สภาพนำยวดยิ่ง

สภาพนำยวดยิ่ง () 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, "J") 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 NbG 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, T) ลดลง
โดยความเข้มข้นของสารเจือประเภทแม่เหล็กจะมีค่าหนึ่งที่ทำให้ T ลดลงจนกลายเป็นศูนย์ และความเข้มข้นอีกค่าหนึ่งทำให้ช่องว่างพลังงานมีค่าเป็นศูนย์ด้วย

การค้นพบตัวนำยวดยิ่งในกลุ่มธาตุหายาก (Rare-earth, RE) เช่น สารประกอบ REMoX (X=S หรือ Se) และ XRhB (X=Y,TH หรือ RE)

ในปี ค.ศ. 1975-1977 ได้มีการศึกษาผลของการอยู่รวมกันของสภาพนำยวดยิ่งกับสภาพความเป็นแม่เหล็ก โดยในสารประกอบ HoMoX จะมี T ≈ 1.8 เคลวิน แต่ที่ T = 0.7 เคลวิน 
ซึ่งสารจะกลับเป็นสภาพปกติ และมี Tm เป็นจุดเปลี่ยนของสภาพนำยวดยิ่งกับสภาพแม่เหล็ก และในสารประกอบ REMoX จะมี T ≈ Tm
จากการทดลองในกรณีสารประกอบ ErRhB และ HoMoX พบว่าที่อุณหภูมิต่ำกว่า T จะมีสภาพนำยวดยิ่งอยู่รวมกับสภาพแม่เหล็กเฟอร์โร (ferromagnetism)
และในสารประกอบ ErMoS และ SmRhB จะพบการอยู่รวมกันของสภาพนำยวดยิ่งกับสภาพแม่เหล็กแอนติเฟอร์โร (antiferromagnetism)

4. โลหะอิเล็กตรอนหนัก (Heavy-Electron Metal)

สามารถพบได้ในสารประกอบ UBe (T = 0.85 เคลวิน) CeCuSi (T = 0.65 เคลวิน) และ UPt (T = 0.54เคลวิน) โดยมีสมบัติคือ ความจุความร้อนที่อุณหภูมิต่ำจะมีค่ามากกว่าของดลหะปกติถึง 2 ถึง 3 เท่า โดยเกิดจากอิเล็กตรอนชั้นเอฟ (f-electron) ความจุความร้อนจำเพาะของอิเล็กตรอนที่สถานะปกติ (Cen) จะมี Cen แปรผันตรงตาม N (Ef) และแปรผันตรงตาม m^*^3/2 เมื่อ N (E) คือ ความหนาแน่นสถานะที่ผิวเฟอร์มิ และ m^* คือ มวลยังผล เนื่องจากสารเหล่านี้มีค่า Cen มาก ดังนั้น m^* ของสารเหล่านี้จึงมีค่ามากด้วย ทำให้ถูกเรียกว่า " อิเล็กตรอนหนัก " ในสาร NbBeB USn และ UCd นอกจากเป็นอิเล็กตรอนหนักแล้ว ยังพบสมบัติการเป็นแม่เหล็กด้วย

มีการค้นพบพวกตัวนำยวดยิ่งอิเล็กตรอนหนัก ไม่เป็นสปินแบบซิงเลต ไม่ขึ้นกับทิศทาง ไม่เป็นตัวนำยวดยิ่งแบบคลื่นเอส และอธิบายด้วยทฤษฎีบีซีเอส ไม่ได้ โดยพบว่ากลไกการเกิดสภาพนำยวดยิ่ง อาจจะไม่เกิดจากอันตรกิริยาอิเล็กตรอนกับโฟนอน ในบางครั้งตัวนำยวดยิ่งประเภทนี้อาจถูกเรียกว่า ตัวนำยวดยิ่งกลุ่มเฟอร์มิออนหนัก

5. ตัวนำยวดยิ่งแบบออกไซด์

สารประกอบตัวแรกที่มีการค้นพบคือ SrTiO ในปี 1965 โดยมีอุณหภูมิวิกฤตค่อนข้างต่ำและในปี 1986 คือ Ba(PbB)O ที่มี T = 13 เคลวิน ที่ x = 0.25 จากการทดลองในปี 1988 พบว่าสารประกอบออกไซด์กลุ่มนี้ที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงที่สุดคือ (KBa)BiO มี T ≈ 30 เคลวิน ซึ่งมีโครงสร้างแบบเฟอร์รอฟสไกป์เช่นเดียวกับตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ท แต่มีอุณหภูมิวิกฤตที่ต่ำกว่ามากเรียกตัวนำยวดยิ่งนี้ว่า ตัวนำยวดยิ่งออกไซด์แบบเดิม

ตัวนำยวดยิ่งที่ค้นพบล่าสุดคือตัวนำยวดยิ่งที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบซึ่งมีเหล็กออกไซด์เป็นองค์ประกอบหลัก เช่น LaFePO และ LaFeAsO ที่มีการเจือฟลูออรีนแสดงสมบัติการเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณภูมิ 4 เคลวิน และ 26 เคลวิน ตามลำดับ โดยมีค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่สองและกระแสไฟฟ้าวิกฤตที่สูงมากทำให้เป็นตัวนำยวดยิ่งที่ได้รับความสนใจเป็นอย่างมากในปัจจุบัน

ในสภาวะนำยวดยิ่งเมื่อทำการทดลองวัดค่าเอนโทรปี (entropy) จะพบว่ามีค่าลดลงอย่างเห็นได้ชัด การลดลงของเอนโทรปีเมื่อเปรียบเทียบระหว่างสภาวะปกติกับสภาวะนำยวดยิ่งทำให้ทราบว่า
สภาวะนำยวดยิ่งมีความเป็นระเบียบของอิเล็กตรอนมากกว่าในสภาวะปกติ โดยในโลหะทั่วไป ความจุความร้อน (C ) มีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิตามสมการ

เมื่อ γT คือ เทอมที่เกิดมาจากความไม่สมบูรณ์ของผลึก
เมื่อ γ และ A เป็นค่าคงตัวที่ขึ้นกับชนิดของสสาร

เมื่อ a,b,α คือ ค่าคงตัวที่ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ