สมบัติตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง

สมบัติทางไฟฟ้าของตัวนำยวดยิ่ง

ในปี พ.ศ. 2451 (T.A.Vanderah. 1990) นักฟิสิกส์ชาวเนเธอแลนด์ ชื่อคาร์เมอร์ลิงน์ ออนเนส (Kamerling Onnes) ได้ทำฮีเลียมเหลวขึ้นมาได้ ต่อมาในปี พ.ศ. 2454 ออนเนสได้ทำการวัดสภาพต้านทานไฟฟ้าของปรอทบริสุทธิ์เป็นครั้งแรก โดยได้ใส่ปรอทลงในภาชนะรูปวงแหวน จากนั้นนำไปแช่ในฮีเลียมเหลวเมื่ออุณหภูมิของสารลดลงแล้ว พบว่าสภาพต้านทานไฟฟ้าของปรอทมีค่าเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิประมาณ 4.2 เคลวิน โดยอุณหภูมินี้เป็นอุณหภูมิที่ปรอทเกิดการเปลี่ยนสถานะ จากสถานะปกติเป็นสถานะนำยวดยิ่งอย่างทันทีทันใด เรียกอุณหภูมินี้ว่า อุณหภูมิวิกฤต (Critical Temperature,Tc) ซึ่งปรอทไร้สภาพต้านทานไฟฟ้าที่อุณหภูมินี้ ต่อจากนั้นมาเขาก็ได้ทดลองวัดสภาพต้านทานไฟฟ้าของโลหะชนิดต่างๆ เพิ่มเติม เช่น ตะกั่ว (Pb) ดีบุก (Sn) ไนโอเบียม (Nb)
โดยโลหะที่ทดลองเพิ่มเติมเหล่านี้มีค่าอุณหภูมิวิกฤต เท่ากับ 3.69, 7.26 และ 9.2 เคลวิน ตามลำดับ ในการค้นพบตัวนำยวดยิ่งยุคแรกๆ ค่าอุณหภูมิวิกฤตของสารค่อนข้างต่ำโดยไม่เกิน 10 เคลวิน และเรียกตัวนำยวดยิ่งกลุ่มนี้ว่าตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ (Low Temperature Superconductors) หรือ ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม (Conventional Superconductors) เมื่อตัวนำยวดยิ่งที่ไร้สภาพต้านทานไฟฟ้า จะทำให้กระแสที่ให้เข้าไปไม่มีการสูญเสียพลังงานเมื่อเวลาผ่านไป เรียกกระแสไฟฟ้านี้ว่า กระแสไฟฟ้ายืนยง (Persistent Current) หรือกระแสไฟฟ้ายวดยิ่ง (Supercurrent)
จากกฎของแอมแปร์(Ampere’ s Law) ที่ใช้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กและกระแสไฟฟ้า จะพบว่าเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลวนรอบวงแหวนของตัวนำยวดยิ่งที่มีค่าความเหนี่ยวนำตนเอง (L) เมื่อกระแสไฟฟ้ามีค่าลดลงเนื่องจากมีความต้านทานไฟฟ้าจะได้ค่าคงที่เวลา (Time Constant) มีสมการเป็น τ= L/R และพบว่า ค่ากระแสนี้มีระยะเวลาประมาณ 100,000 ปี เมื่อนำมาหาค่าสภาพต้านทานไฟฟ้า จะได้ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้าที่น้อยมากๆ ซึ่งเท่ากับ 10⁻²⁶ Ω.m ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้านี้มีค่าน้อยกว่าสถานะปกติ มากกว่า 10¹⁸ เท่า ซึ่งปกติแล้วสภาพต้านทานไฟฟ้าของทองแดงถือว่าเป็นโลหะนำไฟฟ้าที่ดีที่สุดชนิดหนึ่ง ณ อุณหภูมิห้องมีค่าประมาณ 10⁻⁸ Ω.m ดังนั้นจึงถือเป็นข้อพิสูจน์ได้อย่างสมเหตุสมผลว่ามีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์จริงในตัวนำยวดยิ่ง นอกจากนี้กระแสยืนยงจะมีอยู่ได้เมื่อค่าของกระแสมีค่าที่ต่ำกว่าค่ากระแสค่าหนึ่งเท่านั้นและถ้ากระแสที่ไหลผ่านมีค่าสูงกว่าค่านี้แล้วจะทำให้สภาพนำยวดยิ่งถูกทำลายกลายสภาพเป็นตัวนำปกติได้ทันที เรียกกระแสที่ทำลายสภาพนำยวดยิ่งนี้ว่า กระแสวิกฤต (Critical Current, Jc) ค่ากระแสนี้ มีค่าไม่เท่ากันขึ้นกับตัวนำยวดยิ่งแต่ละชนิด

สมบัติทางแม่เหล็กของตัวนำยวดยิ่ง

ในปี พ.ศ. 2476 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อไมส์เนอร์ และโอเซนฟิลด์ (Meissner& Ochsenfeld. 1933) ได้ทำการทดลองและพบว่าเมื่อตัวนำยวดยิ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตแล้วให้สนามแม่เหล็กภายนอกกับตัวนำยวดยิ่งนี้ ตัวนำยวดยิ่งจะไม่ยอมให้สนามแม่เหล็กพุ่งผ่านเข้าไปในเนื้อได้เลยและยังผลักสนามแม่เหล็กออกอีกด้วย จึงเรียก ปรากฏการณ์นี้ว่า ปรากฏการณ์ไมส์เนอร์และโอเซนฟิลด์ ต่อมาเรียกสั้นๆ ว่าปรากฏการณ์ไมส์เนอร์
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