High-temperature superconductivity

ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง (อังกฤษ: High-temperature superconductors; คำย่อ Tc-สูง หรือ HTS) เป็นวัสดุที่ทำตัวเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิสูงกว่า 35 เคลวิน ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้ถูกค้นพบครั้งแรกโดย Georg Bednorz และ K. Alex Müller 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" ในขณะที่ตัวนำยวดยิ่ง "ธรรมดา" หรือโลหะมักจะมีอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง (อุณหภูมิต่ำกว่า) ประมาณ 30 K (-243.2 ° C) ซึ่งจำเป็นต้องให้ความเย็นด้วยฮีเลียมเหลว แต่ตัวนำยวดยิ่ง HTS นั้นจะถูกสังเกตเห็นได้ที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงสูงที่สุดที่ 138 K (-135 ° C) ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ฮีเลียมเหลวในการให้ความเย็นอีกต่อไป ใช้เพียงไนโตรเจนเหลวก็เพียงพอที่จะทำให้สารแสดงคุณสมบัติการเป็นตัวนำยวดยิ่ง 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 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 ในปัจจุบันตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงที่ถูกค้นพบมีมากมายหลายชนิด แต่ในที่นี้จะสนใจเฉพาะตัวนำยวดยิ่งที่มีคอปเปอร์ออกไซด์เป็นองค์ประกอบหลัก ซึ่งนอกจะมีอุณหภูมิวิกฤตที่สูงแล้ว ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงยังมีสมบัติอีกหลายประการที่แตกต่างจากตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม ซึ่งพอจะสรุปได้ดังนี้ 1. โครงสร้างของตัวนำยวดยิ่งในการนำไฟฟ้า สมบัติของสารตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจะมีลักษณะขึ้นกับทิศทางเป็นอย่างมาก มีโครงสร้างของอะตอมในผลึกเป็นชั้น ๆ และการนำไฟฟ้าในแนวตั้งฉากกับแกนหลักของผลึกเกือบจะไม่มี ทำให้ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมีโครงสร้างการนำไฟฟ้าเกือบเป็น 2 มิติ 2. ความยาวอาพันธ์ของตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมเป็นตัวนำยวดยิ่งที่ไม่ขึ้นกับทิศทางซึ่งจะมีความยาวอาพันธ์ค่าเดียว แต่ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงส่วนใหญ่จะมีความยาวอาพันธ์ 2 ค่า คือ ความยาวอาพันธ์ในระนาบ ab และความยาวอาพันธ์ตามแกน c โดยความยาวอาพันธ์ทั้ง 2 ค่านี้มีขนาดที่แตกต่างกันมาก เช่น ในสารประกอบบิสมัทจะมีความยาวอาพันธ์ตามแกน c ประมาณ 2 อังสตรอม แต่ในระนาบ ab มีความยาวอาพันธ์ประมาณ 40 อังสตรอม 3. ความยาวอาพันธ์ของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมีความยาวอาพันธ์ประมาณ 10-40 อังสตรอม แต่ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมจะมีค่าประมาณ 10,000 อังสตรอม ซึ่งมากกว่าตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงประมาณ 1,000 เท่า 4. ความหนาแน่นของประจุ ในตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม เมื่ออุณหภูมิวิกฤตเพิ่มสูงขึ้นความหนาแน่นของประจุก็จะเพิ่มขึ้นด้วย แต่ในตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงความหนาแน่นของประจุมีรูปแบบที่ไม่ชัดเจน ซึ่งได้มีการพบว่าในตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงบางชนิดที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูง เเต่จะมีความหนาแน่นประจุค่อนข้างน้อย 5. ค่าช่องว่างพลังงานของตัวนำยวดยิ่ง ค่าช่องว่างพลังงานของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง ในแต่ละวิธีของการวัดจะให้ค่าที่ไม่เท่ากันและมีค่าสูงกว่าของตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมมาก โดยวิธีการวัดค่าช่องว่างพลังงานที่ใช้มีหลายวิธี เช่น การทะลุผ่าน (Tunneling) การเเผ่รังสีอินฟราเรด (Infrared radiation) การดูดกลืน (Absorption) และการสะท้อน (Reflection) 6