ปรากฏการณ์โจเซฟสัน

ปรากฏการณ์โจเซฟสัน () ในปี 1962 มีการค้นพบทางทฤษฎีของตัวนำยวดยิ่งที่ทำให้การศึกษาค้นคว้าด้านตัวนำยวดยิ่งมีความตื่นเต้นเล็ก ๆ กันอีกครั้ง โจเซฟสันได้เสนอทฤษฎีที่ว่าคู่คูเปอร์สามารถทะลุผ่านฉนวนบาง ๆ ที่กั้นกลางระหว่างตัวนำยวดยิ่งได้โดยไม่ต้องใส่แรงเคลื่อนไฟฟ้า ต่อมาได้ชื่อว่า ปรากฏการณ์โจเซฟสัน (Josephson effect) (BBuckel, W. 1991. Superconductivity:Fundamentals and Applications.New York:VHC Pulisher. ซึ่งเป็นแนวคิดที่มีความล้ำหน้ามาก ๆ โดยการทำนายเรื่องปรากฏการณ์ทะลุผ่านในแผ่นประกบตัวนำยวดยิ่งของเขาได้ถูกทำการทดลองยืนยันได้ในเวลาต่อมา และจากการค้นพบในครั้งนี้ทำให้เขาได้รรับรางวัลโนเบลในปี 1973 ซึ่งก็เป็น 1 ปีถัดไป หลังจาก บาร์ดีนคูเปอร์ และชรีฟเฟอร์ ได้รับรางวัลโนเบล

แนวคิดพื้นฐาน เรื่องราวเกี่ยวกับการโต้เถียงทางวิทยาศาสตร์ที่เกิดขึ้นในปี 1962 ระหว่าง จอห์น บาร์ดีน (John Bardeen) นักฟิสิกส์ที่ได้รับรางวัลโนเบลสองครั้งในสาขาฟิสิกส์ และ ไบรอัน โจเซฟสัน (Brian Josephson) นักศึกษาวิจัยอายุ 22 ปีจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ซึ่งเป็นที่รู้จักในภายหลังจากการค้นพบ Josephson Effect ซึ่งเป็นทฤษฎีที่อธิบายว่ากระแสไฟฟ้าที่อยู่ในรูปแบบของ "supercurrent" สามารถทะลุผ่านชั้นฉนวนบาง ๆ ในระบบตัวนำยวดยิ่งได้โดยไม่สูญเสียพลังงานหรือสร้างอนุภาคใหม่McDonald, D. G. (2001). The Nobel laureate versus the graduate student. Physics today, 54(7), 46-51.

ในขณะนั้น บาร์ดีนเป็นที่ยอมรับในฐานะนักฟิสิกส์ชั้นนำในด้านตัวนำยวดยิ่ง และเขาไม่เห็นด้วยกับทฤษฎีของโจเซฟสัน โดยให้เหตุผลว่าอิเล็กตรอนในสถานะตัวนำยวดยิ่งไม่สามารถข้ามผ่านชั้นฉนวนได้ บาร์ดีนยืนยันว่าการจับคู่ของอนุภาคซึ่งเป็นพื้นฐานของทฤษฎีตัวนำยวดยิ่ง (BCS Theory) ไม่สามารถทะลุผ่านชั้นฉนวนที่บางได้อย่างที่โจเซฟสันกล่าวอ้าง

การถกเถียงระหว่างทั้งสองเกิดขึ้นในที่ประชุมฟิสิกส์ระหว่างประเทศที่กรุงลอนดอนในเดือนกันยายน 1962 ซึ่งในที่ประชุม บาร์ดีนและโจเซฟสันได้โต้เถียงกันเกี่ยวกับแนวคิดของการทะลุผ่านของกระแส supercurrent ในระบบตัวนำยวดยิ่ง การอภิปรายนี้กลายเป็นเหตุการณ์สำคัญในประวัติศาสตร์ฟิสิกส์ แม้ว่าจะไม่มีข้อยุติที่ชัดเจนในขณะนั้น แต่หลังจากนั้นไม่นาน การทดลองที่ทำโดย ฟิลิป แอนเดอร์สัน (Philip Anderson) และ จอห์น โรเวลล์ (John Rowell) ได้พิสูจน์ว่าทฤษฎีของโจเซฟสันเป็นความจริง โดยการทดลองนี้แสดงให้เห็นว่ากระแส supercurrent สามารถทะลุผ่านชั้นฉนวนได้จริง

การค้นพบของโจเซฟสันมีผลกระทบต่อการวัดค่าทางฟิสิกส์อย่างมาก ทฤษฎีของเขาถูกนำมาใช้ในการวัดค่าทางฟิสิกส์ที่มีความแม่นยำสูง เช่น การวัดอัตราส่วนของประจุอิเล็กตรอนต่อพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ด้วยความแม่นยำถึง 1 ใน 1019 สิ่งนี้ทำให้ Josephson Effect กลายเป็นเครื่องมือสำคัญในการพัฒนามาตรวิทยาและการวัดค่าต่าง ๆ ในวงการฟิสิกส์และวิศวกรรม ซึ่งมีการนำไปใช้ในเทคโนโลยีสมัยใหม่เช่น วงจรเชิงควอนตัมและการพัฒนามาตรฐานแรงดันไฟฟ้าที่มีความแม่นยำสูง

ในปี 1973 มีผู้ได้รับรางวัลโนเบล 3 คน คือ เบร์น เดวิด โจเซฟสัน (Brian David Josephson) ลีโอ อีซากิ (Leo Esaki) ไอวา เกียเวอร์(Ivar Giaever) โดยได้รับรางวัล ½,¼,¼ ส่วนตามลำดับ ซึ่งจะพบว่าโจเซฟสันได้รับความสำคัญมากกว่าโดยได้รับรางวัลครึ่งส่วนของปีนั้น (The Nobel Foundation) มีความอธิบายการค้นพบที่ได้รับรางวัลว่า

“for their experimental discoveries regarding tunneling phenomena in semiconductors and superconductors, respectively”

โดยโจเซฟสันได้รางวัลสำหรับการศึกษาด้านทฤษฎีของตัวนำยวดยิ่ง เกียเวอร์ได้รางวัลสำหรับการทดลองการทะลุผ่าน (Tunneling) ในตัวนำยวดยิ่งและสารกึ่งตัวนำ ส่วนอีซากิได้รับรางวัลส่วนการทดลองการทะลุผ่านในสารกึ่งตัวนำ

โจเซฟสันเริ่มทำงานวิจัยนี้ขณะที่ยังเป็นนักศึกษาปริญญาเอก โดยมี เบร์น พิพาร์ด (Brian Pippard) เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา แต่ความคิดหลักของงานวิจัยเรื่องการทะลุผ่านี้เกิดจากการที่เขาได้ไปเยี่ยมห้องปฏิบัติการของ ฟิล แอนเดอร์สัน (Phil Anderson) ผู้ที่ทำการศึกษาเกี่ยวกับการทะลุผ่านของ กระแสยวดยิ่ง (Supercurrent) ซึ่งแอนเดอร์สันแสดงให้เห็นว่าสำหรับระบบที่มีปฏิสัมพันธ์กัน (Correlation) สามารถเกิดสถานะเสมือนในพิกัดตรงข้ามได้

ปรากฏการณ์โจเซฟสันKittel, C. 1991. Introduction to Solid State Physics. 6th ed. Singapore:Yohn Wiley&Sons. เป็นปรากฏการณ์ที่สามารถทำให้เกิดได้ ภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม โดยเป็นปรากฏการณ์ที่คู่คูเปอร์ที่เป็นตัวนำในตัวนำยวดยิ่งสามารถทะลุผ่านฉนวนบาง ๆ ที่กันกลางระหว่างตัวนำยวดยิ่งได้ ปรากฏการณ์นีสามารถเกิดขึ้นได้ 2 แบบ คือปรากฏการณ์โจเซฟสันกระแสตรง (DC Josephson effect) และปรากฏการณ์โจเซฟสันกระแสสลับ (AC Josephson effect)

ปรากฏการณ์โจเซฟสัน กระแสตรง(DC Josephson Effect) เป็นปรากฏการณ์ที่มีกระแสไฟฟ้าตรงพุ่งทะลุผ่านบริเวณรอยต่อจากตัวนำยวดยิ่งด้านหนึ่งไปสู่ตัวนำยวดยิ่งอีกด้านหนึ่งได้ แม้จะมีฉนวนกั้นกลางอยู่โดยไม่มีการใส่สนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก โดยกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านรอยต่อจะมีค่าตามสมการ

I=I0sinφ

เมื่อ I เป็นกระแสสูงสุดที่สามารถไหลผ่านได้ และ φ จะเป็นความต่างเฟสของฟังก์ชันคลื่นของคู่คูปเปอร์ในตัวนำยวดยิ่งในแต่ละด้าน

 ปรากฏการณ์โจเซฟสัน กระแสสลับ (AC Josephson Effect) เมื่อใส่แหล่งจ่ายไฟกระแสตรงให้แก่ระบบจะเกิดกระแสไฟฟ้าสลับไหลผ่านที่บริเวณรอยต่อของตัวนำยวดยิ่งทั้งสอง และจากค่าที่ได้สามารถนำมาคำนวณหาค่า ħ/e ที่แม่นยำมาก ๆ ได้ พบว่ากระแสไฟ้ฟ้าที่ไหลผ่านรอยต่อจะมีค่าตามสมการ

I=I0sin(φ(0)-ωt)

โดยความถี่ของกระแสไฟฟ้าสลับเป็น ω=2eV/ħ และ δ(0) คือความต่างเฟสเริ่มต้น t คือเวลา e คือประจุของอิเล็กตรอนและ V คือความต่างศักย์ที่ใส่เข้าไป

จากสมการความถี่ ω=2eV/ħ พบว่าความต่างศักย์ V เป็นค่าที่กำหนดได้จากการทดลองและความถี่เป็นค่าที่วัดได้จากการทดลอง ถ้าสามารถทำการวัดได้อย่างแม่นยำก็สามารถนำมาคำนวณ ħ/e ที่แม่นยำมาก ๆ ได้ ซึ่งมีประโยชน์มากในการนำมาใช้เป็นตัวกำหนดค่ามาตรฐาน

อ้างอิง
พงษ์แก้ว  อุดมสมุทรหิรัญ.  (2019).  ตัวนำยวดยิ่งพื้นฐาน(ปรับปรุง).  พิมพ์ครั้งที่ 1.  กรุงเทพฯ: ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัย ศรีนครินทรวิโรฒ.

หมวดหมู่:ฟิสิกส์สสารควบแน่น
หมวดหมู่:สภาพนำยวดยิ่ง