ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง

ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง

นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ความพยายามในการสังเคราะห์ตัวนำยวดยิ่งให้มี Tcสูงมากขึ้น โดยใช้เวลาถึง 75 ปี คือตั้งแต่ปี 1911 ถึง 1986 จึงจะค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง (High-Tc 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) 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
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