“Superconductivity”​—Ano Ba ang Dahilan ng Malaking Pananabik?

SA LOOB ng wari’y ilalim na bahagi ng isang Styrofoam na tasa ay isang maitim na bolitas na kasinlaki ng isang maliit na butones. Sa ibabaw ng bolitas ay nakatuntong ang mas maliit pang piraso ng metal. Maingat, ibinuhos ng may kabataang estudyante ang umuusok na likido sa tasa, unti-unti sa bawat panahon. Ang lahat sa paligid ng mesa ay buong pananabik na nagmamasid.

Sa umpisa ang likido ay matinding sumagitsit nang tumama ito sa tasa. Hindi nagtagal ay tumahimik ang bagay-bagay at ang hangin ay pumayapa. Pagkatapos, ang munting piraso ng metal ay nagsimulang gumalaw na animo’y isang munting sayaw. Walang anu-ano, ito sa ganang sarili ay umangat sa bolitas at lumutang sa himpapawid! Ang estudyante ay kumuha ng isang pansilong alambre at pinalalampas ito sa pirasong metal. Walang daya, walang gimik​—ang pirasong metal ay lumulutang!

Iyan ay isang eksperimento tungkol sa superconductivity na isinagawa ng isang pangkat ng mga estudyante sa isang mataas na paaralan sa California. Mga isa o dalawang taon lamang ang nakalipas, ang gayong eksperimento ay maisasagawa lamang sa modernong mga laboratoryo sa pananaliksik na may masalimuot na mga kagamitan at malaking pondong salapi. Ang bagay na ginagawa ito ngayon ng mga estudyante sa mataas na paaralan ay isang pahiwatig ng mabilis na mga pag-unlad sa larangang ito.

Ang magasing Time ay naglabas ng isang pabalat na kuwento noong nakaraang Mayo na pinamagatang “Superconductors!​—Ang nakasisindak na bagong kaalaman na maaaring bumago sa ating daigdig.” Tinawag ito ng Newsweek na “Isang Bagong Elektrikal na Rebolusyon.” Pinamagatan ng magasing Life ang pabalat nito na “Fast-Food Physics,” nagpapahiwatig kung gaano kabilis ang pagsulong sa larangang ito. Kaya, ano nga ba ang superconductivity? At ano ba ang dahilan ng malaking pananabik?

Isang Malaon-nang-Hinahangad na Mithiin

Ang conductivity, ayon sa pagpapakahulugan, ang sukat sa kakayahan ng isang materyal na magdala ng kuryente. Nalalaman ng karamihan sa atin na ang mga materyal na gaya ng salamin at porselana ay hindi nagdadala ng kuryente. Sa kabilang dako, ang mga metal na gaya ng tanso, ginto, at platinum ay mahusay na mga tagapagdala ng kuryente sapagkat ang mga ito ay nagbibigay ng kakaunting resistance (hadlang) sa kuryenteng dumaraan dito. Ang superconductivity, kung gayon, ay ang kawalan ng lahat ng elektrikal resistance sa isang materyal​—iyan ang ideyal na katayuan kung saan ang kuryente ay dumadaloy nang walang hadlang at walang nawawala.

Malaon nang pinag-isipan ng mga siyentipiko ang napakalaking potensiyal na magagawa ng gayong ideyal na materyal​—isang superconductor. Halimbawa, aalisin ng mga linya ng kuryente na yari sa superconductor na materyales hindi lamang ang pagkalaki-laking pagbaba ng kuryente dahilan sa resistance sa karaniwang mga kawad kundi gayundin ang pangit at magastos na mga linya ng kuryente na nagsala-salabid sa bayan. Ang paggamit ng mga superconductor ay gagawang posible na magtayo ng siksik na mga supercomputer na aandar sa bilis na hindi pa nagagawa hanggang ngayon. Ang pambihirang magnetikong mga katangian ng mga superconductor ay maaaring humantong sa isang bagong salinlahi ng malakas na mga elektromagneto na gagawang praktikal sa eksperimental na mga aparato na gaya ng medical scanners, lumulutang na napakatuling mga tren, dambuhalang particle accelerators, at ang pagsasanib pa nga ng enerhiya.

Kabigha-bighani man ang lahat ng iyon, gayunman, mayroon itong isang natatagong problema. Sa mahigit ng 75 mga taon, batid ng mga siyentipiko na ang ilang mga metal ay nagpapakita ng superconductivity subalit tangi lamang kapag ito ay pinalamig sa lubhang napakababang temperatura, daan-daang antas na mababa sa temperatura ng yelo. Noong 1911 unang natuklasan ng isang siyentipikong Olandes, si Heike Kamerlingh Onnes, ang tungkol sa mga superconductor. Kagagawa lamang ng isang paraan upang gawing likido ang gas na helium, kung saan siya ay tumanggap ng gantimpalang Nobel noong 1913, sinusuri niya ang epekto ng mababang temperatura sa iba’t ibang metal. Hindi inaasahan, natuklasan niya na ang merkuryo ay nawawalan ng lahat ng elektrikal na hadlang sa temperaturang -269° C., o 4 K, apat na antas sa itaas ng tinatawag ng mga siyentipikong absolute zero sa Kelvin scale.a

Bagaman ang superconductivity ay di-sinasadyang natuklasan, ang halaga nito ay agad na nakilala. Gayunman, ang lubhang napakababang temperatura, tinatawag na transisyon, o kritikal, na temperatura, kung saan ang materyal ay nagiging superconductor ay isang matinding problema. Ang magastos at kasalimuutan ng paggawa sa gayon kababang temperatura ay nagtakda sa praktikal na halaga nito. Sa sumunod na mga dekada, ang mga siyentipiko ay nag-eksperimento sa iba pang mga materyal sa pag-asang makakasumpong ng isang bagay na magiging superconductor sa mas mataas na temperatura. Subalit ang pagsulong ay mabagal ang dating.

Gayunman, sa nakalipas na mga taon, ang iba pang mga katangian ng mga superconductor ay nakilala. Isa sa pinakamahalaga, na natuklasan noong 1933, ay na kapag ang isang superconductor ay inilagay sa isang magnetic field, hindi nito ipahihintulot ang anumang magnetic flux na dumaraan dito, kundi ito ay itataboy o itataboy ng daloy. Ang bagay na ito, tinatawag na Meissner effect, ang dahilan ng paglutang, gaya ng ipinakita sa eksperimento sa mataas na paaralan. Ang pagkatuklas nito ay humantong sa bagong mga pagsisikap sa pagsasaliksik sa mas mataas na temperaturang mga superconductor. Gayumpaman, ang pagsulong ay napakabagal. Nito lamang 1973, ang pinakamabuti na natuklasan ay isang haluang metal na naging superconductor sa temperaturang 23 K, o -250° C., isa pa ring di-praktikal na mababang temperatura. At sa susunod na mga taon pa, ang mga bagay ay nanatiling halos walang pagbabago.

Tumataas ang Temperatura!

Isang malaking pagbabago sa mga pangyayari ay nagsimula nang dalawang siyentipiko sa laboratoryo ng pananaliksik ng IBM sa Zurich, Switzerland, ay magkaroon ng ideya na marahil ang dahilan kung bakit ang ibang mga mananaliksik ay hindi gaanong nagtatagumpay ay sapagkat tumitingin sila sa maling uri ng materyal. Hanggang nang panahong iyon, karamihan ng mga pananaliksik ay ginagawa sa mga metal at mga haluang metal. “Kumbinsido ako na hindi ka na makagagawa ng anumang pagsulong sa mga iyon,” sabi ni Alex Müller, isa sa dalawang siyentipiko.

Si Müller at ang kaniyang kasama, si Georg Bednorz, ay nagsimulang mag-eksperimento sa metallic oxides noong 1983. Maaga noong 1986 natamo nila ang unang malaking pagsulong sa loob ng mga taon, superconductivity sa 35 K, o -238° C., na ginagamit ang pinaghalong barium, lanthanum, tanso, at oksiheno. Nang ang balita ay mailathala sa wakas noong Setyembre 1986, ang siyentipikong pamayanan ay nagulat. Ang materyal na ginamit ng mga siyentipiko sa Suisong laboratoryo, isang pamilya ng ceramics, ay karaniwang isang insulator, at walang nag-aakala na dito manggagaling ang pinakamalaking pagsulong ng kaalaman sa loob ng mga dekada.

Sa mabilis na pagkakasunud-sunod, isang bagong rekord ay hinalinhan ng isa pa. Noong Pebrero 1987, isang pangkat na pinangungunahan ni C. W. Chu ng University of Houston ang nakatuklas ng superconductivity sa isang materyal sa isang mataas na rekord na 93 K, o -180° C., sa pamamagitan ng paghahalili sa lanthanum sa halo ni Müller ng yttrium, isa pa sa tinatawag na bihirang mga elemento ng lupa.

Ang tagumpay na ito ay nagbukas ng isang bagong kabanata sa mataas-temperaturang superconductivity. Hanggang sa puntong iyon, ang likidong helium ay kailangang gamitin upang dalhin sa kinakailangang mababang temperatura ang materyal na pinag-aaralan​—isang napakagastos at masalimuot na paraan. Sa pamamagitan ng bagong tuklas, ang pagpapalamig ay maaari na ngayong gawin sa likidong nitroheno, na nagiging likido sa temperaturang 77 K, o -196° C. Ang likidong nitroheno ay madaling makuha, halos kasinghalaga lamang ng gatas, at maaaring pangasiwaan nang walang masalimuot na kagamitan. Ito, pati na ang bagay na ang materyal na oxide ay madaling gawin at mura, ay gumanap ng malaking bahagi upang higit pang ibunsod ang pananaliksik sa superconductivity.

Ang ultimong tunguhin, mangyari pa, ay isang superconductor sa temperatura ng silid, inaalis ang anumang pangangailangan sa pagpapalamig, at ang mga siyentipiko sa buong daigdig ay masugid sa paghahanap sa tunguhing ito. Sa katunayan, ang mga ulat tungkol sa “panandaliang mga bakas” ng superconductivity sa temperatura ng silid ay nagsimulang lumitaw.

Sa pagtatapos ng Mayo 1987, napahusay pa ni Chu at ng kaniyang pangkat ang kanilang sariling rekord. Nasumpungan nila ang isang maliit na bahagi ng isang muwestra na naging superconductor sa temperaturang 225 K, o -48° C., datapuwat patigil-tigil nga lamang. “Maaari mo itong obserbahan minsan,” sabi ni Pei-Heng Hor, isang membro ng pangkat, “pagkaraan ng ilang sandali ito ay naglalaho, subalit makikita mo itong muli.” Ang isa pang grupo, sa University of California sa Berkeley, ay nag-ulat ng paglitaw ng superconductivity sa temperaturang 292 K, o -19° C. sa isang materyal na ginagamit nila, subalit hindi na nila naulit ang resulta.

Ginintuang Panahon sa Unahan Lamang?

Ang lahat ng kapana-panabik na balita tungkol sa mga superconductor ay nagbigay sa maraming tao ng impresyon na tayo ngayon ay nasa bingit ng isang bagong panahon, isang teknolohikal na ginintuang panahon. Ang ating buhay ay malapit nang magbago, sabi nila, gaya ng nagawa nito dahil sa mga imbensiyon noong una, gaya ng ilaw at ng transistor. Ang lahat ba ng kahanga-hangang mga bagay na sinasabing posibleng gawin ng mga superconductor ay talagang malapit nang mangyari?

Upang simulan ito, “kailangang makamit ang mas ganap na pangunahing siyentipikong pagkaunawa bago natin malawakang magamit ang superconductivity,” sabi ni Erich Bloch, direktor ng National Science Foundation ng E.U. Hindi pa alam ng mga siyentipiko ang tiyak na mga kasagutan kung bakit ang gawang-taong mga materyal na ceramic ay gumagana nang gayon.

Dahil dito, inaakala ng maraming dalubhasa na malamang na kumuha pa ng mga taon bago ang mga superconductor ay umalis sa mga laboratoryo at ilagay sa praktikal na gamit. “Ang potensiyal ng mga materyal na ito ay marami, subalit ang talaorasan na ginawa ng press ay mali,” sabi ng isang mananaliksik sa National Bureau of Standards. “Mga limang taon pa bago natin makita ito sa maninipis na film sa mga computer, at mga dalawampung taon pa bago natin makita ito sa maramihang paggamit.”

Isang problema ay nakasalalay sa bagay na ang mataas-ang-temperaturang superconductor na mga materyal ay hindi naiikid na gaya ng mga metal. Ni maaari kayang baluktutin ang malutong na mga materyal na ito, gaya ng nalalaman ng sinuman na sino ba ang nagbagsak ng isang ceramic o porselanang pinggan. Gayunman, upang ang mga superconductor ay magamit sa praktikal na mga gamit, ang mga ito ay dapat na gawing mga kawad at mga film. Sa mga computer at nauugnay na elektronikong mga sirkito, halimbawa, ang mga ito ay kailangang gawing mga film na wala pang isang micron ang kapal. Ang mga motor at mga magnet ay nangangailangan ng manipis, nababaluktot na mga kawad sa kanilang mga paikiran, at ang mga linya ng kuryente ay dapat na maging matibay at nababaluktot.

Nakadaragdag pa sa problema, ang mga siyentipiko ay hindi nakatitiyak kung ang superconductor na mga materyal ay may kakayahang magdala ng malalaking kuryente o magnetic fields na kinakailangan ng maraming gamit. Ang lahat ng mga superconductor ay may hangganan na kung saan lampas nito ay nawawala nila ang kanilang superconductivity. Sa kasalukuyan, ang hangganang iyan ay totoong mababa. Marahil ang mga problemang ito ay maaaring lutasin​—subalit hindi bukas.

Gayunman, mayroon pang mas nagbabantang panganib dito. Mayroon nang usap-usapan ngayon tungkol sa paggamit ng pinulbos na mga superconductor o itinutuon-enerhiyang mga sandata sa digmaang pangkalawakan! Ang superconductivity kaya ay maging isang pagpapala na inihuhula at inaasahan ng lahat, o gawin kaya nito ang katulad ng ginawa ng iba pang bagong mga imbensiyon noong nakalipas​—gaya ng pulbura at nuclear fission? Iyan ay isang katanungan na maliwanag na walang sinuman ang handang sumagot.

[Talababa]

[Kahon sa pahina 21]

Ang Potensiyal ng mga Superconductor

“Ang praktikal na pinalamig-na-nitrohenong mga superconductor ay makapagtitipid sa mga kagamitan ng bilyun-bilyon​—at makapagtitipid ng sapat na enerhiya anupa’t hindi na kakailanganin ang 50 o higit pang planta ng kuryente,” sabi ng Business Week. Ang paggawa sa mga diyenereytor at mga linya ng kuryente na superconductor ay mangangahulugan din ng mas malakas na mga planta na gumagawa ng kuryente na malayo sa mga lunsod, na maaaring bawasan ang polusyon, gastos, at panganib.

Maglevs​—magnetikong-lumulutang na mga tren​—na may bilis na 480 kilometro isang oras ay maaaring gawing praktikal sa pamamagitan ng magaang na superconductor na mga magneto. Maaaring bawasan ng mga kotseng pinatatakbo ng kuryente sa pamamagitan ng mahusay na superconductor na mga makina ang polusyon sa hangin sa lunsod. Maging ang mga barko ay maaaring patakbuhin ng gayong mga makina.

Ang superconductor na mga aparatong microchip na sanlibong beses na mas mabilis kaysa mga transistor na silicon ay ginagawa na. Sa paggamit ng gayong mga chip, ang mga computer sa hinaharap ay hindi lamang magiging mas mabilis kundi, sa pamamagitan ng lubhang pagbawas sa inilalabas na init, ang mga ito rin ay magiging mas maliit. Ang mga computer sa ibabaw ng mesa ay magiging malakas na gaya ng malalaking computer sa ngayon.

Ang NMRs (nuclear magnetic resonance scanners) at ang SQUIDs (superconducting quantum interference devices) ay mga makina na maaaring umaninag sa katawan ng tao at suriin ang mga alon sa utak. Ang malaking ibinawas sa halaga at kasalimuutan kung ang mga superconductor ay gagamitin ay magdadala sa mga makinang ito sa abot-kaya ng ordinaryong mga ospital at mga klinika.

Ang potensiyal para sa mga superconductor ay marami. Ilan kaya rito ang magkakatotoo?

[Picture Credit Line sa pahina 19]

Pananaliksik ng IBM