یکی از پیشتازان این مسابقه «کایته» فرانسوی بود که موفق شده بود برای اولین بار اکسیژن را به حالت مایع درآورد.
هدف بعدی هیدروژن بود. سه نفر به طور جداگانه در اروپا در این زمینه فعالیت می‌کردند: «اشلوسکی» در لهستان، «کامرلینگ اونس» در دانشگاه لیدن در هلند که با استفاده از دستگاه‌های فوق‌العاده پیشرفته‌ای در آزمایشگاهش روی این موضوع کار می‌کرد و نفر سوم «سر جیمز دوآر» از انجمن پادشاهی انگلستان بود که توانست در ۱۸۹۸ هیدروژن مایع تولید کرده و فاتح این مسابقه شود.
اما مسئله مهم به‌وجود آمده، اندازه‌گیری دمای هیدروژن در هنگام تبدیل از حالت گازی به حالت مایع بود. طبق پیشگویی‌های نظری (معادله واندروالس) این مقدار بین ۲۰ تا ۳۰ کلوین بود. اما دمایی که دماسنج‌های الکتریکی (ترموکوپل) نشان می‌دادند، مقداری بیشتر از این پیش‌بینی بود.
حتی وقتی تمام تصحیحات ناشی از افت مقاومت در اثر دمای پایین هم به حساب می‌آمد، دماسنج باز هم دمای ۳۵ کلوین را نشان می‌داد. در حالی که دماسنج‌های گازی مقدار واقعی ۲۰ کلوین را نشان می‌دادند.
کشف ابررسانایی در واقع از این مسأله آغاز شد. تا سال ۱۹۰۸ تمام عناصر گازی به حالت مایع درآمده بودند و تنها هلیم بود که باقی مانده بود.
تلاش برای میعان هلیم مایع توسط کامرلینگ اونس نتیجه داد و دانشمندان با رسیدن به گستره جدیدی از دماها (در حدود 4، 5 کلوین) اقدام به سنجش خواص مواد در این محدوده کردند. «نرنست» در برلین نشان داده‌بود که با کم شدن دما، مقاومت فلز باید به تدریج کاهش یابد تا سرانجام در صفر مطلق به کلی ناپدید شود.
یکی از خالص‌ترین فلزات در آن زمان جیوه بود. به همین دلیل اونس به سراغ اندازه‌گیری مقاومت جیوه رفت. نتایجی که وی به‌دست‌آورد تا دمای ۴ کلوین طبیعی بود. اما پایین‌تر از این دما ناگهان مقاومت الکتریکی به حدی می‌رسید که با دستگاه‌هایی که تا آن روز وجود داشت، قابل اندازه‌گیری نبود. یعنی عملاً صفر بود.
در سلسله مقالاتی که اونس تا سال ۱۹۱۳ در مورد این پدیده منتشر کرد، نام ابررسانایی را بر روی این پدیده گذاشت. این خاصیت توسط خود اونس در سرب و قلع نیز مشاهده شد.
البته به نظر می‌رسد که اونس این کلمه را برای صرفه‌جویی در لغات به کاربرده در مقاله‌هایش به کار برد و در ابتدا درک عمیقی از آنچه که کشف کرده بود، نداشت.
و بالاخره، «کارهه کامرلینگ اونس» نجیب‌زاده هلندی در سال ۱۹۱۳ به خاطر کشف خاصیت ابررسانایی به دریافت بزرگترین جایزه علمی دنیا، نوبل فیزیک مفتخر شد.
اندازه‌گیری مقاومت ابررسانا
اونس برای اندازه‌گیری مقاومت ابررسانا، آزمایشی را به این صورت طرح کرد که ابتدا جریانی را در دو سر یک پیچه برقرار کرد و سپس آن را داخل یک ظرف هلیم مایع فرو برد تا به حالت ابررسانایی درآید. سپس دو سر پیچه را به هم وصل کرد تا اتصال کوتاه شود. سپس با قرار دادن یک قطب‌نما، هرگونه افت در میعان مغناطیسی تولیدشده توسط جریان در پیچه را اندازه گرفت.
چنین آزمایشی، چندین سال بعد در دانشگاه MIT (مؤسسه فناوری ماساچوست) در ابعاد بسیار بزرگ انجام شد و پس از مدت دو سال هیچ گونه افت جریانی مشاهده نشد. اما سرانجام اعتصاب صنفی کارگران بخش حمل و نقل در ایالت ماساچوست باعث شد که هلیم مایع به موقع به آزمایشگاه نرسد و آزمایش متوقف شود!
کشفی ناامید کننده
کشف خاصیت ابررسانایی در نخستین مراحل، دانشمندان را مصمم به ساخت منبع لایزالی برای تولید انرژی کرد؛ یعنی ساخت سیم پیچ‌هایی عظیم از ابررسانا برای صرفه‌جویی در مصرف برق.
اما این بار هم اونس بود که نشان داد زیاد شدن میدان مغناطیسی باعث از بین رفتن خاصیت ابررسانایی می‌شود. در واقع هم دما و هم میدان مغناطیسی و هم شدت جریان الکتریکی عبوری در ایجاد خاصیت ابررسانایی در فلزات مؤثر است. اگر میدان مغناطیسی در محیط ایجاد شود، دمایی که در آن ابررسانایی رخ می‌دهد، پایین‌تر می‌رود.
ماهیت ابررسانایی
از زمان کشف خاصیت ابررسانایی تا بیش از نیم قرن پس از آن هر دهه به طور متوسط ۷ یا ۸ نظریه برای توضیح ابررسانایی ارائه می‌شد. اما همه این نظرات در یک نکته با هم مشترک بودند و آن عدم انطباق با واقعیت بود! کار به جایی رسید که فلیکس بلوخ، فیزیکدان حالت جامد، فرضیه جدیدی را به طنز منتشر کرد که تا مدت مدیدی تنها نظر صحیح در مورد ابررسانایی بود: «می‌توان ثابت کرد هر نظریه‌ای که برای توضیح ابررسانایی داده شود، غلط است!»
در تمام این مدت افرادی نظیر مایسنر، برادران لاندن، گورتر، کازیمیر، ابریکوسوف، لاندائو و گینزبرگ کشفیات نظری و تجربی مهمی در مورد ابررسانایی انجام داده بودند که بعضی از آنها هم به خاطر کشفیات‌شان موفق به اخذ جایزه نوبل فیزیک شدند.
اما سرانجام در ۱۹۵۷ سه فیزیکدان آمریکایی «باردین، کوپر و شریفر» در مقاله‌ای که ۱۵ سال بعد (۱۹۷۲) جایزه نوبل فیزیک را برایشان به ارمغان آورد، موفق به توضیح ابررسانایی شدند. این تئوری که به اختصار BCS (ابتدای نام سه نویسنده) نامیده می‌شود، در مجله فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسید.
ایده این نظریه را سال قبل کوپر در مقاله‌ای دیگر در همین مجله داده‌بود و آن این بود که الکترون‌ها در بعضی شرایط می‌‌توانند تشکیل یک زوج بدهند. در حقیقت تشکیل یک زوج از الکترون باعث می‌شود که این زوج در هنگام حرکت در طول یک رسانا اثرات اصطکاکی ناشی از مقاومت را حس نکنند.
البته این تنها یک توصیف بسیار ساده شده از آنچه که واقعاً رخ می‌دهد است. پدیده‌های مهمی در این بین رخ می‌دهند که باردین، کوپر و شریفر در مقاله‌شان توضیح دادند. لازم به ذکر است که «جان باردین» تنها فیزیکدانی است که دو بار موفق به کسب جایزه نوبل فیزیک شده است: در ۱۹۵۶ به خاطر کشف نیم رساناها و در ۱۹۷۲ به خاطر توضیح ابررسانایی.
ابررساناهای دمای بالا
اما ماجرا با توضیح ابررسانایی خاتمه نیافت. در دهه ۱۹۸۰ در آزمایشگاه IBM در زوریخ فیزیکدان سوئیسی، «الکس مولر» به همراه دستیار جوانش «جورج بدنورز» در حال ساخت نوعی سرامیک بودند که اشتباه این جوان در گرم نکردن یک اجاق، باعث کشفی شد که همپای کشف آتش از بزرگترین دستاوردهای بشر در تهیه انرژی است.
این سرامیک در دمای بسیار بالاتری از صفر مطلق، در حدود ۷۰ تا ۸۰ کلوین خاصیت ابررسانایی از خود بروز می‌دهد. البته امروزه ابررساناهای سرامیکی ساخته شده‌اند که تا بیش از ۲۰۰ کلوین (۶۰ _ درجه سانتیگراد) از خود خاصیت ابررسانایی نشان می‌دهند.
به این ترتیب همان‌طور که بشر با به خدمت گرفتن آتش، فلز را ذوب کرد و از دوران پارینه سنگی به دوران فلز پای گذاشت، بشر امروزی با به کار بردن ابررساناها در دمای معمولی خواهد توانست گامی عظیم در به خدمت گرفتن انرژی برای رسیدن به اهداف خود بردارد.
امروزه گروه‌های مختلفی از سرتاسر جهان به دنبال این هستند که بالاخره ماده‌ای را کشف کنند که بتواند در دمای معمولی (۳۰۰ کلوین) هم از خود خاصیت ابررسانایی نشان دهد. همان‌طور که از ظاهر امر برمی‌آید، خاصیت ابررسانایی در سرامیک‌ها و فلزات، سرشتی متفاوت دارند. سرامیک‌ها، نارسانا هستند و سپس به ابررسانا تبدیل می‌شوند.
درحالی‌که فلزات رسانا هستند و ناگهان مقاومت در آنها صفر می‌شود. دمای گذار به ابررسانایی هم در فلزات بسیار پایین‌تر از سرامیک‌ها است. به این ترتیب نظریه BCS دیگر قادر به توضیح ماهیت ابررسانایی در سرامیک‌ها یا ابررساناهای دمای بالا (High TC) نیستند. دانشمندان تاکنون نظریه‌ای رضایت بخش برای توضیح این پدیده نیافته‌اند و این مسأله یکی از مهم‌ترین مسائل حل نشده تاریخ فیزیک و مهم‌ترین مسأله، در فیزیک حالت جامد است.
فناوری ابررساناها
در ارتباط با ابررساناهای جدید در دمای بالا، تاکنون هیچ کاربرد تجاری در گستره دمایی که فعلاً کشف شده (زیر ۲۰۰ کلوین) به‌طور کامل به منصه ظهور نرسیده است.
حتی در آزمایش‌های فضایی که در دمایی پایین‌تر از دمای گذار به ابررسانایی در این مواد انجام می‌شود، پژوهشگران ترجیح می‌دهند از همان ابررساناهای قبلی و در محیط هلیم مایع استفاده کنند تا به تمام جنبه‌های مسأله مسلط باشند.
فوری‌ترین کاربرد برای ابررساناهای دمای بالا ساخت تراشه‌های فوق سریع است که انقلابی عظیم را در فناوری اطلاعات ایجاد خواهد کرد که با اختراع ترانزیستورها قابل قیاس است. یکی از کاربردهای ابررساناها با توجه به حساسیت آنها به میدان مغناطیسی اکتشافات معدنی، زمین‌شناختی و حتی ردیابی زیردریایی‌ها است.
ساخت قطارهایی که با استفاده از خاصیت ابررسانایی میدان مغناطیسی تولید می‌کنند که آنها را بالاتر از سطح زمین و بدون هیچ‌گونه اصطکاک با ریل که موجب تلف کردن مقدار زیادی از انرژی می‌شود، قطار را به حرکت درمی‌آورد، یکی از شناخته شده و معروف‌ترین کاربردهای ابررسانایی است.
این قطارها قادرند مسافت بیش از ۵۰۰ کیلومتر را در کمتر از یک ساعت بپیمایند. به کار بردن ابررساناها در خطوط انتقال نیرو حتی با احتساب کلیه هزینه‌های سرد نگه داشتن ابررسانا رقمی معادل ۷۰ تا ۸۰ درصد صرفه‌جویی در مصرف برق را نشان می‌دهد که بسیار عظیم است.
به‌کاربردن ابررساناها در وسایل تحقیقاتی (مثل شتاب‌دهنده‌ها) و وسایل پزشکی (مثل دستگاه ام .آر. آی) از کاربردهای عادی ابررساناها شده است. به کار بردن ابررساناهای سرامیکی مزیت دیگری هم دارند و آن این که برای سرد کردن آنها (با توجه به دمای بالاتر نسبت به ابررساناهای فلزی) به جای هلیم مایع می‌توان از نیتروژن مایع استفاده کرد که بسیار ارزان‌تر و فراوان‌تر است. یکی از مهم‌ترین مسائل فنی، تبدیل ابررسانای سرامیکی به هلیم است که باید حل شود و تا آن زمان چاره‌ای جز صبر نداریم.
