શૂન્ય અવરોધનું વિજ્ઞાન: અતિવાહકતા, હવામાં તરતી મેગ્લેવ ટ્રેનો અને ક્વોન્ટમ ક્રાંતિની સફર

શૂન્ય અવરોધની શોધ: ભૌતિકશાસ્ત્રની એક અણધારી ક્રાંતિ

સામાન્ય તાપમાને કોઈપણ વાહક તારમાંથી વીજપ્રવાહ પસાર થાય ત્યારે તેમાં રહેલા મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન ધાતુના અણુઓ સાથે સતત અથડાય છે. આ અથડામણને કારણે ઊર્જાનો વ્યય ઉષ્મા સ્વરૂપે થાય છે, જેને આપણે વિદ્યુત અવરોધ (electrical resistance) કહીએ છીએ. સામાન્ય ધાતુઓમાં તાપમાન ઘટવાની સાથે અવરોધ ધીમે ધીમે ઓછો થાય છે, પરંતુ તે ક્યારેય શૂન્ય થતો નથી. જોકે કેટલાક વિશિષ્ટ પદાર્થોમાં એક ચોક્કસ કટોકટી તાપમાન (critical temperature) આવતાં જ વિદ્યુત અવરોધ અચાનક સંપૂર્ણપણે ગાયબ થઈને શૂન્ય બની જાય છે. ભૌતિકશાસ્ત્રની આ અદભુત ઘટનાને અતિવાહકતા (superconductivity) કહેવામાં આવે છે.

આ ઐતિહાસિક ઘટનાની શોધ ૮ એપ્રિલ ૧૯૧૧ના રોજ ડચ ભૌતિકશાસ્ત્રી હાઇકે કેમર્લિંગ ઓન્નેસે (Heike Kamerlingh Onnes) કરી હતી. તાજેતરમાં જ તૈયાર કરાયેલા પ્રવાહી હિલીયમની મદદથી તેઓ પારો (mercury) અત્યંત નીચા તાપમાને કેવો વ્યવહાર કરે છે તેનો અભ્યાસ કરી રહ્યા હતા. જ્યારે તાપમાન ઘટીને ૪.૨ કેલ્વિન પર પહોંચ્યું, ત્યારે પારાનો વિદ્યુત પ્રતિકાર એકાએક અદૃશ્ય થઈ ગયો. રસપ્રદ બાબત એ છે કે આ જ પ્રયોગ દરમિયાન તેમણે ૨.૨ કેલ્વિન પર હિલીયમનું અતિપ્રવાહીકરણ (superfluid transition) પણ જોયું હતું, જોકે તે સમયે તેનું મહત્વ ઓળખાયું નહોતું. ઓન્નેસની આ શોધની ચોક્કસ વિગતો એક સદી પછી તેમની નોંધપોથી મળ્યા બાદ જ સંપૂર્ણ રીતે જાણી શકાઈ હતી.

અતિવાહકતાની સૌથી રોમાંચક લાક્ષણિકતા એ છે કે જો અતિવાહક તારની બંધ કડી (loop) બનાવી તેમાં એક વાર વિદ્યુતપ્રવાહ વહેતો કરવામાં આવે, તો તે કોઈપણ બાહ્ય પાવર સ્ત્રોત વિના અનંતકાળ સુધી અવિરત વહેતો રહી શકે છે. ત્યારબાદ ૧૯૧૩માં ટીન (tin) ૩.૮ કેલ્વિન પર અને સીસું (lead) ૭ કેલ્વિન પર અતિવાહક બનતા હોવાનું માલૂમ પડ્યું હતું. વર્ષ ૧૯૪૧ સુધીમાં નાયઓબિયમ નાઇટ્રાઇડ ૧૬ કેલ્વિન પર આ ગુણધર્મ દર્શાવતું જોવા મળ્યું. અતિવાહકતા માત્ર ક્લાસિકલ ફિઝિક્સનો આદર્શ વાહક નથી, પરંતુ આખી પ્રક્રિયા માત્ર ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સ દ્વારા જ સમજી શકાય છે.

ચુંબકીય ક્ષેત્રનો બહિષ્કાર: મિસનર અસર અને લંડન સમીકરણો

અતિવાહક પદાર્થો માત્ર ઉત્તમ વીજવાહક જ નથી, પરંતુ ચુંબકત્વ પ્રત્યે તેમનો વ્યવહાર વધુ વિશિષ્ટ હોય છે. વર્ષ ૧૯૩૩માં વોલ્થર મિસનર અને રોબર્ટ ઓક્સેનફેલ્ડે શોધ્યું કે જ્યારે કોઈ પદાર્થ સુપરકન્ડક્ટિંગ અવસ્થામાં પ્રવેશે છે, ત્યારે તે પોતાની અંદર રહેલા તમામ ચુંબકીય ક્ષેત્રને સંપૂર્ણપણે બહાર ધકેલી દે છે. આ ઘટનાને મિસનર અસર (Meissner effect) કહે છે. ક્લાસિકલ ફિઝિક્સ મુજબ જો કોઈ સંપૂર્ણ વાહક હોય તો તે પોતાનામાં રહેલા ચુંબકીય ક્ષેત્રને જાળવી રાખે, પરંતુ અતિવાહક પદાર્થ તેને સંપૂર્ણપણે બહાર કાઢી ફેંકે છે, જે સાબિત કરે છે કે તે એક નવી ક્વોન્ટમ અવસ્થા છે.

વર્ષ ૧૯૩૫માં ફ્રિટ્ઝ અને હેઇન્ઝ લંડન નામના બે ભાઈઓએ આ ઘટનાને સમજાવવા માટે પ્રખ્યાત 'લંડન સમીકરણો' રજૂ કર્યા હતા. આ સમીકરણો દર્શાવે છે કે સુપરકરન્ટ દ્વારા વહન થતી ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક મુક્ત ઊર્જા ન્યૂનતમ થાય છે, જેના પરિણામે ચુંબકીય ક્ષેત્ર અતિવાહકની સપાટીથી અંદર જતાં જ ઝડપથી શૂન્ય થઈ જાય છે. મિસનર અસરને કારણે જ જ્યારે કોઈ સામાન્ય ચુંબકને અતિવાહક પદાર્થની ઉપર મૂકવામાં આવે છે, ત્યારે અતિવાહક તેની સપાટી પર એવો પ્રતિ-ચુંબકીય પ્રવાહ ઉત્પન્ન કરે છે કે ચુંબક હવામાં સ્થિર રીતે તરવા (levitation) લાગે છે.

કૂપર જોડીઓ અને માઇક્રોસ્કોપિક સિદ્ધાંત

અતિવાહકતા ખરેખર કયા પરમાણ્વિક સ્તરે કામ કરે છે તે સમજવામાં વિજ્ઞાનીઓને દાયકાઓ લાગ્યા. ૧૯૫૦માં લેન્ડો અને ગિન્ઝબર્ગે 'ગિન્ઝબર્ગ-લેન્ડો થિયરી' આપી, જેણે મેક્રોસ્કોપિક ગુણધર્મો સમજાવ્યા. ત્યારબાદ એલેક્સી અબ્રિકોસોવે દર્શાવ્યું કે અતિવાહકો બે પ્રકારના હોય છે: ટાઇપ-૧ અને ટાઇપ-૨. આ કાર્ય માટે અબ્રિકોસોવ અને ગિન્ઝબર્ગને ૨૦૦૩નું નોબેલ પારિતોષિક મળ્યું હતું. તે જ વર્ષે ૧૯૫૦માં મેક્સવેલ અને રેયનોલ્ડ્સે નોંધ્યું કે કટોકટી તાપમાન સમસ્થાનિકના દળ (isotopic mass) પર આધાર રાખે છે, જેણે સંકેત આપ્યો કે સ્ફટિક જાળીના કંપનો એટલે કે ફોનોન (phonons) આમાં નિર્ણાયક ભૂમિકા ભજવે છે.

આખરે ૧૯૫૭માં જ્હોન બાર્ડિન, લિયોન કૂપર અને જ્હોન શ્રિફરે અતિવાહકતાનો સંપૂર્ણ માઇક્રોસ્કોપિક સિદ્ધાંત આપ્યો, જેને BCS થિયરી તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. આ સિદ્ધાંત મુજબ, સામાન્ય રીતે એકબીજાને અપાકર્ષિત કરતા ઋણભારિત ઇલેક્ટ્રોન, સ્ફટિક જાળીના ફોનોન સાથેની આંતરક્રિયા દ્વારા જોડી બનાવે છે, જેને કૂપર જોડી (Cooper pairs) કહેવામાં આવે છે. આ જોડીઓ એક બોઝોન કણ તરીકે વર્તે છે અને કોઈ પણ પ્રકારના સંઘર્ષ કે ઉષ્મીય અવરોધ વિના જાળીમાંથી સરળતાથી વહી શકે છે. આ ગ્રાઉન્ડબ્રેકિંગ સિદ્ધાંત માટે આ ત્રણેય વિજ્ઞાનીઓને ૧૯૭૨માં ભૌતિકશાસ્ત્રનું નોબેલ પ્રાઇઝ આપવામાં આવ્યું હતું.

ઉચ્ચ તાપમાન અતિવાહકોની ક્રાંતિ: પ્રવાહી નાઇટ્રોજનનો યુગ

દાયકાઓ સુધી વિજ્ઞાનીઓ માનતા હતા કે અતિવાહકતા માત્ર અત્યંત નીચા તાપમાને જ સંભવ છે, જેના માટે ખર્ચાળ અને જટિલ પ્રવાહી હિલીયમ વાપરવું પડતું હતું. પરંતુ ૧૯૮૬માં એક ક્રાંતિ થઈ, જ્યારે ક્યુપ્રેટ-પેરોવસ્કાઇટ સિરામિક પદાર્થોમાં ૩૫ કેલ્વિનથી વધુ તાપમાને અતિવાહકતા જોવા મળી. ત્યારપછી ટૂંક સમયમાં ચિંગ-વુ ચુ નામના સંશોધકે લેન્થેનમની જગ્યાએ ઇટ્રિયમ ઉમેરીને YBCO (Yttrium Barium Copper Oxide) બનાવ્યું, જેનું કટોકટી તાપમાન સીધું ૯૨ કેલ્વિન (-૧૮૧ °C) પર પહોંચી ગયું.

આ શોધ વિજ્ઞાન જગત માટે સીમાચિહ્નરૂપ હતી કારણ કે સસ્તું અને સરળતાથી મળતું પ્રવાહી નાઇટ્રોજન ૭૭ કેલ્વિન (-૧૯૬ °C) પર ઊકળે છે. ૭૭ કેલ્વિનથી ઊંચા તાપમાને અતિવાહકતા મળવાને કારણે તેને ઉચ્ચ-તાપમાન અતિવાહકો (high-temperature superconductors) નામ આપવામાં આવ્યું. આના કારણે પ્રયોગશાળાઓ અને ઔદ્યોગિક એકમોમાં અત્યંત ખર્ચાળ ક્રાયોજેનિક સાધનો વગર સુપરકન્ડક્ટિંગ ઘટનાઓનો વ્યવહારુ ઉપયોગ કરવાનું શક્ય બન્યું.

તાજેતરના વર્ષોમાં ટુ-ડાયમેન્શનલ (2D) મટીરિયલ્સમાં પણ આશ્ચર્યજનક અતિવાહકતા નોંધાઈ છે. વર્ષ ૨૦૧૮માં સંશોધકોએ ગ્રેફીનના બે પડોને ૧.૧ ડિગ્રીના વિશિષ્ટ ખૂણે ટ્વિસ્ટ કરીને (twisted bilayer graphene) ૧.૭ કેલ્વિન પર અતિવાહકતા મેળવી હતી. ત્યારબાદ ૨૦૨૧માં ત્રણ પડોવાળા ગ્રેફીનમાં ૨.૮ કેલ્વિન અને ૨૦૨૨માં અનટ્વિસ્ટેડ ટ્રિલેયરમાં ૧ થી ૨ કેલ્વિન પર સુપરકન્ડક્ટિંગ લક્ષણો મેળવવામાં સફળતા મળી છે.

સુપરમેગ્નેટ, જોસેફસન અસર અને ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ

અતિવાહકતાનો પ્રથમ વ્યવહારુ ઉપયોગ ૧૯૫૪માં ડડલી એલન બક દ્વારા 'ક્રાયોટ્રોન' (cryotron) કમ્પ્યુટર સ્વિચ તરીકે વિકસાવવામાં આવ્યો હતો. શરૂઆતમાં કેમર્લિંગ ઓન્નેસે અતિવાહક તારથી ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટ બનાવવાનો પ્રયાસ કર્યો હતો, પરંતુ સામાન્ય ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં જ સુપરકન્ડક્ટિવિટી નષ્ટ થઈ જતી હતી. ૧૯૫૫માં વાયન્ટેમાએ નાયઓબિયમ તારથી ૦.૭ ટેસ્લાનું નાનું ચુંબક બનાવ્યું. ત્યારબાદ ૧૯૬૧માં કુંઝલર અને તેમની ટીમે નાયઓબિયમ-ટીન (Nb3Sn) મિશ્રધાતુમાં જોયું કે તે ૪.૨ કેલ્વિન તાપમાને ૮.૮ ટેસ્લાના પ્રચંડ ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં પણ પ્રતિ ચોરસ સેન્ટીમીટરે ૧,૦૦,૦૦૦ એમ્પીયરથી વધુ વિદ્યુતપ્રવાહ વહન કરી શકે છે. આ મટીરિયલ ૨૦ ટેસ્લા સુધીના ક્ષેત્ર પેદા કરવા સક્ષમ હતું.

વર્ષ ૧૯૬૨માં બર્લિનકોર્ટ અને હેકે વધુ સ્થિતિસ્થાપક નાયઓબિયમ-ટાઇટેનિયમ (NbTi) મિશ્રધાતુ શોધી, જે ૧૦ ટેસ્લા સુધી કામ કરી શકતી હતી. સરળ ઉત્પાદનને કારણે Nb-Ti વિશ્વભરમાં સુપરમેગ્નેટ્સ માટેનું મુખ્ય સાધન બની ગયું. હોસ્પિટલોમાં વપરાતા MRI મશીનો અને કણ પ્રવેગકો (particle accelerators) આ મટીરિયલ પર નિર્ભર છે. કનેક્ટસ (Conectus) સંસ્થાના ૨૦૧૪ના અંદાજ મુજબ, વિશ્વભરમાં સુપરકન્ડક્ટિવિટી આધારિત આર્થિક પ્રવૃત્તિ પાંચ અબજ યુરો જેટલી હતી, જેમાં ૮૦% હિસ્સો એકલા MRI સિસ્ટમ્સનો હતો.

ક્વોન્ટમ ટેકનોલોજીના ક્ષેત્રમાં સૌથી મોટો વળાંક ૧૯૬૨માં આવ્યો, જ્યારે બ્રાયન જોસેફસને સૈદ્ધાંતિક આગાહી કરી કે જો બે અતિવાહકો વચ્ચે અવાહકનું અત્યંત પાતળું પડ રાખવામાં આવે, તો પણ સુપરકરન્ટ વહી શકે છે. આ ઘટનાને જોસેફસન અસર (Josephson effect) કહેવામાં આવે છે, જેના માટે તેમને ૧૯૭૩નું નોબેલ પ્રાઇઝ મળ્યું હતું. આ સિદ્ધાંત પરથી અત્યંત સંવેદનશીલ ચુંબકીય મીટર SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) બન્યા. આ જ જોસેફસન જંક્શન આજે આધુનિક સુપરકન્ડક્ટિંગ ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર્સના મૂળભૂત એકમ એવા ક્યુબિટ્સ (qubits) બનાવવાનો મુખ્ય આધારસ્તંભ છે.

પાટા વગર હવામાં દોડતી મેગ્લેવ ટ્રેનો

અતિવાહક ચુંબકોનો સૌથી ભવ્ય અને પ્રત્યક્ષ ઉપયોગ પરિવહન ક્ષેત્રે 'મેગ્લેવ' (Maglev - Magnetic Levitation) ટ્રેનોમાં થયો છે. મેગ્લેવ એવી ટ્રેન પ્રણાલી છે જેમાં વ્હીલ્સ કે પાટા વચ્ચે કોઈ ભૌતિક ઘર્ષણ હોતું નથી; ટ્રેન શક્તિશાળી ચુંબકીય બળોને કારણે ગાઇડવેથી થોડા સેન્ટીમીટર હવામાં અધ્ધર તરે છે. તેને આગળ ધકેલવા માટે લિનિયર મોટર (linear motor) ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ થાય છે, જેનો સૌપ્રથમ વ્યવહારુ મોડેલ ૧૯૪૦ના દાયકામાં બ્રિટિશ એન્જિનિયર એરિક લેઇથવેઇટે બનાવ્યો હતો.

મેગ્લેવ ટેકનોલોજી મુખ્યત્વે બે પ્રકારની હોય છે: ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક સસ્પેન્શન (EMS) અને ઇલેક્ટ્રોડાયનેમિક સસ્પેન્શન (EDS). EMS પ્રણાલી સામાન્ય આકર્ષણ બળ પર કામ કરે છે, જે શાંઘાઈ મેગ્લેવમાં વપરાય છે. બીજી તરફ, EDS પ્રણાલી અપાકર્ષણ બળ પર કાર્ય કરે છે, જેની સંકલ્પના ૧૯૬૧માં બ્રૂકહેવન નેશનલ લેબોરેટરીના જેમ્સ પોવેલ અને ગોર્ડન ડેન્બીએ ટ્રાફિક જામમાં અટવાયા બાદ વિચારી હતી. જાપાને આ EDS પ્રણાલીમાં અતિવાહક ચુંબકો જોડીને SCMaglev (સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્લેવ) વિકસાવી છે.

જાપાનમાં સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્લેવનું સંશોધન ૧૯૬૨થી શરૂ થયું હતું. ૧૯૭૨માં જાપાનીઝ નેશનલ રેલ્વેઝ ખાતે પ્રથમ સફળ રન નોંધાયો હતો અને ૧૯૭૯માં મિયાઝાકી ટેસ્ટ ટ્રેક પર આ ટ્રેને ૫૧૭ કિમી/કલાકની ગતિ હાંસલ કરી હતી. વર્ષ ૨૦૧૫માં યામાનાશી ટેસ્ટ ટ્રેક પર જાપાનની પ્રાયોગિક L0 Series સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્લેવ ટ્રેને ૬૦૩ કિમી/કલાક (૩૭૫ માઇલ પ્રતિ કલાક)ની ઝડપ નોંધાવીને વિશ્વ રેકોર્ડ સર્જ્યો હતો. હાલમાં ટોક્યો અને નાગોયા વચ્ચે ૨૮૫.૬ કિલોમીટર લાંબી 'ચુઓ શિંકાનસેન' (Chūō Shinkansen) લાઇન આ ટેકનોલોજીથી બનાવવામાં આવી રહી છે, જેનું નિર્માણ ૨૦૧૪માં શરૂ થયું હતું અને બાંધકામના વિલંબને કારણે હવે ૨૦૩૬ પહેલાં શરૂ થવાની શક્યતા નથી.

વૈશ્વિક વાસ્તવિકતા અને ભવિષ્યના પડકારો

એક સદી કરતાં વધુ સમયના સંશોધનો છતાં, ઊંચા બાંધકામ ખર્ચ અને હાલના રેલવે ઇન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચર સાથે સુસંગત ન હોવાને કારણે આજે વિશ્વભરમાં માત્ર છ મેગ્લેવ પ્રણાલીઓ કાર્યરત છે—જેમાંથી ચાર ચીનમાં, એક જાપાનમાં અને એક દક્ષિણ કોરિયામાં છે. વ્યાપારી પેસેન્જર સેવામાં સૌથી લાંબો સમય સૌથી વધુ ઝડપનો રેકોર્ડ ચીનની શાંઘાઈ મેગ્લેવ પાસે રહ્યો હતો. જર્મન ટ્રાન્સરેપિડ ટેકનોલોજી ધરાવતી આ ટ્રેન પુડોંગ એરપોર્ટથી સેન્ટ્રલ પુડોંગ વચ્ચે ૩૦.૫ કિમીનું અંતર ૪૩૧ કિમી/કલાકની ઝડપે માત્ર ૭ મિનિટ અને ૨૦ સેકન્ડમાં કાપે છે.

હાઇ-સ્પીડ મેગ્લેવ ટ્રેનોમાં લેવિટેશન એટલે કે ટ્રેનને હવામાં ઊંચકવા માટે કુલ ઊર્જાનો બહુ ઓછો હિસ્સો વપરાય છે; સૌથી વધુ ઊર્જા હવાની પ્રતિકૂળતા (aerodynamic drag) સામે લડવામાં ખર્ચાય છે. આ મર્યાદાને પાર કરવા માટે હવે વેક્યુમ ટ્યુબ ટ્રેન (Vactrain) ટેકનોલોજી પર વિચારણા ચાલી રહી છે. અતિવાહકતા આજે હોસ્પિટલોના એમઆરઆઈ સ્કેનરથી લઈને સુપરકોમ્પ્યુટિંગ અને હાઇ-સ્પીડ રેલવે સુધી આધુનિક વિજ્ઞાનનો પાયો બની ચૂકી છે.