การเดินทางของการสร้างตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิห้อง ตอนที่ 1

12-03-2021 อ่าน 4,009
 
          ในปัจจุบัน การพัฒนาเทคโลโนยีของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น ตัวเก็บประจุ ตัวต้านทาน สารกึ่งตัวนำและอื่นๆ กลายมาเป็นส่วนประกอบสำคัญของ สมาร์ทโฟน คอมพิวเตอร์และอื่นๆ ซึ่งเป็นสิ่งที่มีบทบาทในชีวิตประจำวัน เกิดจากการค้นพบและการประยุกต์จากนักวิทยาศาสตร์ในแต่ละยุคแต่ละสมัยได้คบคิดวิเคราะห์และทดลอง เพื่อให้ได้วัสดุที่เรียกได้ว่าเป็นความฝันอาจเกิดขึ้นได้จริง หนึ่งในวัสดุนั้น คือ ตัวนำยวดยิ่ง (superconductor) ซึ่งเป็นวัสดุที่มีความต้านทานทางไฟฟ้าเป็นศูนย์ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าปริมาณมากสามารถไหลผ่านได้โดยไม่มีการสูญเสียพลังงาน (ความร้อน) จากสมบัติที่กล่าวมานี้แสดงให้เห็นว่า ตัวนำยวดยิ่ง จึงเป็นวัสดุสำคัญที่เปลี่ยนแปลงมนุษยชาติได้อย่างชัดเจน แต่การได้มาก็ไม่ใช่เรื่องง่าย เรื่องราวการค้นพบและพัฒนาตัวนำยวดยิ่งก็เปรียบเสมือนการเดินทางไกลและยาวนาน
 

                 รูปที่ 1 (A). แม่เหล็กกำลังลอยตัวอยู่เหนือตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง Y123 แหล่งอ้างอิงที่ [1], 
รูปที่ 1 (B). ความต้านทานของปรอทเป็นศูนย์เมื่อมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต

 
          เรื่องราวเริ่มขึ้นในปี 1908 ไฮค์ คาเมอร์ลิงค์ ออนเนส (Heike Kamerlingh Onnes) เป็นคนแรกที่สามารถทำฮีเลียมเหลวได้และสามารถลดอุณหภูมิได้ต่ถึง 0.9 K (เคลวิน) ต่อมาในปี 1911 ออนเนส ได้ค้นพบว่า เมื่อลดอุณหภูมิปรอทบริสุทธิ์ให้ต่ำกว่า 4.2 K ความต้านทานทางไฟฟ้าของปรอทมีค่าเป็นศูนย์ จากปรากฏการณ์นี้ออนเนสจึงเรียก สารที่แสดงสภาพไร้ความต้านทาน เรียกว่า สภาพนำยวดยิ่ง (superconductivity) ส่วนค่าอุณหภูมิที่ทำให้เกิดสภาพนำยวดยิ่ง เรียกว่า อุณหภูมิวิกฤต (critical temperature, Tc) ดังรูปที่ 1(B)  ในปี 1913 ออนเนสพบว่า เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัสดุสภาพนำยวดยิ่งสูงเกินค่าหนึ่ง วัสดุนั้นจะกลายสภาพเป็นตัวนำปกติและในปี 1914 ออนเนสก็พบว่า สนามแม่เหล็กภายนอกก็สามารถทำลายสภาพนำยวดยิ่งได้ เมื่อสนามแม่เหล็กมีค่ามากกว่าค่าสนามแม่เหล็กวิกฤต (critical magnetic field, Hc) 


รูปที่ 2 ปรากฏการณ์ไมสเนอร์ (Meissner effect) (A) ตัวนำยวดยิ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤตจึงเป็นตัวนำปกติ สนามแม่เหล็กภายนอกจะสามารถพุ่งผ่านเนื้อตัวนำยวดยิ่ง (B) ตัวนำยวดยิ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตเมื่อใส่สนามแม่เหล็กภายนอกจะไม่สามารถพุ่งผ่านเข้าไปในตัวนำยวดยิ่ง


          ในปี 1933 วอลเธอร์ ไมสเนอร์ (Walther Meissner) และ โรเบิร์ต โอเชนเฟลด์ (Robert Ochsenfeld) ได้พบสมบัติสำคัญของตัวนำยวดยิ่ง ถ้าตัวนำยวดยิ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤตจึงเป็นตัวนำปกติ \((T>T_c)\) สนามแม่เหล็กภายนอกจะสามารถพุ่งผ่านเนื้อตัวนำยวดยิ่ง ดังรูปที่ 2 (A)  แต่ถ้าตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต  \((T<\,T_c)\) เมื่อใส่สนามแม่เหล็กภายนอกจะไม่สามารถพุ่งผ่านเข้าไปในตัวนำยวดยิ่ง ดังรูปที่ 2 (B) เรียกปรากฏการณ์เหล่านี้ว่า ปรากฏการณ์ไมสเนอร์ (Meissner effect) ทฤษฏีทางฟิสิกส์ที่นำมาอธิบายปราการณ์นี้ได้เริ่มต้นโดยสองพี่น้องตระกูลลอนดอนได้จำลองการไหลกระแสไฟฟ้าในตัวนำยวดยิ่งเป็นซูเปอร์อิเล็กตรอนที่มีสมบัติของไหลที่กำหนดให้ บีบอัดไม่ได้ (incompressible) และไม่มีความหนืด (non-viscous) ทำให้ได้สมการลอนดอน (London equation) ซี่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นกระแสกับสนามแม่เหล็ก พบว่า สนามแม่เหล็กทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลวนบนพื้นผิวของตัวนำยวดยิ่งซึ่งช่วยการอธิบายปรากฏการณ์ไมส์เนอร์ นอกจากนี้ยังสามารถหาค่าความลึกซาบซึม (penetration depth) ที่สนามแม่เหล็กสามารถซาบซึมผ่านเข้าไปในตัวเนื้อของตัวนำยวดยิ่งได้ลึกเท่าใด ในปี 1950 กินซ์เบิร์ก (Ginzburg) และ แลนดาว (Landau) ได้พัฒนาแบบจำลองของไหลสองส่วน (two-fluid model) เพื่ออธิบายสภาพนำยวดยิ่งโดยมองอิเล็กตรอนภายในวัสดุตัวนำจะแสดงพฤติกรรมแบบของไหลโดยนำเสนอผ่านฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนโดยมีเงื่อนไข 2 ส่วน คือ เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต \((T<\,T_c)\) ตัวนำจะแสดงสภาพนำยวดยิ่ง เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต \((T>T_c)\)  ตัวนำจะไม่แสดงสภาพตัวนำยวดยิ่ง หลังจากผ่านการพัฒนามาเป็นเวลาประมาณ 15 ปี จากนักฟิสิกส์หลายๆ คน ทฤษฏีนี้จึงเป็นที่รู้จักกันในชื่อว่า กินซ์เบิร์ก-แลนดาว (Ginzburg-Landau theory) ซึ่งสามารถแบ่งประเภทของตัวนำยวดยิ่งได้ออกมาเป็น 2 ประเภท คือ
                           

          1. ตัวนำยวดยิ่งประเภทที่หนึ่ง (Type I superconductor) เมื่ออยู่ภายใต้อุณหภูมิหรือสนามแม่เหล็กภายนอกมีค่าสูงมากๆ จะสามารถทำลายสภาพนำยวดยิ่งได้ ถ้าควบคุมอุณหภูมิของตัวนำยวดยิ่งให้ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตทำให้เกิดปรากฏการณ์ไมส์เนอร์ สนามแม่เหล็กภายในมีค่าเป็นศูนย์เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกน้อยกว่าค่าสนามแม่เหล็กวิกฤต แต่เมื่อเพิ่มสนามแม่เหล็กภายนอกให้มากกว่าค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตทำให้สนามแม่เหล็กภายนอกสามารถทะลุผ่านตัวนำได้ ดังรูปที่ 3 (A)


          2. ตัวนำยวดยิ่งประเภทที่สอง (Type II superconductor) เมื่อควบคุมอุณหภูมิของตัวนำยวดยิ่งนี้ให้ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตจึงเกิดสภาพนำยวดยิ่ง เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกน้อยกว่าสนามแม่เหล็กที่หนึ่ง \((H<H_{c1})\) ตัวนำยวดยิ่งจะแสดงปรากกฏการณ์ไมสเนอร์แบบสมบูรณ์ เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกมากกว่าสนามแม่เหล็กที่สอง \((H>H_{c2})\) ตัวนำยวดยิ่งจะแสดงสภาพนำปกติ แต่เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกอยู่ในช่วง \(H_{C1}<H<H_{C2}\) ตัวนำยิ่งยวดจะอยู่ในสถานะผสมระหว่างสภาพนำยวดยิ่งและสภาพนำปกติ ฟลักซ์แม่เหล็กบางส่วนสามารถไหลผ่านได้ ดังรูปที่ 3 (B) 



  รูปที่ 3 (A). พฤติกรรมสนามแม่เหล็กภายในตัวนำยวดยิ่งประเภทที่ 1 กับสนามแม่เหล็กภายนอก, 
รูปที่ 3 (B). พฤติกรรมสนามแม่เหล็กภายในตัวนำยวดยิ่งประเภทที่ 2 กับสนามแม่เหล็กภายนอก

 
          สมการลอนดอนและทฤษฏีกินซ์เบิร์ก-แลนดาวเกิดจากการพิจารณาสมบัติต่างๆของตัวนำยวดยิ่งที่วัดได้และตั้งสมมติฐานมาเป็นสมการ จึงจัดเป็นแนวทางทฤษฏีตัวนำยิ่งยวดแบบมหภาค โดยสมการเหล่านี้สามารถช่วยในการอธิบายพฤติกรรมที่เกิดขึ้นเมื่อตัวนำยิ่งยวดอยู่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กได้เป็นอย่างดีอีกหนึ่งแนวทางเป็นทฤษฏีตัวนำยวดยิ่งแบบจุลภาค โดยทฤษฏีที่โด่งดัง คือ ทฤษฏี BCS (BCS theory) นำเสนอในปี 1957 โดย บาร์ดีน คูเปอร์และชรีฟเฟอร์ (Bardeen, Cooper and Schrieffer) ซึ่งเริ่มต้นจากกลไกที่เล็กมากๆ คือ อันตรกิริยาระหว่างคู่อิเล็กตรอนที่เกิดจากอิเล็กตรอนอนุภาคแรกดึงดูดอิเล็กตรอนอนุภาคหลังโดยมีแลตทิซ (lattice) ทำหน้าที่เป็นตัวกลางซึ่งมีการสั่นอยู่ตลอดเวลา นักฟิสิกส์เรียกแลตทิซที่มีการสั่นแบบนี้ว่า โฟนอน (Phonon) ส่วนคู่อิเล็กตรอนเรียกว่า คู่คูเปอร์ (Cooper pair) ผลจากการวิเคราะห์สมการที่ได้จากทฤษฏีนี้สามารถอธิบายสมบัติหลายอย่างของตัวนำยวดยิ่ง เช่น อุณหภูมิวิกฤต ช่องว่างพลังงาน สัมประสิทธิ์ของไอโซโทป ความจุความร้อน ซึ่งสอดคล้องกับผลการทดลอง จากทฤษฏี BCS ได้คาดว่า ตัวนำยิ่งยวดน่าจะมีอุณหภูมิวิกฤตไม่เกิน 35 K ความท้าทายในการสร้างตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง 298 K (25 ℃) ซึ่งเป็นเรื่องที่อาจไกลเกินเอื้อม                      



รูปที่ 3 (A) โครงสร้างแบบเพอร์โรฟสไกป์ของ Y-Ba-Cu-O แหล่งอ้างอิงที่ [3], 
รูปที่ 3 (B) รถไฟฟ้าแมกเลฟ (MagLev) ของประเทศญี่ปุ่น แหล่งอ้างอิงที่ [4]


          ในเวลาอีก 29 ปีต่อมา เบนนอร์ซ (Bednorz) และ มูลเลอร์ (Muller) ได้เตรียมสาร Ba-La-Cu-O ที่มีอุณหภูมิ 35 K ที่เป็นขีดจำกัดจากทฤษฏี BCS โดยพวกเขาได้เตรียมสารด้วยวิธีปฏิกิริยาของของแข็งซึ่งเกิดชั้นของโครงสร้างแบบเพอร์โรฟสไกป์ (Perovskites structure) ต่อมาโครงสร้างนี้จึงเป็นเงื่อนไขสำคัญของการเกิดสภาพนำยวดยิ่งในสารกลุ่มนี้ จากนั้นในปี 1987 พอล ชู (Paul Chu) และทีมงานสามารถทดลองตัวนำยวดยิ่ง Ba-La-Cu-O สามารถมีอุณหภูมิวิกฤตเพิ่มขึ้นจาก 35 K ไปเป็น 50 K ได้ภายใต้การเพิ่มความดันเข้าไปและอีกหนึ่งก้าวกระโดดในใหญ่ในปีเดียวกัน คือ ชูได้เปลี่ยนสารประกอบจาก La ไปเป็น Y ที่มีขนาดอะตอมเล็กกว่า La ซึ่งได้สารประกอบตัวนำยวดยิ่งใหม่เป็น Y-Ba-Cu-O ที่มีอุณหภูมิวิกฤตไปถึง 92 K ทำให้เกิดปรากฎการณ์ยิ่งใหญ่เกี่ยวกับตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง (High temperature superconductors) อย่างงานประชุมที่ในปัจจุบันเรียกว่า Woodstock of physics ซึ่งมีคนมาร่วมงานอย่างมากมายเหมือนกับงานคอนเสิร์ตเมือง Woodstock หลังจากนั้นจึงมีการพัฒนาตัวนำยวดยิ่งให้อุณหภูมิวิกฤตสูงขึ้นเรื่อยๆ แต่ก็ไม่ได้สูงไปมากกว่านี้มากนัก แต่ก็เพียงพอสำหรับการประยุกต์ใช้ในเทคโลโนยีชั้นนำได้มากขึ้น การพัฒนาวิจัย รถไฟฟ้าแมกเลฟ (MagLev) ซึ่งย่อมาจาก magnetic levitation เป็นรถไฟฟ้าที่มีความเร็วสูงโดยอาศัยหลักการยกตัวให้ลอยเหนือรางจากลนามแม่เหล็กของตัวนำยวดยิ่ง เพื่อทำให้ไม่มีแรงเสียดทานเนื่องจากการสัมผัสกัน ในปี 2015 รถไฟฟ้าแมกเลฟของ JR Central L0 ประเทศญี่ปุ่น ดังรูปที่ 3 (B) สามารถทำความเร็วสูงสุด 603 km/hr ส่วนในการพัฒนาทางการแพทย์ที่ใช้ตัวนำยวดยิ่ง คือ เครื่อง MRI ซึ่งย่อมาจาก Magnetic Resonance Imaging โดยเป็นเครื่องตรวจร่างกายจากการสร้างภาพเสมือนจริงได้ทั้งร่างกายโดยใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูงจากตัวนำยวดยิ่ง นอกจากการสร้างแม่เหล็กความเข้มสูงตัวนำยวดยิ่งยังสามารถตรวจจับสนามแม่เหล็กที่มีค่าต่ำมากๆ ได้ถึง \(5×10^{-18}\) เทสล่า นั่นคือ เครื่อง SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) การพัฒนาตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง Y-Ba-Cu-O มาทำ SQUID ซึ่งมีข้อดีในการใช้งานและค่าใช้จ่ายที่ถูกลงมากยิ่งขึ้น การเดินทางนี้ได้มาเพียงของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงโดยใช้การลดอุณหภูมิให้ถึงอุณหภูมิวิกฤต แต่ด้วยเพียงอุณหภูมินั้นยังไม่พอ ในตอนหน้าจะกล่าวถึงการพัฒนาตัวนำยวดยิ่งโดยใช้ความดัน เพื่อช่วยในการสร้างตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิห้อง (room temperature superconductor) 

 
บทความโดย

ดร. ธีระวัฒน์ ชัชวาลธีรัตต์
 
ผู้ช่วยงานวิจัย ภาคฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

รศ. ดร. พงษ์แก้ว อุดมสมุทรหิรัญ

อาจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ


 
อ้างอิง
 
  • [1] หนังสือ ตัวนำยวดยิ่งพื้นฐาน, รองศาสตราจารย์ ดร.พงษ์แก้ว อุดมสมุทรหิรัญ จัดพิมพ์โดยสำนักพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย พิมพ์ครั้งที่ 1 พ.ศ. 2559 ISBN 9789740335221
  • [2] Kittel, C. (2004). Introduction to solid state physics (8th ed.). John Wiley & Sons.
  • [3] Chemistry 10th Edition Steven S. Zumdahl + 2 others Publisher: Cengage Learning
  • ISBN: 9781305957404
  • [4] https://en.wikipedia.org/wiki/L0_Series#/media/File:Series_L0.JPG
  • [5] https://en.wikipedia.org/wiki/Woodstock_of_physics
บทความฟิสิกส์ล่าสุด
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์บรรลุความแม่นยำระดับที่ไม่เคยมีมาก่อนในการศึกษาการแกว่งของนิวทริโน 20-08-2024
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 4 19-07-2024
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 3 04-03-2024
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 2 29-02-2024
สมาคมฟิสิกส์ไทย
ติดตามเรา