สภาพนำยวดยิ่ง

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
แม่เหล็กกำลังลอยตัวอยู่เหนือตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง

สภาพนำยวดยิ่ง (อังกฤษ: superconductivity) เป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่เกิดขึ้นกับวัสดุบางชนิด ณ อุณหภูมิที่ต่ำมาก จะมีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ และไม่มีสนามแม่เหล็กภายในวัสดุนั้น และเรียกสารที่มีสมบัติเช่นนี้ว่า ตัวนำยวดยิ่ง (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 ทั้งนี้ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมนี้สามารถใช้ทฤษฎี BCS อธิบายได้ สภาพนำยวดยิ่งเกิดขึ้นกับสสารหลายชนิด รวมไปถึงธาตุที่หาง่ายอย่างดีบุกและอะลูมิเนียมหรือวัสดุมีค่าอย่างอัลลอยและสารกึ่งตัวนำที่ถูกโดปอย่างหนักบางชนิดอีกด้วย สภาพนำยวดยิ่งจะไม่เกิดขึ้นในโลหะมีค่าอย่างทองคำหรือเงินหรือสารแม่เหล็กส่วนใหญ่ ในปัจจุบันตัวนำยวดยิ่งสามารถแบ่งได้ตามสมบัติแม่เหล็กได้เป็น 2 ชนิดคือ ตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 1 และตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 2[1]

ในปี 1986 มีการค้นพบตระกูลวัสดุเซรามิค cuprate-perovskite ที่รู้จักกันดีในชื่อของ ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง (High temperature superconductor) โดยมีอุณหภูมิวิกฤตประมาณ 90 เคลวิน อย่างไรก็ตามอุณหภูมินี้ก็สูงเพียงพอที่จะนำมาใช้งานโดยหล่อเย็นด้วยไนโตรเจนเหลว (77 เคลวิน) ที่มีราคาไม่แพงมากนัก ทำให้สารชนิดนี้เป็นที่น่าสนใจและนำมาสู่การวิจัยค้นคว้าสภาพนำยวดยิ่งกันอย่างแพร่หลาย สารชนิดนี้เป็นปรากฏการณ์ใหม่ที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีที่มีอยู่ในปัจจุบัน

สมบัติ[แก้]

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 จึกเรียกความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าค่านี้ว่า "ความหนาแน่นกระแสวิกฤต" (Critical current density, Jc) ซึ่งปริมาณนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ กล่าวคือ ความหนาแน่นกระแสวิกฤตจะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลง

การแบ่งประเภทตามสารประกอบ[แก้]

เมื่อใช้องค์ประกอบของสารประกอบในตัวนำยวดยิ่ง ในการแบ่งประเภทของตัวนำยวดยิ่ง ซึ่งเป็นการแบ่งประเภทโดยอิงกับข้อมูลจากการทดลองสามารถแบ่งได้ดังนี้

1.ตัวนำยวดยิ่งที่เป็นแม่เหล็ก

เนื่องจากแม่เหล็กภายนอกมีผลทำลายสภาพนำยวดยิ่งได้ แต่ในตัวนำยวดยิ่งบางประเภท คือ พวกตัวนำยวดยิ่งที่มีสารเจือประเภทแม่เหล็ก จะมีผลทำให้เกิดสภาพความเป็นแม่เหล็กขึ้นในโครงสร้าง ทำให้อุณหภูมิวิกฤตมีค่าลดลง นอกจากนี้ยังทำให้เกิดตัวนำยวดยิ่งที่เรียกว่า ตัวนำยวดยิ่งแบบ Gapless โดยอบริกอซอฟและกอร์คอฟ ได้พิจารณาผลของการแลกเปลี่ยนสปิน (Spin-exchange) ของสารเจือประเภทแม่เหล็กที่ไม่เข้มข้น พบว่ามีผลทำให้ Tc ลดลง โดยความเข้มข้นของสารเจือประเภทแม่เหล็กจะมีค่าหนึ่งที่ทำให้ Tc ลดลงจนกลายเป็นศูนย์ และความเข้มข้นอีกค่าหนึ่งทำให้ช่องว่างพลังงานมีค่าเป็นศูนย์ด้วย

การค้นพบตัวนำยวดยิ่งในกลุ่มธาตุแรเอิร์ธ (Rare-earth, RE) เช่น สารประกอบ REMo6X8 (X=S หรือ Se) และ XRh4B4 (X=Y1TH หรือ RE) ในปี ค.ศ. 1975-1977 ได้มีการศึกษาผลของการอยู่รวมกันของสภาพนำยวดยิ่งกับสภาพความเป็นแม่เหล็ก โดยในสารประกอบ HoMo6X8 จะมี Tc2 = 0.7 เคลวิน ซึ่งสารจะกลับเป็นสภาพปกติ ที่ Tc2 และมี Tm เป็นจุดเปลี่ยนของสภาพนำยวดยิ่งกับสภาพแม่เหล็ก และในสารประกอบ REMo6X8 จะมี Tc2 ≈ Tm จากการทดลองในกรณีสารประกอบ ErRh4B4 และ HoMo6X8 พบว่าที่อุณหภูมิต่ำกว่า Tc2 จะมีสภาพนำยวดยิ่งอยู่รวมกับสภาพแม่เหล็กเฟร์โร และในสารประกอบ ErMo6S8 และ SmRh4B4 จะพบการอยู่รวมกันของสภาพนำยวดยิ่งกับสภาพแม่เหล็กแอนติเฟร์โร

2.โลหะอิเล็กตรอนหนัก (Heavy-Electron Metal)

สามารถพบได้ในสารประกอบ UB13 (Tc = 0.85 เคลวิน) CeCu2Si2 (Tc = 0.65 เคลวิน) และ UPt3 (Tc = 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 NbBe13 U2Sn17 และ UCd11 นอกจากเป็นอิเล็กตรอนหนักแล้ว ยังพบสมบัติการเป็นแม่เหล็กด้วย

มีการค้นพบพวกตัวนำยวดยิ่งอิเล็กตรอนหนัก ไม่เป็นสปินแบบซิงเลต ไม่ขึ้นกับทิศทาง ไม่เป็นตัวนำยวดยิ่งแบบคลื่นเอส และอธิบายด้วยทฤษฎี BCS ไม่ได้ โดยพบว่ากลไกการเกิดสภาพนำยวดยิ่ง อาจจะไม่เกิดจากอันตรกิริยาอิเล็กตรอนกับโฟนอน ในบางครั้งตัวนำยวดยิ่งประเภทนี้อาจถูกเรียกว่า ตัวนำยวดยิ่งกลุ่มเฟอร์มิออนหนัก

สมบัติเชิงความร้อน[แก้]

ในสภาวะนำยวดยิ่งเมื่อทำการทดลองวัดค่าเอนโทรปี (Entropy) จะพบว่ามีค่าลดลงอย่างเห็นได้ชัด การลดลงของเอนโทรปีเมื่อเปรียบเทียบระหว่างสภาวะปกติกับสภาวะนำยวดยิ่งทำให้ทราบว่า สภาวะนำยวดยิ่งมีความเป็นระเบียบของอิเล็กตรอนมากกว่าในสภาวะปกติ โดยในโลหะทั่วไป ความจุความร้อน (Cv ) 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

สำหรับกรณีตัวนำยวดยิ่งตาม ทฤษฏีบีซีเอส จะมีความจุความร้อนเป็น
C sαe-(Δkb T)
เมื่อ Δ คือ ช่องว่างพลังงาน และ kB คือ ค่าคงตัวของโบลต์ซมันน์
หรือเขียนได้เป็น
C s / αTc = ae-b(Tc/T)

เมื่อ a,b,α คือ ค่าคงตัวที่ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ

C sคือ ความจุความร้อนของตัวนำยวดยิ่ง


ดูเพิ่ม[แก้]

อ้างอิง[แก้]

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