nga nagalutaw nga kusog kaayong modagan, higanteng particle accelarator, ug bisan sa pagpausa sa enerhiya.

Apan, bisan pag katingalahan kining tanan, kini dunay usa ka problema. Kapin na sa 75 ka tuig, nahibalo ang mga siyentipiko nga ang pipila ka metal nagapakitag superconductivity kon pabugnawon lamang sa hilabihan ka ubos nga mga temperatura, gatosgatos ka grado ubos sa pagkabagtok. Sa 1911 nga unang nadiskobrehan sa siyentipikong Olandes, si Heike Kamerlingh Onnes, ang dalan sa mga superconductor. Bag-o pa lang nakakitag paagi sa paghimo sa gas helium nga likido, nga gumikan niini gigantihan siyag Nobel prize sa 1913, iyang gituki ang epekto sa ubos nga mga temperatura sa nagkalainlaing mga metal. Sa wala dahoma, iyang natukian nga nawala ang resistance sa koryente sa merkuryo diha sa temperatung -269° C., o 4 K, ibabaw sa kuwatro grado nianang gitawag sa mga siyentipiko nga absolute zero diha sa Kelvin scale.a

Bisan pa nga aksidente lang nadiskobrehan ang superconductivity, ang bili niini naila dayon. Apan, ang hilabihan ka ubos nga temperatura, nga gitawag transisyon, kun kritikal nga temperatura, nga diin ang materyal nahimong superconductor may usa ka dakong problema. Ang gastoso ug komplikadong pagtrabaho sa ingon ka ubos nga mga temperatura ang nakakunhod sa praktikal nga bili niini. Sa misunod nga mga dekada, gieksperimentohan sa mga siyentipiko ang ubang mga materyal nga nagalaom nga makadiskobreg usa ka butang nga mahimong superconducting sa mas hataas nga mga temperatura. Apan hinayng miabot ang kauswagan.

Apan, sa nangaging mga tuig, ang ubang mga kinaiyahan sa mga superconductor mitungha. Ang usa sa labing importante, nadiskobrehan sa 1933, nga dihang ibutang ang usa ka superconductor sa magnetic field, wala gayoy moaging magnetic flux niini, apan gibabagan o nababagan kini sa flux. Kining katingad-anan, nga gitawag Meissner effect, mao ang hinungdan sa paglutaw, sama sa gipasundayag sa eksperimento sa hayskol. Ang diskoberiya niini misangpot sa napadasig nga mga paningkamot sa pagtuki alang sa mas taas pang temperaturang mga superconductor. Sa gihapon, hinay ang pag-uswag. Dili pa dugay sa 1973, ang labing maayo nga nadiskobrehan mao ang usa ka metal nga alloy nga nahimong superconducting sa temperaturang 23 K, kun -250° C., sa dili-praktikal gihapon nga ubos nga temperatura. Ug alang sa sunod pa nga mga tuig, kini wala gihapoy kausaban.

Nagakataas ang Temperatura!

Usa ka bag-ong kausaban nahitabo dihang duha ka siyentipiko sa laboratoryo sa pagdukiduki sa IBM sa Zurich, Switzerland, nakahunahuna nga tingali ang hinungdan nga ang ubang mga tigdukiduki wala molampos maoy tungod sa ilang pag-usisa sa sayop nga matang sa materyal. Hangtod niadtong panahona, ang kadaghanan sa gieksperimentohan mao ang mga metal ug mga alloy. “Kombinsido ako nga dili gayod kamo molampos niadtong bahina,” miingon si Alex Müller, usa sa duha ka siyentipiko.

Si Müller ug ang iyang kauban, si Georg Bednorz, misugod sa pag-eksperimento sa metallic oxides sa 1983. Sa sayo nga 1986 ilang nakab-ot ang unang dakong kausgawan sa daghang katuigan, nga diin nahimo kining superconductor diha sa -35 K, o -238° C., ginamit ang sambog nga dunay barium, lanthanum, tumbaga, ug oksihino. Dihang gipatik ang balita sa ulahi sa Septiyembre 1986, nakurat ang siyentipikanhong komunidad. Ang materyal nga gigamit sa mga siyentipiko sa laboratoryo sa Switzerland, usa ka pamilya sa mga ceramic, sa normal maoy usa ka insulador, ug walay usa ang makasuspetsa nga mao kini ang labing dakong kalamposan sa mga dekadang umaabot.

Dayon sunodsunod, ang usa ka bag-ong rekord napulihan sa lain. Sa pagka Pebrero 1987, usa ka grupo nga gipangunahan ni C. W. Chu sa University of Houston nakadiskobreg superconducting nga materyal sa kinatas-ang rekord sa temperaturang 93 K, o -180° C., pinaagi sa pagpuli sa lanthanum diha sa sambog ni Müller ug yttrium, laing gitawag nga tagsaong mga elemento sa yuta.

Kining maong kauswagan nakabukas ug bag-ong kapitulo sa taas ug temperaturang superconductor. Hangtod niadtong puntoha, ang likidong helium gigamit aron maabot sa materyales nga gitun-an ang ubos nga temperaturang gikinahanglan—usa ka mahal kaayo ug komplikadong paagi. Uban niining bag-ong diskoberiya, ang pagpabugnaw mahimo na karon pinaagi sa likidong nitroheno, nga mahimong likido sa temperaturang 77 K, o -196° C. Ang likidong nitroheno daling mabatonan, sama rag kantidad sa gatas, ug maatiman nga walay paggamit ug komplikadong aparato. Kini, uban sa kamatuoran nga ang materyal nga oxide sayon rang himoon ug dili-mahal, may dakong bahin sa paghatag dugang pagpadasig sa pagdukiduki sa superconductivity.

Siyempre, ang kataposang tumong, mao ang usa ka superconductor sa temperaturang kasarangan, nga dili na kinahanglang ipabugnaw, ug ang mga siyentipiko sa tibuok kalibotan madasigon kaayong nagadukiduki nininig tumonga. Sa pagkatinuod, ang mga report bahin sa “daklit nga mga timaan” sa superconductivity sa kasarangang temperatura mitungha.

Sa kataposan sa Mayo 1987, napataas ni Chu ug sa iyang grupo ang ilang rekord. Nakakita silag gamayng bahin sa usa ka espisimen nga nahimong superconductor sa temperaturang 225 K, o -48° C., apan tunghatunga. “Imong makita kini panagsa,” miingon si Pei-Herng Hor, usa sa membro sa grupo, “unya mawala kini sa kadugayan, apan makita na usab nimo kini.” Laing grupo, sa University of California sa Berkeley, mitaho sa pagtungha sa superconductivity sa 292 K, o -19° C., diha sa materyal nga ilang gieksperimentohan, apan wala sila makabalik sa resulta.

Bulawanong Panahon sa Unahan Lamang?

Ang makapaukyab nga balita bahin sa mga superconductor nakahatag sa mga tawo ug impresyon nga kita karong adlawa anaa na sa ganghaan sa usa ka bag-ong katuigan, usa ka teknolohikal nga panahon. Ang atong kinabuhi hapit nang mabag-o, sila moingon, sama sa paagi nga nahimo niini pinaagi sa mga imbensiyon sa nangagi, sama sa koryente ug sa transistor. Ang tanan bang katingalahang mga butang nga posibleng mahimo sa mga superconductor anaa lamang sa duol?

Sa pagsugod, “ang dugang pasukaranang siyentipikanhong pagsabot ang kinahanglang batonan sa dili pa kaylap gamiton ang superconductivity,” miingon si Erich Bloch, direktor sa U.S. National Science Foundation. Wala pa matukii sa mga siyentipiko ang tinong mga tubag nganong ang hinimog-tawong seramikang materyal nagaobra.

Tungod niini, nagtuo ang daghang mga eksperto nga mga tuig pa hangtod ang mga superconductor mobiya na sa mga laboratoryo ug magamit sa praktikal nga paagi. “Dako kaayo ang potensiyal niining mga materyala, apan ang orasan nga gitakda sa prensa sayop,” miingon ang tigdukiduki sa National Bureau of Standards. “Lima pa ka tuig ayha pa nato makita sila diha sa nipis nga mga film diha sa mga kompiyoter, ug kawhaan pa ka tuig ayha pa nato makita sila diha sa dinagko nga paggamit.”

Ang usa ka problema mao nga ang mga materyal nga taas ug temperaturang superconductor dili mapiko sama sa mga metal. Dili usab daling mapiko kining malugting mga materyal, sama sa nahibaloan sa tanan nga nakahulog ug pinggan. Apan, aron magamit ang mga superconductor sa praktikal nga paagi, kinahanglang himoon silang mga alambre ug mga film. Sa kompiyoter ug sa integrated circuits nga elektroniko, pananglitan, kinahanglang himoon kining mga film nga tipik lamang sa usa ka micron nga kabag-on. Ang mga motor ug mga magnet nagkinahanglan ug nipis, mapikong mga alambre diha sa mga binubod niini, ug kinahanglang lig-on ug mapikopiko ang linya sa koryente.

Ang nakadugang sa problema, ang mga siyentipiko wala makaseguro kon ang superconductor nga mga materyal makadalag dakong mga koryente o magnetic field nga gikinahanglan sa daghang paagi. Ang tanang mga superconductor dunay utlanan nga kon saylo pa niini mawala ang ilang pagkahimong superconducting. Sa pagkakaron, kanang maong utlanan ubos pa kaayo. Tingali kining tanang mga problemaha masulbad—apan dili pa sa umaabot.

Apan, dunay makahahadlok nga bahin kini. Duna nay mga hungihong sa paggamit ug pinulbos nga mga superconductor o pinunting nga mga hinagibang enerhiya diha sa gubat sa wanang! Ang superconductivity mosangpot kaha nga panalangin nga gipanagna ug gilaoman sa tanan, o moresulta ba hinoon kini sama sa paagi nga nahimo sa ubang bag-ong mga imbensiyon sa miagi—sama sa pulbora ug sa nuclear fission? Kana maoy pangutana nga walay usa ang andam sa pagtubag.

[Mga footnote]

[Kahon sa panid 21]

Ang Potensiyal sa mga Superconductor

“Ang praktikal gipabugnaw sa nitrohenang mga superconductor makadaginot ug mga kagamitan sa binilyon—ug makadaginot ug igong enerhiya nga dili na magkinahanglag 50 o kapin pang mga planta sa koryente,” miingon ang Business Week. Ang mga generitor ug mga linya sa koryente nga superconducting nagakahulogan usab ug dugang puwersadong mga planta sa koryente nga halayo sa mga siyudad, nga makakunhod sa polusyon, gastos, ug kapeligrohan.

Ang maglevs—mga tren nga nagalutaw pinaagig magnet—nga may gikusgon nga moabot ug 480 ka kilometro sa usa ka oras mahimong praktikal pinaagig gaan superconducting nga mga magnet. Ang mga elektrikal nga mga kotse nga gipaandar sa episyenteng superconducting nga mga motor makakunhod sa polusyon sa hangin sa nasod. Bisan ang mga barko mapaandar niining mga motora.

Ang superconducting nga mga microchip nga mga gamit nga usa ka libo ka pilo nga mas kusog kay sa silicon transistors ginahimo na karon. Sa paggamit niining maong mga chip, dili lamang ang mga kompiyoter mas kusog sa umaabot kondili, pinaagi sa dakong pagkunhod sa kainit nga mogawas, mas mogamay pa sila. Ang mga kompiyoter nga ipatong ibabaw sa lamesa sama unya ka gamhanan sama sa mainframes karong adlawa.

Ang NMRs (nuclear magnetic resonance scanners) ug ang SQUIDs (superconducting quantum interference devices) maoy mga makina nga makasid-ing sa lawas sa tawo ug makapaniid ug mga balod sa utok. Ang menos nga gasto ug kakomplikado dihang gamiton ang mga superconductor makahimo niining mga makinaha nga maabot sa ordinaryong mga ospital ug mga klinika.

Ang potensiyal sa mga superconductor dako. Pila kaha niini ang makab-ot?

[Tinubdan sa Letrato sa panid 19]

IMB Research