คำถาม: ใครเป็นผู้คิดค้น สารตัวนำยวดยิ่ง?

text: ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง คือวัสดุที่ประพฤติตัวเป็นสารตัวยวดยิ่งที่อุณหภูมิสูงกว่า 35 K ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงถูกคิดค้นครั้งแรกโดยเบทนอร์ซ (Georg Bednorz) และมูลเลอร์ (K. Alex Müller), ที่ห้องปฏิบัติการ IBM ที่เมืองซุริคในปี 1986 และในปีถัดมาคือ 1987 พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบในครั้งนี้ ซึ่งถือได้ว่าเป็นรางวัลโนเบลที่มีช่วงเวลาการค้นพบถึงเวลาการประกาศได้รับรางวัลที่สั้นที่สุด แสดงถึงความสำคัญในดารค้นพบที่มีมากๆเช่นดียวกัน โดยมีคำอธิบายการค้นพบว่า "for their important break-through in the discovery of superconductivity in ceramic materials"
title: High-temperature superconductivity

text: การ ค้นพบตัวนำยวดยิ่ง ที่มีอุณหหภูมิวิกฤตสูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว 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
title: ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง

text: การค้นพบตัวนำยวดยิ่งในกลุ่มธาตุโลหะหายาก (Rare-earth, RE) เช่น ในปี 1975-1977 ค้นพบสภาพในยวดยิ่งในสารประกอบเชวรอลเฟส (Chevrel-phase) ใน Re MoX (X = S หรือ Se) และใน XRhB (X = Y ,Th หรือ RE) ทำให้มีการศึกษาผลของการอยู่รวมกันของสภาพตัวนำยวดยิ่งกับสภาพความเป็นแม่เหล็กมากขึ้น ในสารประกอบ HoMoS จะเป็นตัวนำยวดยิ่งที่ T  1.8 K แต่ที่ T  0.7 K สารจะกลับเป็นสภาพปกติได้อีกครั้งทำให้ได้ชื่อว่า Reentrant superconductor และมี T ซึ่งเป็นจุดเปลี่ยนของสภาพนำยวดยิ่งกับสภาพแม่เหล็ก สำหรับตัวนำยวดยิ่ง Re MoX จะมี T  T ตัวอย่างของสารประกอบกลุ่มนี้อีกตัวคือ ErRhB จากการทดลองสำหรับ ErRhB และ HoMoS ที่อุณหภูมิต่ำกว่า T พบว่าสารจะอยู่ในสถานะที่มีสภาพนำยวดยิ่งอยู่ร่วมกันกับสภาพแม่เหล็กเฟร์โร (Ferromagnetic) และในสารประกอบ ErMoS และ SmRhB พบว่ามีสภาพนำยวดยิ่งอยู่รวมกับสภาพแม่เหล็กแอนไทเฟร์โร (Antiferromagnetic)
title: วัสดุตัวนำยวดยิ่ง

text: ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจะแสดงสมบัติความเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณภูมิสูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจนเหลวซึ่งเป็นสารให้ความเย็นที่ราคาต่ำกว่าที่ใช้ในตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ แต่ปัญหาของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงคือแตกหักได้ง่าย มีค่าใช่จ่ายในการผลิตสูง และไม่สามารถขึ้นรูปเป็นเส้นหรือรูปร่างตามต้องการได้ ดังนั้นสารตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจึงถูกในไปใช้งานได้ไม่กว้างขวางนัก ดังนี้
title: Technological applications of superconductivity

text: สมบัติของตัวนำยวดยิ่ง หมายถึง สารที่อยู่ในสถานะนำยวดยิ่งมีสมบัติหลายประการที่แตกต่างกันจากสารที่อยู่ในสถานะนำปกติต่อไปนี้จะกล่าวถึงสมบัติเบื้องต้นของตัวนำยวดยิ่งทั้งแบบเดิมและตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง อาทิเช่น ความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ ปรากฏการณ์ไมสเนอร์ สนามแม่เหล็ก ปรากฏการณ์ไอโซโทป และความไม่ต่อเนื่องของฟลักซ์แม่เหล็ก
title: สมบัติตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง

text: ตัวนำยวดยิ่งชนิดมีเหล็กเป็นองค์ประกอบ () คือสารประกอบทางเคมีที่มีธาตุเหล็กเป็นองค์ประกอบ ซึ่งมีคุณสมบัติสภาพนำยวดยิ่ง ค้นพบในปี พ.ศ. 2549 โดยฮิเดโอะ โฮโซโนะ และทีมวิจัย จากสถาบันเทคโนโลยีโตเกียว ได้ทำการเตรียมสารตัวนำยวดยิ่งชนิด LaFePO และ LaFeAsO ที่เจือฟลูออรีน และวัดสมบัติทางไฟฟ้าพบว่าสารตัวนำยวดยิ่งดังกล่าวแสดงสมบัติตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิ 4 เคลวิน และ 26 เคลวิน ตามลำดับ ผลงานถูกตีพิมพ์ ในหัวข้อ "Iron-Based Layered Superconductor La[OF]FeAs (x = 0.05–0.12) with T = 26 K" ในปี พ.ศ. 2551 และในปี ค.ศ. 2008 ได้มีการค้นพบสารประกอบกลุ่มเหล็กพนิกไทด์ ( iron pnictide ) ซึ่งจากการค้นพบดังกล่าวอาจทำให้เกิดเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญ อย่างที่ทราบกันดีว่าตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงโดยส่วนใหญ่จะเป็นสารประกอบประเภทคิวเพลท ( Cuprate ) และทฤษฎีที่ใช้ในการอธิบายตัวนำยวดยิ่งอย่างทฤษฎีบีซีเอส(BCS theory) ไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์บางอย่างของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้ครอบคลุม เช่น ปรากฏการณ์ไอโซโทป (Isotope effect) ซึ่งทฤษฎีบีซีเอสได้คำนวณไว้ว่า ตัวนำยวดยิ่งจะมีค่าสัมประสิทธิ์ไอโซโทป (isotope exponent) เป็น 0.5 แต่จากผลการทดลองวัดค่าสัมประสิทธิ์ไอโซโทปของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงพบว่ามีค่าอื่น ๆ ที่นอกเหนือจากการคำนวณได้ของทฤษฎีบีซีเอสดังนั้นการค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงที่มีเหล็กเป็นฐานจึงเป็นส่วนสำคัญที่ใช้ในการพัฒนาทฤษฎีที่ใช้ในการอธิบายตัวนำยวดยิ่งได้ดียิ่งขึ้น
ตัวนำชนิดนี้มีความน่าสนใจตรงที่ มีค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่สอง (Upper critical field) ที่สูงมาก ส่งผลให้กระแสไฟฟ้าวิกฤต (Critical current) มีค่าสูงมากตามไปด้วย
title: ตัวนำยวดยิ่งชนิดมีเหล็กเป็นองค์ประกอบ

text: สภาพนำยวดยิ่งเป็นปรากฏการณ์ทางกลศาสตร์ควอนตัมเช่นเดียวกับ ferromagnetism และ atomic spectral lines ซึ่งก็ไม่ได้หมายความว่าตัวนำยวดยิ่งจะมีสภาพนำไฟฟ้าที่สมบูรณ์แบบตามแบบฉบับของฟิสิกส์ยุคเก่า ทั้งนี้ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมนี้สามารถใช้ทฤษฎีบีซีเอส อธิบายได้ สภาพนำยวดยิ่งเกิดขึ้นกับสสารหลายชนิด รวมไปถึงธาตุที่หาง่ายอย่างดีบุกและอะลูมิเนียมหรือวัสดุมีค่าอย่างอัลลอยและสารกึ่งตัวนำที่ถูกโดปอย่างหนักบางชนิดอีกด้วย สภาพนำยวดยิ่งจะไม่เกิดขึ้นในโลหะมีค่าอย่างทองคำหรือเงินหรือสารแม่เหล็กส่วนใหญ่ ในปัจจุบันตัวนำยวดยิ่งสามารถแบ่งได้ตามสมบัติแม่เหล็กได้เป็น 2 ชนิดคือ ตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 1 และตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 2
title: สภาพนำยวดยิ่ง

text: เนื่องจากแม่เหล็กภายนอกมีผลทำลายสภาพนำยวดยิ่งได้ แต่ในตัวนำยวดยิ่งบางประเภท คือ พวกตัวนำยวดยิ่งที่มีสารเจือประเภทแม่เหล็ก
จะมีผลทำให้เกิดสภาพความเป็นแม่เหล็กขึ้นในโครงสร้าง ทำให้อุณหภูมิวิกฤตมีค่าลดลง นอกจากนี้ยังทำให้เกิดตัวนำยวดยิ่งที่เรียกว่าตัวนำยวดยิ่งแบบ Gapless โดยอบริกอซอฟและกอร์คอฟ ได้พิจารณาผลของการแลกเปลี่ยนสปิน (Spin-exchange) ของสารเจือประเภทแม่เหล็กที่ไม่เข้มข้น พบว่ามีผลทำให้อุณหภูมิวิกฤต (Critical Temperature, T) ลดลง
โดยความเข้มข้นของสารเจือประเภทแม่เหล็กจะมีค่าหนึ่งที่ทำให้ T ลดลงจนกลายเป็นศูนย์ และความเข้มข้นอีกค่าหนึ่งทำให้ช่องว่างพลังงานมีค่าเป็นศูนย์ด้วย
title: สภาพนำยวดยิ่ง

text: ปรากฏการณ์ไมส์เนอร์เป็นปรากฏการณ์ที่นิยมใช้ในการทดสอบว่าสารมีสภาพนำยวดยิ่งซึ่งเกิดขึ้น จากการให้สนามแม่เหล็กภายนอกเข้าไปในขณะที่สารมีสภาพนำยวดยิ่ง สนามแม่เหล็กภายนอกทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ผิวของตัวนำยวดยิ่งและกระแสไฟฟ้าดังกล่าวจะสร้างสนามแม่เหล็กที่มีขนาดเท่ากันแต่มีทิศตรงข้ามกับสนามแม่เหล็กที่ให้เข้าไปจึงทำให้สนามแม่เหล็กภายในของสารนั้นมีค่าเป็นศูนย์
จากปรากฏการณ์ข้างต้นจึงจัดว่าตัวนำยวดยิ่งมีคุณสมบัติเป็นสารแม่เหล็กไดอาแบบสมบูรณ์ (Perfect Diamagnetic) การค้นหาสมบัติยังคงมีอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งในปี พ.ศ. 2498 เดเวอร์และแฟร์แบงค์ (Deaver & Fairbank. 1961) ได้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติทางไฟฟ้าและสมบัติทางแม่เหล็กของตัวนำยวดยิ่งอีกประการหนึ่ง เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า ฟลักซ์แม่เหล็กแบบ ควอนไทด์เซชัน (Flux Quantization) โดยการนำตัวนำยวดยิ่งมาทำเป็นรูปวงแหวนและให้สนามแม่เหล็กเข้าไป ตัวนำยวดยิ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤต สนามแม่เหล็กจะสามารถพุ่งผ่านตัวนำยวดยิ่งได้และถ้าลดอุณหภูมิของวงแหวนให้ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตแล้วให้สนามแม่เหล็กเข้าไปอีกครั้ง สนามแม่เหล็กดังกล่าวจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำไหลวนในวงแหวนและจะสร้างสนามแม่เหล็กพุ่งผ่านตรงช่องว่างของวงแหวน
เป็นปรากฎการณ์จากการทดลองหาความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิวิกฤต (Tc) กับมวลไอโซโทป (M) ค่าต่างๆของตัวนำยวดยิ่ง พบว่าสามารถเขียนความสัมพันธ์ได้ดังสมาการ
title: สมบัติตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง

text: 1. สมบัติของสารตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจะมีลักษณะขึ้นกับทิศทางเป็นอย่างมาก คือ มี โครงสร้างของอะตอมในผลึกเป็นชั้น ๆ และการนำไฟฟ้าในแนวตั้งฉากกับแกนหลักของผลึกเกือบจะไม่มี ทำให้ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมีโครงสร้างการนำไฟฟ้าเกือบเป็น 2 มิติ
title: วัสดุตัวนำยวดยิ่ง

text: เมื่อลดอุณหภูมิของตัวนำยวดยิ่งจนถึงอุณหภูมิวิกฤต จะมีการเปลี่ยนสถานะจากสถานะปกติไปเป็นสถานะนำยวดยิ่ง ทำให้ค่าความต้านทานไฟฟ้ามีค่าลดลงเป็นศูนย์อย่างทันทีทันใด เช่น การทดลองวัดความต้านทานไฟฟ้าของปรอทที่อุณหภูมิต่างๆ พบว่าที่อุณหภูมิต่ำกว่า 4.2 เคลวิน ความต้านทานไฟฟ้าของปรอทจะเป็นศูนย์อย่างทันทีทันใด ดังนั้นสามารถกล่าวได้ว่า ปรอทมีสมบัติเป็นตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิวิกฤตเท่ากับ 4.2 เคลวิน
title: วัสดุตัวนำยวดยิ่ง