ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง

ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง (อังกฤษ: High-temperature superconductors; คำย่อ Tc-สูง หรือ HTS) เป็นวัสดุที่ทำตัวเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิสูงกว่า 35 เคลวิน^[1] ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้ถูกค้นพบครั้งแรกโดย Georg Bednorz และ K. Alex Müller^[2][3] ที่ ห้องปฏิบัติการ IBM ที่เมืองซูริคในปี 1986 โดยได้ตีพิมพ์เป็นผลงานชื่อว่า “ Possible High Superconductivity in System” และในปีถัดมาคือ 1987 พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบครั้งนี้ ซึ่งถือได้ว่าเป็นรางวัลโนเบลที่มีช่วงเวลาการค้นพบถึงเวลาการประกาศได้รับ รางวัลที่สั้นที่สุด ทำให้รู้ว่าตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมินั้นมีความสำคัญ จึงทำให้มีการศึกษาและค้นคว้าอย่างรวดเร็ว การค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิแสดงถึงความสำคัญของการค้นพบ โดยได้มีคำอธิบายของการค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงนี้ว่า "for their important break-through in the discovery of superconductivity in ceramic materials"^[4]

ตัวอย่าง เล็ก ๆ ของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงของสารประกอบออกไซด์ของ บิสมัท สทรอนเทียม แคลเซียม คอปเปอร์ (strontium calcium copper oxide) BSCCO-2223

ในขณะที่ตัวนำยวดยิ่ง "ธรรมดา" หรือโลหะมักจะมีอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง (อุณหภูมิต่ำกว่า) ประมาณ 30 K (-243.2 ° C) ซึ่งจำเป็นต้องให้ความเย็นด้วยฮีเลียมเหลว แต่ตัวนำยวดยิ่ง HTS นั้นจะถูกสังเกตเห็นได้ที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงสูงที่สุดที่ 138 K (-135 ° C) ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ฮีเลียมเหลวในการให้ความเย็นอีกต่อไป ใช้เพียงไนโตรเจนเหลวก็เพียงพอที่จะทำให้สารแสดงคุณสมบัติการเป็นตัวนำยวดยิ่ง^[3] และหลังจากการค้นพบตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจน เหลวได้แล้ว ต่อมาก็ได้มีพัฒนาการในด้านต่างๆอย่างชัดเจนมากขึ้นอีก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการทดลอง ซึ่งได้มีการพัฒนาจนก้าวหน้าล้ำการศึกษาค้นคว้าในด้านทฤษฎีอย่างเทียบกันไม่ได้ กล่าวคือตัวนำตัวยวดยิ่งอุณหภูมิสูง (HTS) ที่เตรียมนั้นได้มีสมบัติหลายประการที่ไม่สามารถใช้ทฤษฎี BCS อธิบายได้ และจนถึงปัจจุบันก็ยังไม่มีทฤษฎีใดที่จะสามารถอธิบายตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้อย่างครอบคลุมและชัดเจนได้เลย

การ ค้นพบตัวนำยวดยิ่ง ที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว นำมาซึ่งการตื่นตกใจครั้งใหญ่ในวงการฟิสิกส์เป็นอย่างมาก เพราะยังไม่มีใครที่สามารถค้นพบและระบุได้ชัดเจนมาก่อน และเนื่องจากตัวนำยวดยวดยิ่งเป็นสารที่มีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิ ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต และไนโตรเจนเหลวเป็นสารหล่อเย็นที่มีราคาถูก โดย ไนโตรเจนเหลวจะมีราคาประมาณ 1,000 บาทต่อ 100 ลิตร คิดแล้วก็ประมาณลิตรละ 10 บาท ส่วนน้ำดื่มที่ขายเป็นขวดๆละ 1 ลิตรราคาก็เกือบ 10 บาท ดั้งนั้นอาจกล่าวได้ว่าสำหรับประเทศไทยไนโตรเจนเหลว มีราคาถูกพอๆกับน้ำเปล่า และเมื่อมีการใช้งานมากขึ้นราคาก็จะถูกลงได้อีก ดังนั้นจะมีความเป็นไปได้สูงมาก ที่จะใช้ตัวนำยวดยิ่งทำสายไฟในอุปกรณ์ไฟฟ้าและจะไม่มีการสูญเสียพลังงานให้ กับความต้านทานทำให้ได้เครื่องใช้ที่มีประสิทธิภาพสูง แต่จะมีการสูญเสียพลังงานและค่าใช้จ่ายให้กับไนโตรเจนเหลวแทน และเนื่องจากตัวนำยวดยิ่งยังมีสมบัติอื่นอีก เช่น การลอยตัวนิ่งเหนือแท่งแม่เหล็ก ซึ่งมีการนำไปประยุกต์ทำรถไฟฟ้าได้แล้ว ทำให้ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงเป็นสารที่ได้รับความสนใจมากๆ

ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง

นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ความพยายามในการสังเคราะห์ตัวนำยวดยิ่งให้มี T_cสูงมากขึ้น โดยใช้เวลาถึง 75 ปี คือตั้งแต่ปี 1911 ถึง 1986 จึงจะค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง (High-T_c Superconductors) ที่ถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1986 โดย Bednorz และ Muller(1986) โดยสารประกอบ Ba-La-Cu-O ซึ่งต่อมามีการค้นพบในสารประกอบ Y BaCuO และสารประกอบอีกหลายกลุ่มโดยมีองค์ประกอบ สำคัญคือ Cu O₂ และมีลักษณะเด่นอีกอย่างหนึ่งคือตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้จะมีอุณหภูมิวิกฤติที่ สูงมากกว่า 35 K ซึ่งเกินขอบเขตของตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมตามทฤษฎี BCS ดังนั้นตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้จึงถูกเรียกว่าตัวนำยวดยิ่งอุณภูมิสูง และเนื่องจากมี Cu O₂ เป็นองค์ประกอบหลักที่สำคัญของสภาพนำยวดยิ่ง ดังนั้นในบางครั้งจึงถูกเรียกว่า Cuprate superconductors ปัจจุบันตัวนำยวดยิ่งอุณภูมิสูงกำลังเป็นที่สนใจศึกษาของนักวิจัยทั่วโลก เนื่องจากมีสมบัติที่สามารถนำมาประยุกต์ใช้งานได้ง่ายกว่าตัวนำยวดยิ่งชนิด อื่นๆ อย่างไรก็ตามตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้ยังสมบัติหลายประการที่ไม่มีทฤษฎีใดสามารถ อธิบายได้

1. ตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ท ตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ทเป็นตัวนำยวดยิ่งที่มีโครงสร้างหลักประกอบด้วยระนาบของคอปเปอร์ออกไซด์วางตัวมีลักษณะเป็นชั้นๆ ในระหว่างฉันมีอะตอมของโลหะชนิดอื่นคั่นอยู่ โดยอะตอมนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวน การนำไฟฟ้าเกิดขึ้นในระนาบของคอปเปอร์ออกไซด์โดยมีอิเล็กตรอนของอะตอมคอปเปอร์เป็นตัวการสำคัญที่ทำให้เกิดสภาพยวดยิ่ง การลดอุณหภูมิจะทำให้โครงสร้างของผลึกเปลี่ยนไป ระนาบคอปเปอร์ออกไซด์ที่มีในโมเลกุลจึงมีความสัมพันธ์โดยตรงกับสภาพนำยวดยิ่ง กล่าวได้ว่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กตรอนในตัวนำยวดยิ่งเป็นแบบ 2 มิติ ในปัจจุบันพบว่าภายใต้ความดัน ตัวนำยวดยิ่งในสารประกอบปรอท-แบเรียม-แคลเซียม-คิวเพร์ท สามารถมีอุณหภูมิวิกฤตได้สูงสุด 164 เคลวิน แต่อย่างไรก็ตามตัวนำยวดยิ่ง Y-Ba-Cu-O ยังคงเป็นตัวนำยวดยิ่งที่โดดเด่นและรู้จักอย่างกว้างขวางในสารกลุ่มนี้

2. ตัวนำยวดยิ่งแมกนีเซียมไดโไรด์ ในปี 2001 นากามัตซึและอะคิมิซึ (Nagamatsu et al., 2001)^[5] ค้นพบตัวนำยวดยิ่งตัวใหม่คือ แมกนีเซียมไดโไรด์ (MgB2) ที่มีโครงสร้างผลึกและองค์ประกอบที่แตกต่างจากตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมแต่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงถึง 39 เคลวิน ซึ่งสูงกว่าขอบเขต ซึ่งสูงกว่าขอบเขตซึ่งสูงกว่าขอบเขตที่อธิบายได้ดีด้วยทฤษฎี BCS และตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้มีโครงสร้างที่ง่ายๆแบบสารประกอบไบนารี คือ AlB2 มีปริภูมิของระบบผลึกเป็น P6/mmm โดยอะตอมของโบรอนแต่ละตัวจะจับอะตอมของโบรอนข้างเคียงอีก 2 ตัวและเรียงตัวกันในลักษณะเดียวกับแกรไฟต์คือเป็นหกเหลี่ยมด้านเท่า ที่บริเวณบนและล่างระนาบของโบรอนทั้ง 6 ตัวที่จับตัวเป็นพันธะหกเหลี่ยมด้านเท่า โดยมีอะตอมของแมกนีเซียม 6 อะตอมเรียงตัวแบบเฮ็กซะโกนอล โคลสแพ็ก (hexagonal-close-packed) เรียงซ้อนกันตามแกน c และมีระยะห่างระหว่างระนาบโบรอนมากกว่าระยะระหว่างโบรอนในระนาบ แสดงว่าแมกนีเซียมไดโบไรด์มีโครงสร้างแบบขึ้นกับทิศทาง (anisotropy) และเชื่อว่าการมีโครงสร้างแบบชั้นๆ ของสารประกอบชนิดนี้อาจมีผลกระทบที่สำคัญต่อสมบัติต่างๆ ในสภาพนำยวดยิ่งเช่นเดียวกับตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีโครงสร้างที่ไม่ซับซ้อน จึงสามารถเตรียมสารได้ง่าย รวมทั้งสามารถนำไปขึ้นรูปทำตัวนำได้ง่ายและสะดวกกว่าตัวนำยวดยิ่งกลุ่มคอปเปอร์ออกไซด์ จึงเป็นที่สนใจของนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก

3. ตัวนำยวดยิ่งชนิดมีเหล็กเป็นองค์ประกอบ ตัวนำยวดยิ่งที่มีการค้นพบล่าสุดคือ ตัวนำยวดยิ่งที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบ ที่มีความน่าสนใจไม่น้อยกว่าตัวนำยวดยิ่งแมกนีเซียมไดโไรด์ ถูกพบในปี 2008 โดยฮิเดโกะ โอโซโนะและทีมวิจัยจากสถาบันโตเกียว โดยได้ทำการวัดสมบัติทางไฟฟ้าของสารที่เตรียมขึ้น แล้วพบว่าสารประกอบ LaFePo และ LaFeAsO ที่เจือฟลูออรีนสามารถแสดงสมบัติการเป็นตัวนำยวดยิ่งได้โดยมีอุณหภูมิวิกฤตที่ 4 เคลวิน และ 26 เคลวินตามลำดับ สมบัติประการหนึ่งที่สำคัญซึ่งทำให้ตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้มีความน่าสนใจคือ ตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้มีค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่สอง (Upper critical field) ที่สูงมากซึ่งส่งผลให้ค่ากระแสไฟฟ้าวิกฤต (Critical current) มีค่าสูงมากตามไปด้วยทำให้มีการประยุกต์ใช้งานได้กว้างขวางมากขึ้น^[6]

ความแตกต่างระหว่างตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงกับตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง นอกจากจะมีอุณหภูมิวิกฤตที่สูงกว่าตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมแล้ว ยังมีสมบัติอื่นๆที่แตกต่าง ดังนี้

1. โครงสร้างของตัวนำยวดยิ่งในการนำไฟฟ้า ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจะมีลักษณะขึ้นกับทิศทาง ซึ่งมีโครงสร้างของอะตอมในผลึกเป็นชั้นๆ และการนำไฟฟ้าในแนวตั้งฉากกับแกนหลักของผลึกแทบจะไม่มี ทำให้ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมีโครงสร้างการนำไฟฟ้าเกือบเป็น 2 มิติ แต่ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมเป็นตัวนำยวดยิ่งที่มีลักษณะไม่ขึ้นกับทิศทางโครงสร้างการนำไฟฟ้ามีเพียงทิศทางเดียว

2. ความยาวอาพันธ์ ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมีความยาวอาพันธ์ประมาณ 10-40 อังสตรอม แต่ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมจะมีค่าประมาณ 10,000 อังสตรอม ซึ่งมากกว่าตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงประมาณ 1,000 เท่า

3. ความหนาแน่นของประจุ ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม เมื่ออุณหภูมิวิกฤตสูงขึ้น ความหนาแน่นของประจุจะเพิ่มขึ้นด้วย แต่ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง ความหนาแน่นของประจุมีรูปแบบที่ไม่ชัดเจน ซึ่งตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงบางชนิดที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูง แต่ความหนาแน่นของประจุลดลง

4. ค่าช่องว่างพลังงานของตัวนำยวดยิ่ง ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจะมีค่าช่องว่างพลังงานสูงกว่าตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม ทำได้โดยอาศัยการวัดหลายรูปแบบ เช่น การทะลุผ่าน(Tunneling) การแผ่รังสีอินฟราเรด(Infrared radiation) เป็นต้น

5. ค่าสัมประสิทธิ์ของไอโซโทป ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมีค่าสัมประสิทธิ์ของไอโซโทปไม่แน่นอน บางชนิดจะมีค่าน้อยกว่า หรือ บางชนิดอาจมีค่ามากกว่าตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม

6. ความเข้มข้นของสารเจือ ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง อุณหภูมิวิกฤตจะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารเจือแบบไม่เป็นแม่เหล็ก แต่ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม อุณหภูมิวิกฤตจะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารเจือแบบแม่เหล็ก^[7]

อ้างอิง

1. Timmer, John (May 2011). "25 years on, the search for higher-temp superconductors continues". Ars Technica. สืบค้นเมื่อ 2 March 2012.
2. Bednorz, J. G.; Müller, K. A. (1986). "Possible high T_C superconductivity in the Ba-La-Cu-O system". Zeitschrift für Physik B. 64 (2): 189–193. Bibcode:1986ZPhyB..64..189B. doi:10.1007/BF01303701.
3. Ford, P. J. (2005). The Rise of the Superconductors. CRC Press.
4. The Nobel Prize in Physics 1987: J. Georg Bednorz, K. Alex Müller. Nobelprize.org. Retrieved 2012-04-19.
5. Nagamatsu, J. et al.2001. Nature(London) 401:63-64
6. พงษ์แก้ว อุดมสมุทรหิรัญ. (2559). ตัวนำยวดยิ่งพื้นฐาน. กรุงเทพฯ: สำนักพิมพ์จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.
7. ฺBurn, G. 1992. High-temperature Superconductivity: Introduction. New York : Academic Press.

พงษ์แก้ว อุดมสมุทรหิรัญ. (2559). ตัวนำยวดยิ่งพื้นฐาน. กรุงเทพฯ: สำนักพิมพ์จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.

Nagamatsu, J. et al.2001. Nature(London) 401:63-64