คิวเพรต

ตัวนำยวดยิ่งของสารกลุ่มใหม่ที่มีองค์ประกอบของคอปเปอร์ออกไซด์ (CuO2) เป็นองค์ประกอบเรียกว่า คิวเพร์ท (Cuprate) และเป็นสารตัวแรกที่เป็นสารประกอบของ  (La2BaCuO4) ซึ่งเป็นสารประกอบประเภทเซรามิกคือที่อุณหภูมิห้องสารจะมีสภาพเป็ฉนวนไฟฟ้า การนำไฟฟ้าจึงเกิดขึ้นในระนาบของคอปเปอร์ออกไซด์โดยมีอิเล็กตรอนของอะตอมของคอปเปอร์เป็นตัวการสำคัญที่ทำให้เกิดสภาพนำยวดยิ่ง การลดอุณหภูมิลงจะทำให้โครงสร้างของผลึกเปลี่ยนไป ระนาบคอปเปอร์ออกไซต์ที่มีในโมเลกุลจึงมีความสำคัญโดยตรงกับสภาพนำยวดยิ่ง จึงกล่าวได้ว่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กตรอนในตัวนำยวดยิ่งเป็นแบบสองมิติ ซึ่งกลุ่มคิวเพร์ทตัวแรก ก็คือ Ba-La-Cu-O ที่ถูกพบโดย เบทนอร์ซและมูลเลอร์ และสารต่อมาก็คือ La-Sr-Cu-O โดย ทากากิ และสารประกอบ Y-Ba-Cu-O โดยชูและคณะ

ความเป็นมา
ในปัจจุบันตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ทเป็นตัวนํายิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงสุดซึ่งเหมาะสําหรับสายไฟและแม่เหล็ก

	ตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ท (Cuprate Superconductors) เป็นตัวนำยวดยิ่งที่มีโครงสร้างหลักประกอบด้วยคอปเปอร์ออกไซด์ (CuO2) วางตัวมีลักษณะเป็นชั้น ๆ ในระหว่างโครงสร้างมีอะตอมเป็นโลหะชนิดหนึ่งคั่นอยู่ โดยอะตอมนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวน การนำไฟฟ้าเกิดขึ้นในระนาบของคอปเปอร์ออกไซด์ โดยมีอิเล็กตรอนของอะตอมคอปเปอร์เป็นตัวการสำคัญที่ทำให้เกิดสภาพนำยวดยิ่ง การลดอุณหภูมิจะทำให้โครงสร้างผลึกเปลี่ยนไป ระนาบคอปเปอร์ออกไซด์ที่มีโมเลกุลจึงมีความสำคัญโดยตรงกับสภาพนำยวดยิ่ง กล่าวได้ว่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กตรอนในตัวนำยวดยิ่งเป็นแบบสองมิติ

ตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ท เป็นตัวนํายวดยิ่งที่มีอุณหภูมิสูงที่สุดที่รู้จัก อย่างไรก็ตามกลไกที่ตัวนํายวดยิ่งเกิดขึ้นยังไม่เป็นที่เข้าใจมากนักพงษ์แก้ว อุดมสมุทรหิรัญ.  (2562).  ตัวนำยวดยิ่งพื้นฐาน (ปรับปรุง). พิมพ์ครั้ง 1. กรุงเทพฯ: ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ.

ตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ทตัวแรกถูกพบในปี 1986 ในแลนทานัมแบเรียมคอปเปอร์ออกไซด์ (LB-CO) ที่ไม่ใช่สารประกอบสโตอิชิโอเมตริก โดย เจ จอร์จ เบทนอร์ซ และเค อเลกซานเดอร์ มูลเลอร์ โดยอุณหภูมิวิกฤตสำหรับวัสดุนี้คือ 35 K ซึ่งสูงกว่าสถิติก่อนหน้านี้ที่ 23 K การค้นพบนี้นําไปสู่การวิจัยที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเกี่ยวกับตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ท ส่งผลให้มีตีพิมพ์งานวิจัยหลายพันฉบับระหว่างปี 1986 - 2001    เจ จอร์จ เบทนอร์ซ และเค อเลกซานเดอร์ มูลเลอร์ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1987 เพียงหนึ่งปีหลังจากการค้นพบของพวกเขา

ตั้งแต่ปี 1986 มีการระบุตัวนํายิ่งยวดจํานวนมาก และสามารถแบ่งออกเป็นสามกลุ่มในแผนภาพเฟส อุณหภูมิวิกฤตเทียบกับปริมาณออกซิเจนและปริมาณของคอปเปอร์ในโครงสร้างผลึก

แลนทานัมแบเรียมคอปเปอร์ออกไซด์ (LB–CO), TC = −240 °C (35 K)
อิตเทรียมแบเรียมคอปเปอร์ออกไซด์ (YB–CO), TC = −215 °C (93 K) 
บิสมัทสตรอนเทียมแคลเซียมคอปเปอร์ออกไซด์ (BiSC–CO), TC = −180 °C (95 K)
แทลเลียมแบเรียมแคลเซียมคอปเปอร์ออกไซด์ (TBC–CO), TC = −150 °C (125 K) 

ปรอทแบเรียมแคลเซียมคอปเปอร์ออกไซด์ (HGBC–CO) โดยในปี 1993 TC = −140 °C (133 K) ในปัจจุบันเป็นอุณหภูมิวิกฤตสูงสุด 

อย่างไรก็ตามตัวนำยวดยิ่งอิตเทรียมแบเรียมคอปเปอร์ออกไซด์ (YB–CO) ยังคงเป็นตัวนำยวดยิ่งที่ โดดเด่นและรู้จักอย่างกว้างขวางในสารกลุ่มนี้

โครงสร้างhttps://en.wikipedia.org/wiki/Cuprate_superconductor

ตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ท เป็นวัสดุที่มีลักษณะเป็นชั้น ๆ ประกอบด้วยระนาบตัวนำยวดยิ่งของคอปเปอร์ออกไซด์คั่นด้วยชั้นที่มีไอออน เช่น แลนทานัม แบเรียม สตรอนเทียม เป็นต้น ทำหน้าที่เป็นกล่องสี่เหลี่ยมเก็บประจุ โดยทำการเติมอิเล็กตรอนหรือโฮลเข้าไปในชั้นคอปเปอร์ออกไซด์ ดังนั้นโครงสร้างนี้จึงอธิบายได้ว่าเป็นโครงสร้างผลึกของชั้นตัวนำยวดยิ่งของคอปเปอร์ออกไซด์คั่นด้วยฉนวน ส่งผลให้โครงสร้างนี้มีความคล้ายคลึงกับโครงสร้างแบบเฟอร์โรฟสไกป์  ตัวนำยวดยิ่งเกิดขึ้นภายในชั้นคอปเปอร์ออกไซด์ (CuO2) โดยมีการเชื่อมต่อที่อ่อนแอระหว่างชั้นคอปเปอร์ออกไซด์ที่อยู่ติดกันเท่านั้น ทำให้มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับวัสดุแบบสองมิติ กระแสไฟฟ้าไหลภายในชั้นคอปเปอร์ออกไซด์ ส่งผลให้เกิดโครงสร้างผลึกแบบออโทรอมบิกในคุณสมบัติตัวนำยวดยิ่ง โดยมีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่ามาก เมื่อขนานกับชั้นคอปเปอร์ออกไซด์มากกว่าในทิศทางตั้งฉาก

อุณหภูมิวิกฤตของตัวนำยวดยิ่งขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมี การแทนที่ไอออนบวก และปริมาณออกซิเจน สูตรเคมีของวัสดุตัวนำยิ่งยวด โดยทั่วไปจะมีจำนวนเศษส่วนเพื่ออธิบายการเจือปนของสารที่จำเป็นสำหรับตัวนำยวดยิ่ง ซึ่งตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ทหลายกลุ่มที่สามารถแบ่งประเภทได้ตามธาตุที่ประกอบอยู่และจำนวนชั้นคอปเปอร์ออกไซด์ที่อยู่ติดกันในแต่ละกล่อง ตัวอย่างเช่น YBCO และ BSCCO อาจเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า Y123 และ Bi2201/Bi2212/Bi2223 ขึ้นอยู่กับจำนวนชั้นในแต่ละกล่องของตัวนำยวดยิ่ง (n) พบว่าการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของตัวนำยวดยิ่งจะถึงจุดสูงสุดที่ค่าการเจือปนของสารที่เหมาะสมที่สุด (p = 0.16) และจำนวนชั้นที่เหมาะสมที่สุดในแต่ละกล่องของตัวนำยวดยิ่ง โดยทั่วไปคือ n = 3

สารประกอบสารตั้งต้นที่ไม่ได้เจือปนสารที่เป็นฉนวนแบบ Mott ซึ่งมีลำดับแอนติเฟอร์โรแมกเนติกระยะไกลที่อุณหภูมิต่ำเพียงพอ โดยทั่วไปแล้วแบบจำลองแบนด์เดียว ถือว่าเพียงพอที่จะอธิบายคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ได้

ตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ท มักประกอบด้วยออกไซด์ของคอปเปอร์ในสถานะออกซิเดชันทั้ง 3+ และ 2+ ตัวอย่างเช่น YBa 2 Cu 3 O7 อธิบายได้ว่า Y 3+ (Ba 2+)2 (Cu 3+ )(Cu 2+ )2 (O 2− )7 ไอออนของทองแดง 2+ และ 3+ มีแนวโน้มที่จะเรียงตัวกันเป็นตารางกระดานหมากรุก ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การเรียงลำดับประจุ สำหรับตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ททั้งหมดเป็นวัสดุที่มีลักษณะหลายชั้น มีโครงสร้างที่ซับซ้อน เรียกว่า ซูเปอร์แลตทิช (Superlattice) ของชั้นคอปเปอร์ออกไซด์ในตัวนำยวดยิ่ง ซึ่งแยกจากกันด้วยโครงสร้างมีอะตอมเป็นโลหะ โดยการเปลี่ยนโครงสร้างผลึกในแต่ละชั้น และสารเจือปนซึ่งทำหน้าที่เป็นฉนวน ทำให้เกิดความแตกต่างที่ซับซ้อน การนำไฟฟ้าของสารกลุ่มนี้จะเกิดขึ้นได้ในชั้นคอปเปอร์ออกไซด์ การเพิ่มจำนวนชั้นคอร์เปอร์ออกไซด์ จึงเป็นสมมติฐานที่สำคัญสำหรับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง

อ้างอิง

หมวดหมู่:ตัวนำยวดยิ่ง
หมวดหมู่:สภาพนำยวดยิ่ง