วัสดุตัวนำยวดยิ่ง

ตัวนำยวดยิ่ง (อังกฤษ: superconductor) เป็นธาตุหรือสารประกอบที่จะนำไฟฟ้าได้ร้อยเปอร์เซ็นต์โดยไม่มีความต้านทานไฟฟ้าและไม่มีการสูญเสียพลังงาน ภายใต้อุณหภูมิค่าหนึ่งหรือที่เรียกว่าอุณหภูมิวิกฤต ซึ่งถือเป็นสมบัติทางฟิสิกส์ที่สำคัญ ตัวนำยวดยิ่งเป็นวัสดุที่มีสมบัติทางด้านฟิสิกส์ของแข็ง (Solid-state physics) ที่โดดเด่นกว่าวัสดุชนิดอื่นสองด้านสำคัญ คือ สมบัติทางไฟฟ้าและสมบัติทางแม่เหล็ก ในระยะแรกการค้นพบตัวนำยวดยิ่งจะพบอยู่เฉพาะในรูปแบบของโลหะบริสุทธิ์ ต่อมามีการค้นพบที่หลากหลายขึ้น ได้แก่ ตัวนำยวดยิ่งแบบโลหะ โลหะผสมหรือแม้แต่เซรามิก ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถนำทฤษฎีตัวนำยวดยิ่งมาประยุกต์ใช้งานจริงในชีวิตประจำวันของมนุษย์ได้โดยอาศัยสมบัติโดดเด่นที่ว่าวัสดุนี้มีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์และการลอยตัวเหนือแม่เหล็กได้ เช่น รถไฟความเร็วสูงแม็กเลฟ (Maglev) ของญี่ปุ่น ที่วิ่งด้วยความเร็วสูงเนื่องจากไม่มีแรงเสียดทานจากพื้น หรือแม้แต่ในทางการแพทย์ก็มีการนำมาสร้างเครื่องมือสำหรับวินิจฉัยโรคที่สำคัญ คือ การสร้างภาพด้วยเรโซแนนซ์แม่เหล็กหรือการตรวจเอกซเรย์ด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (MRI) การค้นพบตัวนำยวดยิ่งเริ่มต้นตั้งแต่ปี ค.ศ. 1911 หรือกว่า 100 ปีมาแล้ว ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์แบ่งการค้นพบเป็นสองยุค คือ การค้นพบตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม และการค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง ในปัจจุบันตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงที่ถูกค้นพบมีมากมายหลายชนิด แต่ในที่นี้จะสนใจเฉพาะตัวนำยวดยิ่งที่มีคอปเปอร์อไซด์เป็นคงประกอบคง ซึ่งนอกจะมีอุณหภูมิวิกฤตที่สูงแล้ว ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงยังมีสมบัติอีกหลายประการที่แตกต่างจากตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม ซึ่งพอจะสรุปได้ดังนี้ (Bums, 1992) 1. สมบัติของสารตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจะมีลักษณะขึ้นกับทิศทางเป็นอย่างมาก คือ มี โครงสร้างของอะตอมในผลึกเป็นชั้น ๆ และการนำไฟฟ้าในแนวตั้งฉากกับแกนหลักของผลึกเกือบจะไม่มี ทำให้ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมีโครงสร้างการนำไฟฟ้าเกือบเป็น 2 มิติ 2. ตัวนำยิ่งยวดแบบดั้งเดิมเป็นตัวนำยวดยิ่งที่ไม่ขึ้นกับทิศทางซึ่งจะมีความยาวอาพันธ์ค่าเดียว แต่ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงส่วนใหญ่จะมีความยาวอาพันธ์ 2 ค่า คือ ความยาวอาพันธ์ในระนาบ ab และความยาวอาพันธ์ตามแกน C โดยความยาวอาพันธ์ทั้ง 2 ค่านี้มีขนาดที่แตกต่างกันมาก เช่น ในสารประกอบบิสมัทจะมีความยาวอาพันธ์ตามแกน C ประมาณ 2 อังสตรอม แต่ในระนาบ ab มีความยาวอาพันธ์ประมาณ 40 อังสตรอม 3. ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมีความยาวอาพันธ์ประมาณ 10-40 อังสตรอม แต่ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดมจะมีค่าประมาณ 10,000 อังสตรอม ซึ่งมากกว่าตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงประมาณ 1000 เท่า 4. ในตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม เมื่ออุณหภูมิวิกฤกเพิ่มสูงขึ้นความหนาแน่นของประจุก็จะเพิ่มขึ้นด้วย แต่ในตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงความหนาแน่นของประจุมีรูปแบบที่ไม่ชัดเจน ซึ่งได้มีการพบว่าในตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงบางชนิดที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูง แต่จะมีความหนาแน่นประจุค่อนข้างน้อย 5. ค่าช่องว่างพลังงานของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง ในแต่ละวิธีของการวัดจะให้ค่าที่ไม่เท่ากันและมีค่าสูงกว่าของตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมมาก โดยวิธีการวัดค่าช่องว่างพลังงานที่ใช้มีหลายวิธี เช่น การทะลุผ่าน (Tunneling) การแพร่รังสีอินฟราเรด (Infrared radiation) การดูดกลืน (Absorption) และการสะท้อน (Reflection) 6. ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงบางชนิดจะมีค่าสัมประสิทธิ์ของไอโซโทปน้อยกว่าและบางชนิดจะให้ค่าที่มากกว่าทฤษฎี BCS 7. ในตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง อุณหภูมิวิกฤตจะขึ้นกับความเข้มข้นของสารเจือแบบไม่เป็นแม่เหล็ก แต่ในขณะที่ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมอุณหภูมิวิกฤตจะขึ้นตามความเข้มข้นของสารเจือแบบแม่เหล็ก โดยอุณหภูมิวิกฤตจะไม่ขึ้นกับสารเจือแบบไม่เป็นแม่เหล็ก เนื่องจากมีความแตกต่างระหว่างตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมกับตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมสูงหลายประการ แสดงว่าการอธิบายสัมบัติของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงตามทฤษฎี BCS โดยใช้กลไกของอันตรกิริยาที่ใช้โฟนอนแบบอ่อนและใช้การประมาณในขั้นตอนการคำนวณจะไม่สามารถอธิบาย สมบัติของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้ถูกต้องครบถ้วน แนวทางหนึ่งในการความพยายามเพื่อ อธิบายตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงคือการปรับปรุงทฤษฎี BCS และทฤษฎีกินซ์เบิร์กแลนดาวโดยเพิ่ม ความละเอียดในการคำนวณให้มากขึ้นและใช้การประมาณในการคำนวณให้น้อยที่สุด เพื่อให้ครอบคลุมวมบัติของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมากที่สุด การแบ่งประเภทตัวนำยวดยิ่งตามสารประกอบเป็นการแบ่งประเภทของตัวนำยวดยิ่งโดยคำนึงถึงสารประกอบที่ทำให้เกิดตัวนำยวดยิ่ง ดังนั้นการแบ่งประเภทแบบนี้ส่วนใหญ่จึงเป็นการแบ่งประเภทโดยพิจารณาข้อมูลที่ได้จากการทดลอง แต่ก็มีบางส่วนที่ผลการคำนวณตามทฤษฎีสามารถอธิบายการทดลองได้ดี การเรียกชื่อจึงคำนึงถึงข้อมูลทางทฤษฎีมากกว่าการทดลอง ซึ่งการแบ่งประเภทของตัวนำยวดยิ่งตามชนิดของสารประกอบมีดังนี้ 1. ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม (Conventional superconductors) เป็นตัวนำยวดยิ่งที่สามารถใช้ทฤษฎี BCS อธิบายได้ดี ตัวนำยวดยิ่งตัวแรกที่ค้นพบคือปรอทมีอุณหภูมิวิกฤต 4.15 เคลวิน ถูกค้นพบในปี 1911 โดยตัวนำยวดยิ่งในกลุ่มนี้ส่วนใหญ่เป็นธาตุและสารประกอบ เช่น Al มีอุณหภูมิวิกฤต 1