สภาพนำยวดยิ่ง

สภาพนำยวดยิ่ง (อังกฤษ: superconductivity) เป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่เกิดขึ้นกับวัสดุบางชนิด ณ อุณหภูมิที่ต่ำมาก จะมีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ และไม่มีสนามแม่เหล็กภายในวัสดุนั้น และเรียกสารที่มีสมบัติเช่นนี้ว่าตัวนำยวดยิ่ง (superconductor) ความต้านทานไฟฟ้าในตัวนำไฟฟ้าที่เป็นโลหะนั้นจะลดลงเมื่ออุณหภูมิลดต่ำลง อย่างไรก็ตาม ตัวนำทั่วไปอย่างเช่น ทองแดงและเงินที่ไม่บริสุทธิ์หรือมีตำหนิอื่น ๆ จะมีขีดจำกัดในการลดอุณหภูมิลง ถึงแม้อุณหภูมิจะเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ แต่ทองแดงก็ไม่สามารถมีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ได้ ในทางตรงกันข้าม ความต้านทานของตัวนำยวดยิ่งนั้นจะแสดงสภาพความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ได้โดยไม่ต้องลดอุณหภูมิให้ถึงศูนย์สัมบูรณ์ เพียงแค่ลดอุณหภูมิให้ถึงค่า ๆ หนึ่งที่เรียกว่า"อุณหภูมิวิกฤต" (Critical Temperature) ความต้านทานไฟฟ้าจะมีค่าเป็นศูนย์อย่างทันที่ทันใด กระแสไฟฟ้าจะไหลในวงจรที่มีสายไฟที่มีสภาพตัวนำยวดยิ่งอย่างไม่จำกัดโดยไม่มีการสูญเสียกำลังเลยแม้แต่น้อย ปรากฏการณ์ที่น่าสนใจหนึ่งของตัวนำยวดยิ่ง คือ ปรากฏการณ์ทางแม่เหล็ก ที่เรียก ว่า ปรากฏการณ์ไมสเนอร์ โดยถ้านำก้อนของตัวนำยวดยิ่งในสถานะปกติไปวางใน สนามแม่เหล็กอ่อน ๆ และให้อุณหภูมิมากกว่าอุณหภูมิวิกฤต จะไม่มีปรากฏการณ์พิเศษอะไรเกิดขึ้น แต่ถ้านำก้อนของตัวนำยวดยิ่งในสภาพนำยวดยิ่งไปวางในสนามแม่เหล็กอ่อน ๆ และให้อุณหภูมิน้อยกว่าอุณหภูมิวิกฤตตัวนำ จะประพฤติตัวเป็นแม่เหล็กไดอาที่สมบูรณ์ จะทำให้มีสนามแม่เหล็กภายในตัวนำจะเท่ากับศูนย์ และเส้นแรงแม่เหล็กจะถูกผลักออกจากตัวนำ สภาพนำยวดยิ่งเป็นปรากฏการณ์ทางกลศาสตร์ควอนตัมเช่นเดียวกับ ferromagnetism และ atomic spectral lines ซึ่งก็ไม่ได้หมายความว่าตัวนำยวดยิ่งจะมีสภาพนำไฟฟ้าที่สมบูรณ์แบบตามแบบฉบับของฟิสิกส์ยุคเก่า ทั้งนี้ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมนี้สามารถใช้ทฤษฎีบีซีเอส อธิบายได้ สภาพนำยวดยิ่งเกิดขึ้นกับสสารหลายชนิด รวมไปถึงธาตุที่หาง่ายอย่างดีบุกและอะลูมิเนียมหรือวัสดุมีค่าอย่างอัลลอยและสารกึ่งตัวนำที่ถูกโดปอย่างหนักบางชนิดอีกด้วย สภาพนำยวดยิ่งจะไม่เกิดขึ้นในโลหะมีค่าอย่างทองคำหรือเงินหรือสารแม่เหล็กส่วนใหญ่ ในปัจจุบันตัวนำยวดยิ่งสามารถแบ่งได้ตามสมบัติแม่เหล็กได้เป็น 2 ชนิดคือ ตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 1 และตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 2 ในปี 1986 มีการค้นพบตระกูลวัสดุเซรามิค cuprate-perovskite ที่รู้จักกันดีในชื่อของ ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง (High temperature superconductor) โดยมีอุณหภูมิวิกฤตประมาณ 90 เคลวิน อย่างไรก็ตามอุณหภูมินี้ก็สูงเพียงพอที่จะนำมาใช้งานโดยหล่อเย็นด้วยไนโตรเจนเหลว (77 เคลวิน) ที่มีราคาไม่แพงมากนัก ทำให้สารชนิดนี้เป็นที่น่าสนใจและนำมาสู่การวิจัยค้นคว้าสภาพนำยวดยิ่งกันอย่างแพร่หลาย สารชนิดนี้เป็นปรากฏการณ์ใหม่ที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีที่มีอยู่ในปัจจุบัน สมบัติของตัวนำยวดยิ่ง มีหลายประการ เช่น ความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ ปรากฏการณ์ไมสเนอร์ ปรากฏการณ์ไอโซโทป ความไม่ต่อเนื่องของฟลักซ์แม่เหล็ก การกระโดดของค่า ความร้อนจำเพาะ ปรากฏการโจเซฟซัน ช่องว่างพลังงาน พีคโคเฮียเรนซ์ ตัวนำยวดยิ่งแบบต่าง ๆ มีหลายประเภท ได้มีการแบ่งประเภทตามเงื่อนไขต่างกันทำให้ได้ชื่อเรียกต่าง ๆ กันเช่นเดียวกัน มีการนำเสนอการแบ่งประเภทไว้ อาทิ การแบ่งประเภทตามทฤษฏี และการแบ่งประเภทตามชนิดของสารประกอบ เป็นต้น เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำยวดยิ่ง ตัวนำยวดยิ่งก็จะยังคงอยู่ในสภาพนำยวดยิ่งได้ และความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าไหลผ่านมีค่าต่ำกว่าค่า ๆ หนึ่ง และเมื่อความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านมีค่าสูงกว่าค่านี้แล้ว วัสดุจะกลายสภาพเป็นตัวนำปกติทันที จึงเรียกความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าค่านี้ว่า "ความหนาแน่นกระแสวิกฤต" (Critical current density, Jc) ซึ่งปริมาณนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ กล่าวคือ ความหนาแน่นกระแสวิกฤตจะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลง การแบ่งประเภทตัวนำยวดยิ่งตามสารประกอบเป็นการแบ่งประเภทของตัวนำยวดยิ่งโดยคำนึงถึงสารประกอบที่ทำให้เกิดตัวนำยวดยิ่ง ดังนั้น การแบ่งประเภทแบบนี้ส่วนใหญ่จะเป็นการแบ่งประเภทโดยพิจารณาข้อมูลที่ได้จากการทดลอง แต่มีบางส่วนที่ผลการคำนวณตามทฤษฎีสามารถอธิบายการทดลองได้ดี การเรียกชื่อจึงคำนึงถึงข้อมูลทางทฤษฎีมากกว่าการทดลอง ซึ่งการแบ่งประเภทของตัวนำยวดยิ่งตามชนิดของสารประกอบมีดังนี้  1. ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม (Conventional superconductors) ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม (Conventional superconductors)เป็นตัวนำยวดยิ่งที่สามารถใช้ทฤษฎีบีซีเอส อธิบายได้ ตัวนำยวดยิ่งตัวแรกที่ค้นพบคือปรอทมีอุณหภูมิวิกฤต 4.15 เคลวิน ถูกค้นพบในปี 1911 โดยตัวนำยวดยิ่งในกลุ่มนี้ส่วนใหญ่เป็นธาตุและสารประกอบเช่น Al มีอุณหภูมิวิกฤต 1.19 เคลวิน, Nb มีอุณหภูมิวิกฤต 9.2 เคลวิน และสารประกอบเช่น CuS มีอุณหภูมิวิกฤต 1.6 เคลวิน โดยสารประกอบที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงสุดคือ Nb3Ge คือมีอุณหภูมิวิกฤต 23.2 เคลวิน 2. ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ความพยายามในการสังเคราะห์ตัวนำยวดยิ่งให้มีอุณหภูมิวิกฤตสูงขึ้นโดยใช้เวลาถึง 75 ปี จึงจะสามารถค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้ครั้งแรกในปี 1986 โดยเบทนอร์ซและมูลเลอร์ (1986) ในสารประกอบ Ba-La-Cu-O ซึ่งต่อมามีการค้นพบในสารประกอบ Y-Ba-Cu-O และสารประกอบอีกหลายกลุ่มโดยมีองค์ประกอบสำคัญคือระนสปของคอปเปอร์ออกไซด์และมีลัษณะเด่นอีกอย่างคือตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้จะมีอุณหภูมิวิกฤตที่สูงมากกว่า 35 เคลวิน ซึ่งเกินขอบเขตของตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมตามทฤษฎีบีซีเอส ดังนั้นตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้จึงถูกเรียกว่า ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง และเนื่องจากมีคอปเปอร์ออกไซด์เป็นองค์ประกอบหลักที่สำคัญของสภาพนำยวดยิ่ง ดังนั้นในบางครั้งจึงถูกเรียกว่า ตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ท ปัจจุบันตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงเป็นที่สนใจของนกวิจัยทั่วโลกเนื่องจากมีสมบัติที่สามารถนำมาใช้งานได้ง่ายกว่าตัวนำยวดยิ่งชนิดอื่น ๆ 3. ตัวนำยวดยิ่งที่เป็นแม่เหล็ก (Magnetic superconductors) เนื่องจากแม่เหล็กภายนอกมีผลทำลายสภาพนำยวดยิ่งได้ แต่ในตัวนำยวดยิ่งบางประเภท คือ พวกตัวนำยวดยิ่งที่มีสารเจือประเภทแม่เหล็ก จะมีผลทำให้เกิดสภาพความเป็นแม่เหล็กขึ้นในโครงสร้าง ทำให้อุณหภูมิวิกฤตมีค่าลดลง นอกจากนี้ยังทำให้เกิดตัวนำยวดยิ่งที่เรียกว่าตัวนำยวดยิ่งแบบ Gapless โดยอบริกอซอฟและกอร์คอฟ ได้พิจารณาผลของการแลกเปลี่ยนสปิน (Spin-exchange) ของสารเจือประเภทแม่เหล็กที่ไม่เข้มข้น พบว่ามีผลทำให้อุณหภูมิวิกฤต (Critical Temperature, Tc) ลดลง โดยความเข้มข้นของสารเจือประเภทแม่เหล็กจะมีค่าหนึ่งที่ทำให้ Tc ลดลงจนกลายเป็นศูนย์ และความเข้มข้นอีกค่าหนึ่งทำให้ช่องว่างพลังงานมีค่าเป็นศูนย์ด้วย การค้นพบตัวนำยวดยิ่งในกลุ่มธาตุหายาก (Rare-earth, RE) เช่น สารประกอบ REMo6X8 (X=S หรือ Se) และ XRh4B4 (X=Y,TH หรือ RE) ในปี ค.ศ. 1975-1977 ได้มีการศึกษาผลของการอยู่รวมกันของสภาพนำยวดยิ่งกับสภาพความเป็นแม่เหล็ก โดยในสารประกอบ HoMo6X8 จะมี Tc2 ≈ 1.8 เคลวิน แต่ที่ Tc2 = 0