สภาพนำยวดยิ่ง

สภาพนำยวดยิ่ง (อังกฤษ: superconductivity) เป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่เกิดขึ้นกับวัสดุบางชนิด ณ อุณหภูมิที่ต่ำมาก จะมีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ และไม่มีสนามแม่เหล็กภายในวัสดุนั้น และเรียกสารที่มีสมบัติเช่นนี้ว่าตัวนำยวดยิ่ง (superconductor)

แม่เหล็กกำลังลอยตัวอยู่เหนือตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง

แม่เหล็กกำลังลอยตัวอยู่เหนือตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง Y123

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

สมบัติ

สมบัติของตัวนำยวดยิ่ง มีหลายประการ เช่น ความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ ปรากฏการณ์ไมสเนอร์ ปรากฏการณ์ไอโซโทป การกระโดดของค่า ความร้อนจำเพาะ ปรากฏการโจเซฟซัน ช่องว่างพลังงาน พีคโคเฮียเรนซ์

ตัวนำยวดยิ่งแบบต่าง ๆ มีหลายประเภท ได้มีการแบ่งประเภทตามเงื่อนไขต่างกันทำให้ได้ชื่อเรียกต่าง ๆ กันเช่นเดียวกัน มีการนำเสนอการแบ่งประเภทไว้ อาทิ และ เป็นต้น

เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำยวดยิ่ง ตัวนำยวดยิ่งก็จะยังคงอยู่ในสภาพนำยวดยิ่งได้ และความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าไหลผ่านมีค่าต่ำกว่าค่า ๆ หนึ่ง และเมื่อความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านมีค่าสูงกว่าค่านี้แล้ว วัสดุจะกลายสภาพเป็นตัวนำปกติทันที จึงเรียกความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าค่านี้ว่า "ความหนาแน่นกระแสวิกฤต" (Critical current density, J_c) ซึ่งปริมาณนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ กล่าวคือ ความหนาแน่นกระแสวิกฤตจะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลง

การแบ่งประเภทตามสารประกอบ

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 Nb₃G_e 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 ปัจจุบันตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงเป็นที่สนใจของนกวิจัยทั่วโลกเนื่องจากมีสมบัติที่สามารถนำมาใช้งานได้ง่ายกว่าตัวนำยวดยิ่งชนิดอื่น ๆ

3. ตัวนำยวดยิ่งที่เป็นแม่เหล็ก (Magnetic superconductors)

เนื่องจากแม่เหล็กภายนอกมีผลทำลายสภาพนำยวดยิ่งได้ แต่ในตัวนำยวดยิ่งบางประเภท คือ พวกตัวนำยวดยิ่งที่มีสารเจือประเภทแม่เหล็ก จะมีผลทำให้เกิดสภาพความเป็นแม่เหล็กขึ้นในโครงสร้าง ทำให้อุณหภูมิวิกฤตมีค่าลดลง นอกจากนี้ยังทำให้เกิดตัวนำยวดยิ่งที่เรียกว่าตัวนำยวดยิ่งแบบ Gapless โดยอบริกอซอฟและกอร์คอฟ ได้พิจารณาผลของการแลกเปลี่ยนสปิน (Spin-exchange) ของสารเจือประเภทแม่เหล็กที่ไม่เข้มข้น พบว่ามีผลทำให้อุณหภูมิวิกฤต (Critical Temperature, T_c) ลดลง โดยความเข้มข้นของสารเจือประเภทแม่เหล็กจะมีค่าหนึ่งที่ทำให้ T_c ลดลงจนกลายเป็นศูนย์ และความเข้มข้นอีกค่าหนึ่งทำให้ช่องว่างพลังงานมีค่าเป็นศูนย์ด้วย

การค้นพบตัวนำยวดยิ่งในกลุ่มธาตุหายาก (Rare-earth, RE) เช่น สารประกอบ REMo₆X₈ (X=S หรือ Se) และ XRh₄B₄ (X=Y,TH หรือ RE)

ในปี ค.ศ. 1975-1977 ได้มีการศึกษาผลของการอยู่รวมกันของสภาพนำยวดยิ่งกับสภาพความเป็นแม่เหล็ก โดยในสารประกอบ HoMo₆X⁸ จะมี T_c2 ≈ 1.8 เคลวิน แต่ที่ T_c2 = 0.7 เคลวิน ซึ่งสารจะกลับเป็นสภาพปกติ และมี Tm เป็นจุดเปลี่ยนของสภาพนำยวดยิ่งกับสภาพแม่เหล็ก และในสารประกอบ REMo₆X₈ จะมี T_c2 ≈ Tm จากการทดลองในกรณีสารประกอบ ErRh₄B₄ และ HoMo₆X₈ พบว่าที่อุณหภูมิต่ำกว่า T_c2 จะมีสภาพนำยวดยิ่งอยู่รวมกับ (ferromagnetism) และในสารประกอบ ErMo₆S₈ และ SmRh₄B₄ จะพบการอยู่รวมกันของสภาพนำยวดยิ่งกับ (antiferromagnetism)

4. โลหะอิเล็กตรอนหนัก (Heavy-Electron Metal)

สามารถพบได้ในสารประกอบ UBe₁₃ (T_c = 0.85 เคลวิน) CeCu₂Si₂ (T_c = 0.65 เคลวิน) และ UPt₃ (T_c = 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 U₂Sn₁₇ และ UCd₁₁ นอกจากเป็นอิเล็กตรอนหนักแล้ว ยังพบสมบัติการเป็นแม่เหล็กด้วย

มีการค้นพบพวกตัวนำยวดยิ่งอิเล็กตรอนหนัก ไม่เป็นสปินแบบซิงเลต ไม่ขึ้นกับทิศทาง ไม่เป็น และอธิบายด้วยทฤษฎีบีซีเอส ไม่ได้ โดยพบว่ากลไกการเกิดสภาพนำยวดยิ่ง อาจจะไม่เกิดจากอันตรกิริยาอิเล็กตรอนกับโฟนอน ในบางครั้งตัวนำยวดยิ่งประเภทนี้อาจถูกเรียกว่า

5. ตัวนำยวดยิ่งแบบออกไซด์

สารประกอบตัวแรกที่มีการค้นพบคือ SrTiO_3-x ในปี 1965 โดยมีอุณหภูมิวิกฤตค่อนข้างต่ำและในปี 1986 คือ Ba(Pb_1-xB_1x)O₃ ที่มี T_c = 13 เคลวิน ที่ x = 0.25 จากการทดลองในปี 1988 พบว่าสารประกอบออกไซด์กลุ่มนี้ที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงที่สุดคือ (K_0.4Ba_0.6)BiO₃ มี T_c ≈ 30 เคลวิน ซึ่งมีโครงสร้างแบบเฟอร์รอฟสไกป์เช่นเดียวกับตัวนำยวดยิ่งแบบคิวเพร์ท แต่มีอุณหภูมิวิกฤตที่ต่ำกว่ามากเรียกตัวนำยวดยิ่งนี้ว่า ตัวนำยวดยิ่งออกไซด์แบบเดิม

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

สมบัติเชิงความร้อน

ในสภาวะนำยวดยิ่งเมื่อทำการทดลองวัดค่าเอนโทรปี (entropy) จะพบว่ามีค่าลดลงอย่างเห็นได้ชัด การลดลงของเอนโทรปีเมื่อเปรียบเทียบระหว่างสภาวะปกติกับสภาวะนำยวดยิ่งทำให้ทราบว่า สภาวะนำยวดยิ่งมีความเป็นระเบียบของอิเล็กตรอนมากกว่าในสภาวะปกติ โดยในโลหะทั่วไป (C_v ) มีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิตามสมการ

C _v = γT + AT³

เมื่อ γT คือ เทอมที่เกิดมาจากความไม่สมบูรณ์ของผลึก

AT ³ คือ เทอมที่เกิดมาจากการสั่นของแลตทิซ (Lattice vibration) หรือมีโฟนอน (Phonon)

V _c คือ ความจุความร้อนที่ปริมาตรคงตัว

เมื่อ γ และ A เป็นค่าคงตัวที่ขึ้นกับชนิดของสสาร

สำหรับกรณีตัวนำยวดยิ่งตามทฤษฏีบีซีเอส จะมีความจุความร้อนเป็น

C _sαe^{-(Δk_b T)}

เมื่อ Δ คือ ช่องว่างพลังงาน และ k_B คือ ค่าคงตัวของโบลต์ซมันน์

หรือเขียนได้เป็น

C _s / αT_c = ae^-b(T_c/T)

เมื่อ a,b,α คือ ค่าคงตัวที่ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ

C _sคือ ความจุความร้อนของตัวนำยวดยิ่ง

ดูเพิ่ม

• in quarks
• High-temperature superconductivity
• Iron-based superconductor
• Magnetic levitation
• Room-temperature superconductor
• Technological applications of superconductivity
• Type-I superconductor
• Type-II superconductor
• BCS theory

อ้างอิง

1. Kittel C. (1991). Introduction to Solid state Physics. 6 ed. John Wiley & Sons.
2. Burns, 1992