วัสดุตัวนำยวดยิ่ง
การแบ่งประเภทตัวนำยวดยิ่งตามสารประกอบ

การแบ่งประเภทตัวนำยวดยิ่งตามสารประกอบเป็นการแบ่งประเภทของตัวนำยวดยิ่งโดยคำนึงถึงสารประกอบที่ทำให้เกิดตัวนำยวดยิ่ง ดังนั้นการแบ่งประเภทแบบนี้ส่วนใหญ่จึงเป็นการแบ่งประเภทโดยพิจารณาข้อมูลที่ได้จากการทดลอง แต่ก็มีบางส่วนที่ผลการคำนวณตามทฤษฎีสามารถอธิบายการทดลองได้ดี การเรียกชื่อจึงคำนึงถึงข้อมูลทางทฤษฎีมากกว่าการทดลอง ซึ่งการแบ่งประเภทของตัวนำยวดยิ่งตามชนิดของสารประกอบมีดังนี้
1. ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม
ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม (Conventional superconductors) เป็นตัวนำยวดยิ่งที่สามารถใช้ทฤษฎี BCS อธิบายได้ดี ตัวนำยวดยิ่งตัวแรกที่ค้นพบคือปรอทมีอุณหภูมิวิกฤต 4.15 เคลวิน ถูกค้นพบในปี 1911 โดยตัวนำยวดยิ่งในกลุ่มนี้ส่วนใหญ่เป็นธาตุและสารประกอบ เช่น Al มีอุณหภูมิวิกฤต 1.19 เคลวิน, Nb มีอุณหภูมิวิกฤต 9.2 เคลวิน สารประกอบ เช่น CuS มีอุณหภูมิวิกฤต 1.6 เคลวิน โดยสารประกอบที่มีอุณหภูมิวิกฤติสูงสุดคือ Nb3Ge คือมีอุณหภูมิวิกฤต 23.2 เคลวิน
2. ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง
นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ความพยายามในการสังเคราะห์ตัวนำยวดยิ่งให้มีอุณหภูมิวิกฤตสูงขึ้นโดยใช้เวลาถึง 75 ปี คือตั้งแต่ปี 1911 จนถึงปี 1986 จึงจะสามารถค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้ครั้งแรกในปี 1986 โดยเบทนอร์ซและมูลเลอร์ ในสารประกอบ Ba-La-Cu-O ซึ่งต่อมามีการค้นพบในสารประกอบ Y-Ba-Cu-O และสารประกอบอีกหลายกลุ่มโดยมีองค์ประกอบสำคัญคือระนาบของคอปเปอร์ออกไซด์และมีลักษณะเด่นอีกอย่างหนึ่งคือตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้จะมีอุณหภูมิวิกฤตที่สูงมากกว่า 35 เคลวิน ซึ่งเกินขอบเขตของตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมตามทฤษฎี BCS ดังนั้น ตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้จึงถูกเรียกว่า ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง และเนื่องจากคอปเปอร์ออกไซด์เป็นองค์ประกอบหลักที่สำคัญของสภาพนำยวดยิ่ง ดังนั้น ในบางครั้งจึงถูกเรียกว่า ตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ท ปัจจุบันตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงกำลังเป็นที่สนใจศึกษาของนักวิจัยทั่วโลกเนื่องจากมีสมบัติที่สามารถนำมาประยุกต์ใช้งานได้ง่ายกว่าตัวนำยวดยิ่งชนิดอื่นๆ อย่างไรก็ตามตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้ยังมีสมบัติหลายประการที่ไม่มีทฤษฎีใดสามารถอธิบายได้
3. ตัวนำยวดยิ่งแบบแม่เหล็ก
ตัวนำยวดยิ่งแบบแม่เหล็ก (Magnetic superconductors) นี้ เป็นตัวนำยวดยิ่งที่มีสมบัติเป็นทั้งสมบัติตัวนำยวดยิ่งและสมบัติทางแม่เหล็ก ตัวนำยวดยิ่งแบบนี้สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อตัวนำยวดยิ่งถูกเจือด้วยสารเจือแบบแม่เหล็ก จะมีผลทำให้เกิดสภาพความเป็นแม่เหล็กขึ้นในโครงสร้าง แต่เนื่องจากแม่เหล็กมีผลทำลายสภาพตัวนำยวดยิ่งได้ ดังนั้นจะทำให้อุณหภูมิวิกฤตมีค่าน้อยกว่าตัวนำยวดยิ่งแบบอื่น นอกจากนี้ยังทำให้เกิดตัวนำยวดยิ่งที่ไม่มีช่องว่างพลังงานได้ (Gapless superconductor) โดยเกิดขึ้นจากการประมาณทางทฤษฎีของอะบิโคซอฟและกอร์คอฟ (Gorkov) ในปี 1961 ทั้งสองได้พิจารณาผลของการแลกเปลี่ยนสปิน (Spin-exchange) ของสารเจือแบบแม่เหล็กที่ไม่เข้มข้นแล้วพบว่ามีผลทำให้อุณหภูมิวิกฤตลดลง โดยที่ความเข้มข้นของสารเจือแบบแม่เหล็กที่เหมาะสมค่าหนึ่งจะทำให้อุณหภูมิวิกฤตลดลงจนกลายเป็นศูนย์ได้และเมื่อความเข้มของสารเจือมีค่าที่เหมาะสมอีกค่าหนึ่งจะทำให้ช่องว่างพลังงานมีค่าเป็นศูนย์ได้ด้วย
การค้นพบตัวนำยวดยิ่งในกลุ่มธาตุโลหะหายาก (Rare-earth, RE) เช่น ในปี 1975-1977 ค้นพบสภาพในยวดยิ่งในสารประกอบเชวรอลเฟส (Chevrel-phase) ใน Re Mo6X8 (X = S หรือ Se) และใน XRh4B4 (X = Y ,Th หรือ RE) ทำให้มีการศึกษาผลของการอยู่รวมกันของสภาพตัวนำยวดยิ่งกับสภาพความเป็นแม่เหล็กมากขึ้น ในสารประกอบ HoMo6S8 จะเป็นตัวนำยวดยิ่งที่ Tc1  1.8 K แต่ที่ Tc2  0.7 K สารจะกลับเป็นสภาพปกติได้อีกครั้งทำให้ได้ชื่อว่า Reentrant superconductor และมี TM ซึ่งเป็นจุดเปลี่ยนของสภาพนำยวดยิ่งกับสภาพแม่เหล็ก สำหรับตัวนำยวดยิ่ง Re Mo6X8 จะมี Tc2  TM ตัวอย่างของสารประกอบกลุ่มนี้อีกตัวคือ ErRh4B4 จากการทดลองสำหรับ ErRh4B4 และ HoMo6S8 ที่อุณหภูมิต่ำกว่า Tc2 พบว่าสารจะอยู่ในสถานะที่มีสภาพนำยวดยิ่งอยู่ร่วมกันกับสภาพแม่เหล็กเฟร์โร (Ferromagnetic) และในสารประกอบ ErMo6S8 และ SmRh4B4 พบว่ามีสภาพนำยวดยิ่งอยู่รวมกับสภาพแม่เหล็กแอนไทเฟร์โร (Antiferromagnetic)
4. ตัวนำยวดยิ่งแบบออกไซด์
แม้ว่าการค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงในสารประกอบคอปเปอร์ออกไซด์ จะเป็นที่รู้จักกันอย่างกว้างขวาง แต่ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงไม่ใช่ตัวนำยวดยิ่งที่มีออกไซด์เป็นองค์ประกอบตัวแรกที่มีการค้นพบ โดยสารประกอบออกไซด์ตัวแรกที่มีการค้นพบ คือ Sr TiO3-x ในปี 1965 โดยมีอุณหภูมิวิกฤตที่ค่อนข้างต่ำ และในปี 1986 คือ Ba (Pb1-xB1x) O3 ที่มี Tc = 13 K ที่ x=0.25 จากการทดลองในปี 1988 พบว่าสารประกอบออกไซด์กลุ่มนี้ที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงที่สุดคือ (K0.4Ba0.6) BiO3 มี Tc  30 K ซึ่งมีโครงสร้างแบบเฟอร์รอฟสไกป์เช่นเดียวกับตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ท แต่มีอุณหภูมิวิกฤตที่ต่ำกว่ามาก เรียกตัวนำยวดยิ่งนี้ว่าตัวนำยวดยิ่งออกไซด์แบบเดิม (Earlier oxide superconductors) ซึ่งปัจจุบันยังไม่พบความสัมพันธ์กับตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ททำให้ไม่สามารถสรุปได้ว่า ทำไมสารประกอบออกไซด์กลุ่มคิวเพร์ทเท่านั้นที่ให้อุณหภูมิวิกฤตได้สูงที่สุดซึ่งสารประกอบออกไซด์ตัวอื่นไม่สามารถทำได้
ตัวนำยวดยิ่งแบบออกไซด์ที่ได้รับความสนใจอย่างมากในสารกลุ่มนี้คือ สตรอนเทียมรูเทอเนต (Sr2RuO4) ซึ่งถูกค้นพบในปี 1994 โดยเมียโน มีอุณหภูมิวิกฤต 1.5 เคลวิน พบว่าเป็นตัวนำยวดยิ่งแบบสปินทริปเลตมีโครงสร้างผลึกที่คล้ายกันตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ทแต่มีสมบัติที่แตกต่างกันมาก
ตัวนำยวดยิ่งที่มีการค้นพบล่าสุดคือตัวนำยวดยิ่งที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบซึ่งมีเหล็กออกไซด์เป็นองค์ประกอบลัก เช่น LaFePO และ LaFeAsO ที่มีการเจือฟลูออรีนแสดงสมบัติการเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิ 4 เคลวิน และ 26 เคลวิน ตามลำดับ โดยมีค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่สองและกระแสไฟฟ้าวิกฤตที่สูงมากทำให้เป็นตัวนำยวดยิ่งที่ได้รับความสนใจเป็นอย่างมากในปัจจุบัน
5. ตัวนำยวดยิ่งอิเล็กตรอนหนัก
เนื่องจากความจุความร้อนของอิเล็กตรอนในโลหะในสถานะปกติมีค่าขึ้นกับความหนาแน่นสถานะที่ผิวเฟอร์มิและมวลยังผล จากการทดลองพบว่าความจุความร้อนที่อุณหภูมิต่ำของสารเหล่านี้มีค่ามากกว่าของโลหะปกติถึง 2 หรือ 3 เท่า และยังพบว่าค่าความจุความร้อนนี้เป็นผลที่เกิดจากอิเล็กตรอนในชั้นเอฟ ซึ่งโลหะปกติมักจะเกิดจากอิเล็กตรอนในชั้นดี สารกลุ่มนี้มีมวลยังผลที่มีค่ามากๆ ทำไห้ถูกเรียกว่าตัวนำยวดยิ่งอิเล็กตรอนหนัก (Heavy-electron superconductors) และในบางครั้งก็เรียกว่า ตัวนำยวดยิ่งเฟอร์มิออนหนัก (Heavy-Fermion superconductors) พบได้ในสารประกอบ Ube13 (Tc = 0.85 K), CeCu2Si2  (Tc = 0.65 K) และ UPt3 (T3 = 0.54 K)
นอกจากที่มีอิเล็กตรอนมวลหนักแล้ว สารกลุ่มนี้บางชนิดยังมีสมบัติแม่เหล็กร่วมด้วย เช่น ในสาร NbBeB , U2Sn17 และ UCd11 และยังมีการพบว่าตัวนำยวดยิ่งอิเล็กตรอนหนักบางชนิดเป็นสถานะสปินซิงเกลตที่เป็นมีสมมาตรแบบคลื่นเอสด้วย แต่กลไกการเกิดสภาพนำยวดยิ่งไม่ได้เกิดจากอันตรกิริยาอิเล็กตรอนโฟนอนซึ่งมีการนำเสนอว่ากลไกการเกิดสภาพนำยวดยิ่งในการกลุ่มนี้อาจเกิดจากแมกนอน (Magnon) ก็ได้
6. ตัวนำยวดยิ่งแบบประกอบอินทรีย์
สารประกอบอินทรีย์ (Organic) ที่แสดงสมบัติเป็นตัวนำยวดยิ่งได้ ถูกค้นพบครั้งแรกในทศวรรษ 1980 โดยมีอุณหภูมิวิกฤตน้อยกว่า 1 เคลวิน ซึ่งกลไกการเกิดสภาพนำยวดยิ่งในสารประกอบอินทรีย์นี้เกิดจากการถ่ายเทประจุ (Charge transfer) ระหว่างโมเลกุลแคทไอออนของสารประกอบอินทรีย์ (Organic cation) กับแอนไอออนของสารที่ไม่ใช่สารประกอบอินทรีย์ (Anion) โดยมี  ออบิทอลในแคทไอออนทำให้เกิดการนำไฟฟ้าแบบโลหะขึ้น โครงสร้างหลักที่สำคัญในตัวนำยวดยิ่งแบบสารประกอบอินทรีย์ ถูกเรียกว่าบล็อกการสร้างของสารประกอบอินทรีย์ (Organic building block) หรือ bis (ethylenedioxy) Tetrathiafulvalene ซึ่งเขียนย่อว่า ET โดยในปี 1983 มีการค้นพบ (ET)2 ReO4 ที่มีอุณหภูมิวิกฤต 2.5 เคลวิน ซึ่งสูงมาก แล้วในปัจจุบันตัวนำยวดยิ่งประเภทนี้มีการค้นพบในสารประกอบ (ET)2 Cu [N(CN)2] Br มีอุณหภูมิวิกฤต 11.6 เคลวิน ทำให้แนวคิดเกี่ยวกับตัวนำยวดยิ่งแบบสารประกอบอินทรีย์ที่มีอุณหภูมิวิกฤตที่ต่ำมากๆ เปลี่ยนไป
ตัวนำยวดยิ่งแบบสารประกอบอินทรีย์เป็นตัวนำยวดยิ่งที่มีสมบัติที่หลากหลาย โดยจะมีสมบัติอย่างหนึ่งที่คล้ายคลึงกับตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ท คือ มีความไม่สมมาตรสูงมาก การนำไฟฟ้าเกิดขึ้นเฉพาะในบางทิศทางเท่านั้น และส่วนใหญ่จะเกิดการนำไฟฟ้าตามระนาบ แต่ก็มีสมบัติอีกหลายประการที่แตกต่าง เช่น ในโลหะปกติค่าของสเปกตรัมทางแสง (Optical spectrum) ที่แสดงว่าอัตราการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นของอิเล็กตรอนจะมีค่าขึ้นกับรากที่ 2 ของความถี่หรืออุณหภูมิ ซึ่งถูกเรียกว่าเป็น ของเหลวเฟอร์มิ (Fermi liquid) แต่สำหรับตัวนำยวดยิ่งแบบสารประกอบอินทรีย์ ผลการทดลองทางสเปกตรัมทางแสงสามารถสรุปได้ว่าอัตราการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นของอิเล็กตรอนมีค่าขึ้นกับความถี่และอุณหภูมิแบบเชิงเส้น ซึ่งก็พบในตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิบางชนิดด้วย บางครั้งจะเรียกว่าตัวนำยวดยิ่งที่มีสมบัติแบบนี้ว่า ตัวนำยวดยิ่งแบบไม่เป็นของเหลวเฟอร์มิ (Non-Fermi liquid superconductor) และในบางสารประกอบพบว่าค่าสัมประสิทธิ์ของไอโซโทปของตัวนำยวดยิ่งแบบสารประกอบอินทรีย์จะมีเครื่องหมายเป็นลบได้เมื่อมีองค์ประกอบที่เป็นไฮโดรเจนเปลี่ยนเป็นดิวเทอเรียมด