ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง

ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง (คำย่อ Tc-สูง หรือ HTS) เป็นวัสดุที่ทำตัวเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิสูงผิดปกติจากอุณหภูมิเริ่มต้น ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้ถูกค้นพบครั้งแรกโดย Bednorz และ Muller 
ที่ ห้องปฏิบัติการ IBM ที่เมือง Zuich ในปี 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) แต่ตัวนำยวดยิ่ง HTS นั้นจะถูกสังเกตเห็นได้ที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงสูงที่สุดที่ 138 K (-135 ° C) และหลังจากการค้นพบตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจน เหลวได้แล้ว ต่อมาก็ได้มีพัฒนาการในด้านต่างๆอย่างชัดเจนมากขึ้นอีก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการทดลอง ซึ่งได้มีการพัฒนาจนก้าวหน้าล้ำการศึกษาค้นคว้าในด้านทฤษฎีอย่างเทียบกันไม่ ได้ กล่าวคือตัวนำตัวยวดยิ่งอุณหภูมิสูง(HTS) ที่เตรียมนั้นได้มีสมบัติหลายประการที่ไม่สามารถใช้ทฤษฎี BCS อธิบายได้ และจนถึงปัจจุบันก็ยังไม่มีทฤษฎีใดที่จะสามารถอธิบายตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้อย่างครอบคลุมและชัดเจนได้เลย

การ ค้นพบตัวนำยวดยิ่ง ที่มีอุณหหภูมิวิกฤตสูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว 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 Tสูงมากขึ้น โดยใช้เวลาถึง 75 ปี คือตั้งแต่ปี 1911 ถึง 1986 จึงจะค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง (High-T Superconductors) ที่ถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1986 โดย Bednorz และ Muller(1986) โดยสารประกอบ Ba-La-Cu-O ซึ่งต่อมามีการค้นพบในสารประกอบ Y BaCuO และสารประกอบอีกหลายกลุ่มโดยมีองค์ประกอบ สำคัญคือ Cu O และมีลักษณะเด่นอีกอย่างหนึ่งคือตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้จะมีอุณหภูมิวิกฤติที่ สูงมากกว่า 35 K ซึ่งเกินขอบเขตของตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมตามทฤษฎี BCS ดังนั้นตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้จึงถูกเรียกว่าตัวนำยวดยิ่งอุณภูมิสูง และเนื่องจากมี Cu O เป็นองค์ประกอบหลักที่สำคัญของสภาพนำยวดยิ่ง ดังนั้นในบางครั้งจึงถูกเรียกว่า Cuprate superconductors ปัจจุบันตัวนำยวดยิ่งอุณภูมิสูงกำลังเป็นที่สนใจศึกษาของนักวิจัยทั่วโลก เนื่องจากมีสมบัติที่สามารถนำมาประยุกต์ใช้งานได้ง่ายกว่าตัวนำยวดยิ่งชนิด อื่นๆ อย่างไรก็ตามตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้ยังสมบัติหลายประการที่ไม่มีทฤษฎีใดสามารถ อธิบายได้

ตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ทเป็นตัวนำยวดยิ่งที่มีโครงสร้างหลักประกอบด้วยระนาบของคอปเปอร์ออกไซด์วางตัวมีลักษณะเป็นชั้นๆ ในระหว่างฉันมีอะตอมของโลหะชนิดอื่นคั่นอยู่ โดยอะตอมนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวน การนำไฟฟ้าเกิดขึ้นในระนาบของคอปเปอร์ออกไซด์โดยมีอิเล็กตรอนของอะตอมคอปเปอร์เป็นตัวการสำคัญที่ทำให้เกิดสภาพยวดยิ่ง การลดอุณหภูมิจะทำให้โครงสร้างของผลึกเปลี่ยนไป ระนาบคอปเปอร์ออกไซด์ที่มีในโมเลกุลจึงมีความสัมพันธ์โดยตรงกับสภาพนำยวดยิ่ง กล่าวได้ว่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กตรอนในตัวนำยวดยิ่งเป็นแบบ 2 มิติ ในปัจจุบันพบว่าภายใต้ความดัน ตัวนำยวดยิ่งในสารประกอบปรอท-แบเรียม-แคลเซียม-คิวเพร์ท สามารถมีอุณหภูมิวิกฤตได้สูงสุด 164 เคลวิน แต่อย่างไรก็ตามตัวนำยวดยิ่ง Y-Ba-Cu-O ยังคงเป็นตัวนำยวดยิ่งที่โดดเด่นและรู้จักอย่างกว้างขวางในสารกลุ่มนี้

ความแตกต่างระหว่างตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงกับตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม
ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง นอกจากจะมีอุณหภูมิวิกฤตที่สูงกว่าตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมแล้ว ยังมีสมบัติอื่นๆที่แตกต่าง ดังนี้

1. โครงสร้างของตัวนำยวดยิ่งในการนำไฟฟ้า ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจะมีลักษณะขึ้นกับทิศทาง ซึ่งมีโครงสร้างของอะตอมในผลึกเป็นชั้นๆ และการนำไฟฟ้าในแนวตั้งฉากกับแกนหลักของผลึกแทบจะไม่มี ทำให้ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมีโครงสร้างการนำไฟฟ้าเกือบเป็น 2 มิติ แต่ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมเป็นตัวนำยวดยิ่งที่มีลักษณะไม่ขึ้นกับทิศทางโครงสร้างการนำไฟฟ้ามีเพียงทิศทางเดียว

2. ความยาวอาพันธ์ ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมีความยาวอาพันธ์ประมาณ 10-40 อังสตรอม แต่ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมจะมีค่าประมาณ 10,000 อังสตรอม ซึ่งมากกว่าตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงประมาณ 1,000 เท่า

3. ความหนาแน่นของประจุ ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม เมื่ออุณหภูมิวิกฤตสูงขึ้น ความหนาแน่นของประจุจะเพิ่มขึ้นด้วย แต่ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง ความหนาแน่นของประจุมีรูปแบบที่ไม่ชัดเจน ซึ่งตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงบางชนิดที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูง แต่ความหนาแน่นของประจุลดลง

4. ค่าช่องว่างพลังงานของตัวนำยวดยิ่ง ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจะมีค่าช่องว่างพลังงานสูงกว่าตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม ทำได้โดยอาศัยการวัดหลายรูปแบบ เช่น การทะลุผ่าน(Tunneling) การแผ่รังสีอินฟราเรด(Infrared radiation) เป็นต้น

5. ค่าสัมประสิทธิ์ของไอโซโทป ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมีค่าสัมประสิทธิ์ของไอโซโทปไม่แน่นอน บางชนิดจะมีค่าน้อยกว่า หรือ บางชนิดอาจมีค่ามากกว่าตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม

6. ความเข้มข้นของสารเจือ ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง อุณหภูมิวิกฤตจะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารเจือแบบไม่เป็นแม่เหล็ก แต่ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม อุณหภูมิวิกฤตจะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารเจือแบบแม่เหล็ก

พงษ์แก้ว อุดมสมุทรหิรัญ. (2559). ตัวนำยวดยิ่งพื้นฐาน. กรุงเทพฯ: สำนักพิมพ์จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.

Nagamatsu, J. et al.2001. Nature(London) 401:63-64

สมบัติของตัวนำยวดยิ่ง หมายถึง สารที่อยู่ในสถานะนำยวดยิ่งมีสมบัติหลายประการที่แตกต่างกันจากสารที่อยู่ในสถานะนำปกติต่อไปนี้จะกล่าวถึงสมบัติเบื้องต้นของตัวนำยวดยิ่งทั้งแบบเดิมและตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง อาทิเช่น ความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ ปรากฏการณ์ไมสเนอร์ สนามแม่เหล็ก ปรากฏการณ์ไอโซโทป และความไม่ต่อเนื่องของฟลักซ์แม่เหล็ก

ในปี พ.ศ. 2451 (T.A.Vanderah. 1990) นักฟิสิกส์ชาวเนเธอแลนด์ ชื่อคาร์เมอร์ลิงน์ ออนเนส (Kamerling Onnes) ได้ทำฮีเลียมเหลวขึ้นมาได้ ต่อมาในปี พ.ศ. 2454 ออนเนสได้ทำการวัดสภาพต้านทานไฟฟ้าของปรอทบริสุทธิ์เป็นครั้งแรก โดยได้ใส่ปรอทลงในภาชนะรูปวงแหวน จากนั้นนำไปแช่ในฮีเลียมเหลวเมื่ออุณหภูมิของสารลดลงแล้ว พบว่าสภาพต้านทานไฟฟ้าของปรอทมีค่าเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิประมาณ 4.2 เคลวิน โดยอุณหภูมินี้เป็นอุณหภูมิที่ปรอทเกิดการเปลี่ยนสถานะ จากสถานะปกติเป็นสถานะนำยวดยิ่งอย่างทันทีทันใด เรียกอุณหภูมินี้ว่า อุณหภูมิวิกฤต (Critical Temperature,T) ซึ่งปรอทไร้สภาพต้านทานไฟฟ้าที่อุณหภูมินี้ ต่อจากนั้นมาเขาก็ได้ทดลองวัดสภาพต้านทานไฟฟ้าของโลหะชนิดต่างๆ เพิ่มเติม เช่น ตะกั่ว (Pb) ดีบุก (Sn) ไนโอเบียม (Nb)

โดยโลหะที่ทดลองเพิ่มเติมเหล่านี้มีค่าอุณหภูมิวิกฤต เท่ากับ 3.69, 7.26 และ 9.2 เคลวิน ตามลำดับ ในการค้นพบตัวนำยวดยิ่งยุคแรกๆ ค่าอุณหภูมิวิกฤตของสารค่อนข้างต่ำโดยไม่เกิน 10 เคลวิน และเรียกตัวนำยวดยิ่งกลุ่มนี้ว่าตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ (Low Temperature Superconductors) หรือ ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม (Conventional Superconductors)
เมื่อตัวนำยวดยิ่งที่ไร้สภาพต้านทานไฟฟ้า จะทำให้กระแสที่ให้เข้าไปไม่มีการสูญเสียพลังงานเมื่อเวลาผ่านไป เรียกกระแสไฟฟ้านี้ว่า กระแสไฟฟ้ายืนยง (Persistent Current) หรือกระแสไฟฟ้ายวดยิ่ง (Supercurrent)

จากกฎของแอมแปร์(Ampere’ s Law) ที่ใช้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กและกระแสไฟฟ้า จะพบว่าเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลวนรอบวงแหวนของตัวนำยวดยิ่งที่มีค่าความเหนี่ยวนำตนเอง (L) เมื่อกระแสไฟฟ้ามีค่าลดลงเนื่องจากมีความต้านทานไฟฟ้าจะได้ค่าคงที่เวลา (Time Constant) มีสมการเป็น τ= L/R และพบว่า ค่ากระแสนี้มีระยะเวลาประมาณ 100,000 ปี เมื่อนำมาหาค่าสภาพต้านทานไฟฟ้า จะได้ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้าที่น้อยมากๆ ซึ่งเท่ากับ 10 Ω.m ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้านี้มีค่าน้อยกว่าสถานะปกติ มากกว่า 10 เท่า ซึ่งปกติแล้วสภาพต้านทานไฟฟ้าของทองแดงถือว่าเป็นโลหะนำไฟฟ้าที่ดีที่สุดชนิดหนึ่ง ณ อุณหภูมิห้องมีค่าประมาณ 10 Ω.m ดังนั้นจึงถือเป็นข้อพิสูจน์ได้อย่างสมเหตุสมผลว่ามีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์จริงในตัวนำยวดยิ่ง นอกจากนี้กระแสยืนยงจะมีอยู่ได้เมื่อค่าของกระแสมีค่าที่ต่ำกว่าค่ากระแสค่าหนึ่งเท่านั้นและถ้ากระแสที่ไหลผ่านมีค่าสูงกว่าค่านี้แล้วจะทำให้สภาพนำยวดยิ่งถูกทำลายกลายสภาพเป็นตัวนำปกติได้ทันที เรียกกระแสที่ทำลายสภาพนำยวดยิ่งนี้ว่า กระแสวิกฤต (Critical Current, J) ค่ากระแสนี้ มีค่าไม่เท่ากันขึ้นกับตัวนำยวดยิ่งแต่ละชนิด
ในปี พ.ศ. 2476 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อไมส์เนอร์ และโอเซนฟิลด์ (Meissner& Ochsenfeld. 1933) ได้ทำการทดลองและพบว่าเมื่อตัวนำยวดยิ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตแล้วให้สนามแม่เหล็กภายนอกกับตัวนำยวดยิ่งนี้ ตัวนำยวดยิ่งจะไม่ยอมให้สนามแม่เหล็กพุ่งผ่านเข้าไปในเนื้อได้เลยและยังผลักสนามแม่เหล็กออกอีกด้วย จึงเรียก ปรากฏการณ์นี้ว่า ปรากฏการณ์ไมส์เนอร์และโอเซนฟิลด์ ต่อมาเรียกสั้นๆ ว่าปรากฏการณ์ไมส์เนอร์

ปรากฏการณ์ไมส์เนอร์เป็นปรากฏการณ์ที่นิยมใช้ในการทดสอบว่าสารมีสภาพนำยวดยิ่งซึ่งเกิดขึ้น จากการให้สนามแม่เหล็กภายนอกเข้าไปในขณะที่สารมีสภาพนำยวดยิ่ง สนามแม่เหล็กภายนอกทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ผิวของตัวนำยวดยิ่งและกระแสไฟฟ้าดังกล่าวจะสร้างสนามแม่เหล็กที่มีขนาดเท่ากันแต่มีทิศตรงข้ามกับสนามแม่เหล็กที่ให้เข้าไปจึงทำให้สนามแม่เหล็กภายในของสารนั้นมีค่าเป็นศูนย์
จากปรากฏการณ์ข้างต้นจึงจัดว่าตัวนำยวดยิ่งมีคุณสมบัติเป็นสารแม่เหล็กไดอาแบบสมบูรณ์ (Perfect Diamagnetic) การค้นหาสมบัติยังคงมีอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งในปี พ.ศ. 2498 เดเวอร์และแฟร์แบงค์ (Deaver & Fairbank. 1961) ได้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติทางไฟฟ้าและสมบัติทางแม่เหล็กของตัวนำยวดยิ่งอีกประการหนึ่ง เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า ฟลักซ์แม่เหล็กแบบ ควอนไทด์เซชัน (Flux Quantization) โดยการนำตัวนำยวดยิ่งมาทำเป็นรูปวงแหวนและให้สนามแม่เหล็กเข้าไป ตัวนำยวดยิ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤต สนามแม่เหล็กจะสามารถพุ่งผ่านตัวนำยวดยิ่งได้และถ้าลดอุณหภูมิของวงแหวนให้ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตแล้วให้สนามแม่เหล็กเข้าไปอีกครั้ง สนามแม่เหล็กดังกล่าวจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำไหลวนในวงแหวนและจะสร้างสนามแม่เหล็กพุ่งผ่านตรงช่องว่างของวงแหวน
เป็นปรากฏการณ์จากการทดลองหาความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิวิกฤต (Tc) กับมวลไอโซโทป (M) ค่าต่างๆของตัวนำยวดยิ่ง พบว่าสามารถเขียนความสัมพันธ์ได้ดังสมาการ

เมื่อ α คือค่าคงตัวของไอโซโทป
และต่อมาเมื่อทำการทดลองกับสารอื่นจะพบว่ามีสัมประสิทธิ์ของไอโซโทปตามตารางที่ 1.1 ดังนี้