การประยุกต์ใช้สภาพนำยวดยิ่ง

**การประยุกต์ใช้สารตัวนำยวดยิ่ง**
* ใช้ในการประดิษฐ์อุปกรณ์ตรวจจับสนามแม่เหล็กสคิด(SQUID)
* ใช้ประดิษฐ์วงจรไฟฟ้าโดยใช้ปรากฏการณ์โจเซฟสัน(Josephson junctions) 
* ใช้ประดิษฐ์แม่เหล็กความเข้มสูงที่ใช้ใน รถไฟฟ้าแม่เหล็กความเร็วสูง  (maglev trains) เครื่องตรวจเอกซเรย์ด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (MRI) เครื่องนิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ (NMR) เครื่องเร่งปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น (เช่น tokamaks)
* สายไฟไร้ความต้านทาน (Low-loss power cable)
* อุปกรณ์ตรวจจับอนุภาคในเครื่องเร่งอนุภาค (Particle accelerator) 
* มอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

จากสมบัติพื้นฐานของตัวนำยวดยิ่งไม่ว่าจะเป็นการ มีความต้านทานที่น้อยมากจนแทบไม่มีเลยหรือการแสดง ปรากฎการณ์ไมน์สเนอร์ทำให้มีการนำตัวนำยวดยิ่งมาประยุกต์ ใช้ได้ในงานหลายประเภท เช่น ด้านการแพทย์ ด้านการคมนาคม หรือการวิจัยที่ต้องใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูง เป็นต้น ทั้งนี้ องค์ประกอบสำคัญของการประยุกต์ใช้งานตัวนำยวดยิ่งก็คือตัวนำ ยวดยิ่งนั้นจะต้องมีค่าอุณหภูมิวิกฤตที่สูงพอประมาณ รวมถึงต้องมีค่ากระแสวิกฤตและค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่สูงด้วย เนื่องจาก การประยุกต์ใช้งานส่วนใหญ่จะเกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าและ สนามแม่เหล็ก ตัวอย่างการประยุกต์ใช้งาน บางประการของตัวนำยวดยิ่ง มีดังนี้ 

## รถไฟพลังแม่เหล็กไฟฟ้าหรือ Magnetic Levitation (MagLev)
รถไฟพลังแม่เหล็กไฟฟ้าทำงานโดยใช้ สนามแม่เหล็ก (Magnetic field) มายกให้รถไฟลอย (Levitation) อยู่บนรางทำให้หมดปัญหาการเสียดสีระหว่างรางและตัวรถ รวมทั้งใช้ไฟฟ้าเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กเพื่อเป็นตัวขับเคลื่อน และหยุดรถโดยอาศัยหลักการของการดึงดูดกันของแม่เหล็ก ต่างขั้วและการผลักกันของแม่เหล็กขั้วเดียวกัน โดยจะมีชุดแผงขดลวดเล็ก ๆ อยู่สองข้างราง กระแสไฟฟ้าจะเป็นกระแสสลับที่เปลี่ยน ทิศทางไปมาไปมาเพื่อจะเปลี่ยนขั้วสนามแม่เหล็กให้ผลักและดึง รถไฟไปข้างหน้าอยู่ตลอดเวลา โดยแผงรางที่อยู่ข้างหน้าจะมีขั้ว แม่เหล็กตรงข้ามกับแผงที่ติดตั้งบนรถเพื่อที่จะดึงดูดรถและแผงราง ที่อยู่ข้างหลังจะมีขั้วแม่เหล็กเดียวกับแผงที่ติดตั้งบนรถเพื่อทำให้ เกิดแรงผลักเสริมอีกแรงหนึ่ง จากการที่ตัวนำยวดยิ่งแทบจะไม่มี ความต้านทานเลยทำให้สามารถสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงได้ มากกว่าตัวนำปกติ ลดการสูญเสียพลังงานในรูปพลังงานความร้อน และลดขนาดของขด ลวดที่ใช้งานให้มีขนาดเล็กลง แม้ว่าในปัจจุบัน MagLev ที่ใช้ตัวนำยวดยิ่งสำหรับสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูง จะยังอยู่ในช่วงทดสอบการใช้งานแต่ก็มีแนวโน้มจะสามารถใช้ขนส่ง ในเชิงพาณิชย์ได้ในอนาคต

## เครื่องตรวจเอกซเรย์ด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า(MRI) และเครื่องนิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ (NMR)
Magnetic Resonance Imaging (MRI) คือ เครื่องมือที่ใช้สำหรับสร้างภาพอวัยวะภายใน ร่างกายโดยใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูงและความถี่ในย่าน ความถี่วิทยุ (Radio frequency) ด้วยการส่งคลื่นความถี่เข้าสู่ ร่างกายและรับคลื่นสะท้อนกลับ แล้วนำสัญญาณที่ได้มาประมวลผล ด้วยคอมพิวเตอร์ ทำให้ได้ภาพอวัยวะภายในของร่างกาย เช่น สมอง กระดูกสันหลัง ตับ ไต ที่มีความคมชัด สามารถแยกเนื้อเยื่อต่าง ๆ ของร่างกายได้อย่างชัดเจน ทำให้มีความถูกต้องแม่นยำในการ วินิจฉัยโรคมากยิ่งขึ้น สามารถตรวจเส้นเลือดได้โดยไม่ต้องฉีดสาร ทึบรังสีอีกทั้งยังสามารถทำการตรวจได้ในทุก ๆ ระนาบไม่ใช่เฉพาะ แนวขวางอย่างเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (CT-scan)

สารตัวนำยวดยิ่งได้ถูกนำมาใช้งานในการสร้างสนามแม่เหล็กที่มีความเสถียรและความเข้มสูงในเครื่อง MRI และ NMR ซึ่งช่วยให้สามารถวิเคราะห์โรคได้อย่างมีประสิทธิภาพจากการสร้างภาพสามมิติ โดยปกติแล้วจะใช้สารตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ (Low temperature superconductors) เนื่องจากสารตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง (high temperature superconductors) ยังมีค่าใช้จ่ายที่มาก มีความเสถียรและความสามารถในการผลิตสนามแม่เหล็กที่ไม่มากพอ แต่การใช้ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำก็ต้องแลกมาด้วยการใช้ฮีเลียมเหลว (liquid helium) ในการให้ความเย็น นอกจากใช้สร้างสนามแม่เหล็กในวงการการแพทย์แล้วยังใช้ในวงการวิทยศาสตร์อีกด้วย

### หลักการทำงานของเครื่อง NMR(Nuclear magnetic resonance)
เครื่อง NMR มีหลักการทำงาน คือ วัดอัตราการผ่อนคลายของสปินนิวเคลียสของตัวนำยวดยิ่ง สามารถแยกชนิดของตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมกับตัวนำยวดยิงอุณหภูมิสูงได้โดยการดูกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างเวลาผ่อนคลายกับอุณหภูมิ ถ้าหากพบยอดการเกิดสูงที่สุดหรือ โคเฮียเรียนพีค (Coherence peak) ที่บริเวณต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติแสดงว่าเป็นตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม ซึ่งตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมจะแสดงสมบัติที่เป็นไปตามทฤษฎี BCS ที่มีกลไกอิเล็กตรอนโฟนอนเป็นกลไกหลัก แต่ในตัวนำยวดยิ่งก็สามารถพบโคเฮเรียนพีคได้ หากตัวนำยวดยิ่งนั้นมีการเจือสารบางอย่าง

## ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง (HTS)
ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจะแสดงสมบัติความเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณภูมิสูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจนเหลวซึ่งเป็นสารให้ความเย็นที่ราคาต่ำกว่าที่ใช้ในตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ แต่ปัญหาของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงคือแตกหักได้ง่าย มีค่าใช่จ่ายในการผลิตสูง และไม่สามารถขึ้นรูปเป็นเส้นหรือรูปร่างตามต้องการได้ ดังนั้นสารตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจึงถูกในไปใช้งานได้ไม่กว้างขวางนัก ดังนี้
* ลดการสูญเสียความร้อนในตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ
* เป็นตัวกรองคลื่นวิทยุและคลื่นไมโครเวฟ 
* ใช้เป็นสารเพิ่มความเป็นแม่เหล็กในทางวิทยาศาสตร์

### ระบบที่มีตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงเป็นส่วนประกอบ
ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้ถูกนำมาใช้เป็นแม่เหล็กทางวิทยาศาสตร์และทางอุตสาหกรรม เช่น เครื่อง MRI เครื่อง NMR ซึ่งก็ได้ถูกนำมาใช้งานในเชิงพาณิชย์

สิ่งที่เป็นเอกลักษณ์ของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงคือ การทนต่อสนามแม่เหล็ก ซึ่งก็สามารถทนได้มากกว่าตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ ดังนั้นสารตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง ณ จุดเดือดของฮีเลียมเหลว ก็จะทนต่อสนามความเข้มสูงได้มากกว่าในตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ

คาดว่าในอนาคตอุตสาหกรรมเชิงพาณิชย์ของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจะมีแพร่หลายมากขึ้น ยกตัวอย่างเช่น เครื่องให้ความร้อน หม้อแปลงไฟฟ้า แหล่งกักเก็ยพลังงาน มอเตอร์ เครื่องปั่นไฟ เครื่องเร่งปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น (ITER) และอุปกร์ลอยเหนือแม่เหล็ก เป็นต้น

### โครงการตัวนำยวดยิ่งฮอลบรู๊ค
โครงการตัวนำยวดยิ่งฮอลบรู๊คเป็นโครงการแรกของโลกที่ออกแบบและผลิตสายไฟจากตัวนำยวดยิ่ง และได้ถูกนำมาใช้งานในปลายเดือนมิถุนายนปี 2008 ในแถบชานเมืองของมลรัฐลองไอแลนด์ โดยสายไฟดังกล่าวผลิตด้วยตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง ถูกฝังอยู่ใต้ดินลึก 600 เมตร ความยาว 99 ไมล์ ผลิตโดยบริษัท อเมริกัน ซุปเปอร์คอนดัคเตอร์ หล่อเย็นด้วยไนโตรเจนเหลว ซึ่งช่วยลดค่าใช้จ่ายในการส่งถ่ายพลังงานผ่านสายไฟ

### โครงการเทรส อมิแก๊ส
บริษัท อเมริกัน ซุปเปอร์คอนดัคเตอร์ (American Superconductor) ได้จัดทำโครงการเทรส อมิแก๊สขึ้นเพื่อเป็นศูนย์กลางทางด้านพลังงานทดแทน โดยวางโครงข่ายสายไฟฟ้าจากตัวนำยวดยิ่งเพื่อสร้างสมดุลทางพลังงานจากสถานีไฟฟ้า 3 สถานี ของสหรัฐอเมริกา (สถานีฝั่งตะวันออก สถานีฝั่งตะวันตก และสถานีมลรัฐเท็กซัส)

### แมกนีเซียมไดโบไรด์
แมกนีเซียมไดโบไรด์มีต้นทุนที่ต่ำกว่าตัวนำยวดยิ่งประเภท BSCCO หรือ YBCO โดยเปรียบเทียบจากอัตราการส่งผ่านกระแสต่อความยาว (ราคา/กิโลแอมป์ x เมตร) และในการผลิตสายไฟจากตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้ยังมีต้นทุนที่ต่ำกว่าสายทองแดงอีกด้วย ยิ่งไปกว่านั้น แมกนีเซียมไดโบไรด์ ยังแสดงสมบัติความเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณภูมิสูงกว่าตัวนำยวดยิ่งอุณภูมิต่ำ โดยมีอุณหภูมิวิกฤตที่ 39 เคลวิน อย่างไรก็ตาม แมกนีเซียมไดโบไรด์ ก็ยังไม่สามารถทนต่อสนามแม่เหล็กได้มากนัก ซึ่งในอนาคตยังต้องพัฒนาเพื่อประยุกต์ต่อไป

#### สมบัติของตัวนำยวดยิ่งแมกนีเซียมไดโบไรด์
#เป็นตัวนำยวดยิ่งแบบสองแถบพลังงาน แถบพลังงานขนาดเล็กมีขนาด 1.8-3 meV แถบพลังงานขนาดใหญ่มีขนาด 5.8-7 meV
#ใช้ทฤษฎี BCS อธิบายได้เพราะช่องว่างพลังงานมีสมมาตรแบบคลื่นเอสเหมือนกับตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม
#ความลึกซึมซาบได้และความยาวอาพันธ์มีค่าสูงมากใกล้เคียงกับตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม
#มีความเป็นโลหะที่ดีที่อุณหภูมิห้อง
#สัมประสิทธิ์ของไอโซโทปมีค่าประมาณ 0.30
#สนามแม่เหล็กวิกฤตทั้งสองมีค่าสูง

## อุปกรณ์ตรวจจับสนามแม่เหล็ก SQUID
thumb|สคิดที่ใช้ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงสคิด (Squid) หรือ Superconducting Quantum Interface Device เป็นอุปกรณ์ตรวจจับสนามแม่เหล็กที่มีความไวสูงมากสามารถวัดแม่เหล็กที่มีความเข้ม 5 x 10-18 เทสลาซึ่งเป็นค่าที่ต่ำมาก ๆ ต่ำกว่าความเข้มที่เป็นพื้นฐานเสียอีก อุปกรณ์ชนิดนี้มีหลักการทำงานโดยอาศัยปรากฏการณ์โจเซฟซัน (Josephson junctions) ดังนั้นสคิดจึงมีสองแบบคือสคิดกระแสตรง (DC Squid) และสคิดกระแสสลับ (RF Squid)
 
**สคิดกระแสตรง** ถูกสร้างขึ้นครั้งแรกในปี 1964 โดยโรเบิร์ต เจคเลวิส (Robert Jaklevic) จอนเจ แลมเบ (John J. Lembe) เจมส์ เมอร์ซีเรียล (James Mercereau) และ อาโนด ซิลเวอร์ (Arnold Silver) หลังจากโจเซฟสัน ได้นำเสนอปรากฏการณ์โจเซฟซันในปี 1962 เพียงสองปี โดยมีหลักการพื้นฐานอยู่บนปรากฏการณ์โจเซฟสันกระแสตรง มีรอยต่อโจเซฟซันสองรอยต่อที่ขนานกันทำให้เกิดวงรอบของตัวนำยวดยิ่ง

**สคิดกระแสสลับ** ถูกสร้างขึ้นในปี 1965 โดย โรเบิร์ต เจคเลวิส จอน เจ แลมเบ อาโนด ซิลเวอร์และเจมป์ เอ็ดเวอร์ ไซเมอร์แมน (James Edward Zimmerman) โดยมีหลักการพื้นฐานจาก ปรากฏการณ์โจเซฟสันกระแสสลับ และใช้รอยต่อเพียงรอยต่อเดียว ทำให้มีความไวที่ต่ำกว่า สคิดกระแสตรง แต่ก็มีราคาที่ถูกกว่าและใช้งานได้สะดวกกว่า

ในช่วงแรก ๆ ตัวนำยวดยิ่งที่มาทำสคิด คือ ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมที่มีอุณหภูมิวิกฤติต่ำ เช่น ไนโอเบียม ตะกั่วอัลลอย อินเดียม ใช้ฮีเลียมเหลวเป็นสารหล่อเย็น ทำให้ไม่สะดวกในการใช้งาน ต่อมาได้มีการพัฒนามาใช้ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงกลุ่ม Y-Ba-Cu-O มาทำสคิดทำให้สามารถใช้ไนโตรเจนเหลวในการรักษาความเย็นได้ แม้ว่าจะมีความไวที่น้อยกว่า สคิดที่ทำจากตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม แต่ก็มีข้อดีในการใช้งานและค่าใช้จ่ายที่ถูกกว่า ทำให้สามารถนำไปใช้ประยุกต์ใช้งานได้สะดวกและแพร่หลายมากขึ้น มีการนำสคิด ไปใช้งานที่หลากหลาย เช่น ใช้ในการทหาร เป็นเครื่องตรวจจับเรือดำน้ำ หรือ เครื่องตรวจจับกับระตัวอักษรหัวเรื่องบิด เครื่องตรวจจับการทำงานของร่างกาย เครื่องตรวจจับการบกพร่องของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

## มอเตอร์จากตัวนำยวดยิ่ง
มอร์เตอร์ใช้หลักการทางแม่เหล็กไฟฟ้าตามหลักการของฟาราเดย์ ดังนั้นมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงก็มีกำลังสูงด้วย แต่อยางไรก็ดีการใช้ทองแดงเป็นตัวนำไฟฟ้าไม่สามารถให้ประสิทธิภาพที่สูงมากได้ ต้องใช้สายทองแดงมากขึ้น ทำให้ประสิทธิภาพต่ำลงเนื่องจากสูญเสียพลังงานจากความต้านทานของสายไฟ การใช้มอเตอร์ที่ทำจากตัวนำยวดยิ่งก็จะมีการประหยัดพลังงานได้มากขึ้นและคาดว่าจะมีการผลิตมอเตอร์ที่ทำจากตัวนำยวดยิ่งที่มีกำลังถึง 1000 แรงม้าในไม่ช้า

## อ้างอิง

หมวดหมู่:สภาพนำยวดยิ่ง