หนึ่งศตวรรษตัวนำยวดยิ่ง: อดีต ปัจจุบัน และอนาคต (Century of Superconductors: Past, Present and Futur
บทนำ
เป็นที่ทราบกันโดยทั่วไปแล้วว่าองค์ประกอบในวงจรไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานคือความต้านทาน (resistance) ซึ่งค่าความต้านทานนี้เป็นสมบัติเฉพาะตัวของวัสดุที่ทำหน้าที่ต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวัสดุชิ้นนั้นๆ เราสามารถใช้ค่าความต้านทานในการจำแนกประเภทของวัสดุตามความสามารถในการต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้าจากน้อยไปหามากได้เป็นตัวนำ สารกึ่งตัวนำ และฉนวนตามลำดับ โดยปกติพลังงานที่สูญเสียเนื่องจากความต้านทานจะแสดงออกมาในรูปของพลังงานความร้อน แสง เสียง หรือพลังงานในรูปแบบอื่นๆ ซึ่งเราสามารถนำการเปลี่ยนรูปของพลังงานเหล่านี้มาใช้ประโยชน์ได้ เช่น หม้อหุงข้าวไฟฟ้า เครื่องปิ้งขนมปัง หรือหลอดไฟ เป็นต้น แต่อย่างไรก็ตามในการประยุกต์ใช้งานในหลายกรณี การสูญเสียพลังงานเนื่องจากความต้านทานก็ไม่เป็นที่ต้องการเพราะจะทำให้ประสิทธิภาพในการทำงานลดลง เช่น การส่งกระแสไฟฟ้าผ่านสายส่งระยะไกล การทำงานของมอเตอร์ หรือการใช้กระแสไฟฟ้าเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูง ตัวนำยวดยิ่ง (superconductor) ซึ่งเป็นวัสดุที่สามารถนำไฟฟ้าได้อย่างสมบูรณ์เมื่ออยู่ในสภาวะที่เหมาะสม กล่าวคือเมื่อลดอุณหภูมิลงจนถึงค่าอุณหภูมิวิกฤต ค่าความต้านทานไฟฟ้าจะลดลงอย่างทันทีทันใดและเหลือน้อยมากจนแทบจะเป็นศูนย์ กระแสไฟฟ้าจึงสามารถไหลผ่านได้โดยแทบจะไม่สูญเสียพลังงานเลย ตัวนำยวดยิ่งจึงสามารถนำมาประยุกต์ใช้งานในกรณีเหล่านี้ได้
การค้นพบสภาพนำยวดยิ่ง
ตัวนำยวดยิ่งถูกค้นพบเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1911 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเนเธอร์แลนด์ชื่อ คาเมอร์ลิง ออนเนส (Heike Kamerlingh Onnes: 1853-1926) ซึ่งก่อนหน้านั้นออนเนสได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับระบบอุณหภูมิต่ำและประสบความสำเร็จในการลดอุณหภูมิ จนกระทั่งฮีเลียม (Helium) ควบแน่นเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิ 4 เคลวิน (Kelvin) ในปี ค.ศ. 1908 จากความสำเร็จในการลดอุณหภูมิของระบบลงได้ถึงระดับนี้ทำให้การศึกษาสมบัติต่างๆ ของวัสดุในสภาวะที่อุณหภูมิต่ำมากๆ สามารถทำได้ นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าในสภาวะที่อุณหภูมิต่ำมากๆ วัสดุจะมีสมบัติแตกต่างจากวัสดุชนิดเดียวกันที่อุณหภูมิห้อง ออนเนสได้ทำการศึกษาสมบัติต่างๆ ของวัสดุที่สภาวะอุณหภูมิต่ำโดยใช้ฮีเลียมเหลวเป็นสารหล่อเย็น และหนึ่งในสมบัติของวัสดุที่เขาทำการศึกษาคือสภาพนำไฟฟ้าในโลหะโดยเลือกศึกษาจากปรอทเป็นลำดับแรก สาเหตุที่ออนเนสเลือกที่จะศึกษาสมบัติของปรอทก่อนเนื่องจากปรอทเป็นสารที่สามารถทำให้บริสุทธ์ได้สะดวกที่สุดในตอนนั้น จากการทดลองทำให้พบพฤติกรรมที่ไม่ปกติของความต้านทานไฟฟ้าในปรอท คือเมื่อลดอุณหภูมิลง ค่าความต้านทานจะลดลงเรื่อยๆ แต่เมื่อลดอุณหภูมิจนกระทั่งปรอทมีอุณหภูมิ 4.2 เคลวิน ความต้านทานจะลดลงเป็นศูนย์อย่างทันทีทันใด เรียกสภาพที่ความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุมีค่าเป็นศูนย์อย่างทันทีทันใดนี้ว่าสภาพนำยวดยิ่ง (superconductivity) เรียกสารที่มีการเปลี่ยนสถานะทางไฟฟ้าในลักษณะนี้ว่าตัวนำยวดยิ่ง (superconductor) และเรียกอุณหภูมิที่ทำให้วัสดุเปลี่ยนจากสภาพนำธรรมดาเป็นสภาพนำยวดยิ่งว่าอุณหภูมิวิกฤต (critical temperature)
ในสภาพนำยวดยิ่ง สารจะมีสมบัติทางแม่เหล็กและความจุความร้อนจำเพาะเปลี่ยนไป นอกจากอุณหภูมิที่มีค่าสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤตที่สามารถทำลายสภาพนำยวดยิ่งได้ ยังพบว่าสภาพนำยวดยิ่งถูกทำลายด้วยกระแสไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กที่มีค่าแน่นอนค่าหนึ่ง เรียกกระแสไฟฟ้าที่น้อยที่สุดที่ทำให้สภาพนำยวดยิ่งเปลี่ยนไปเป็นสภาพนำปกติว่ากระแสวิกฤต (critical current) และเรียกสนามแม่เหล็กที่น้อยที่สุดที่ทำให้สภาพนำยวดยิ่งเปลี่ยนไปเป็นสภาพนำปกติว่าสนามแม่เหล็กวิกฤต (critical magnetic fields)
ต่อมาในปี ค.ศ. 1933 ไมส์เนอร์ (Fritz Walther Meissner: 1882-1974) และออคเซนเฟลด์ (Robert Ochsenfeld: 1901-1993) ได้ค้นพบสมบัติพื้นฐานที่สำคัญของตัวนำยวดยิ่งว่าเมื่อลดอุณหภูมิลงจนต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต สนามแม่เหล็กภายนอกจะไม่สามารถทะลุผ่านเข้าไปในสารตัวนำยวดยิ่งได้และที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤต สนามแม่เหล็กสามารถทะลุทะลวงเข้าไปในเนื้อสารได้ แต่เมื่อลดอุณหภูมิลงจนสารเปลี่ยนเป็นตัวนำยวดยิ่ง สนามแม่เหล็กจะถูกผลักให้เบนออกมาทำให้สนามแม่เหล็กภายในมีค่าเป็นศูนย์ ดังนั้นสารตัวนำยวดยิ่งจึงมีคุณสมบัติเป็นสารแม่เหล็กไดอาแบบสมบูรณ์ (perfect diamagnetic) และอธิบายว่าสาเหตุที่เป็นเช่นนี้เพราะกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำซึ่งเกิดขึ้นที่ผิวของสารตัวนำยวดยิ่งนั้นสร้างสนามแม่เหล็กต่อต้านสนามแม่เหล็กภายนอกที่เข้าไปกระทำ ความหนาของชั้นกระแสนี้เรียกว่าระยะทะลวงลึกของสนาม (field penetration depth) มีค่าประมาณ 0.1-0.01 ไมโครเมตร ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปรากฏการณ์ไมส์เนอร์ (Meissner’s effect) ในทางปฎิบัติสามารถใช้ปรากฏการณ์นี้ในการตรวจสอบสภาพนำยวดยิ่งได้โดยตัวนำยวดยิ่งจะสามารถลอยตัวเหนือแม่เหล็กถาวร หรือแม่เหล็กถาวรจะสามารถลอยตัวเหนือตัวนำยวดยิ่งได้
หลังจากการค้นพบสภาพนำยวดยิ่งในปรอท ก็มีการค้นพบสภาพนำยวดยิ่งในสารชนิดอื่นๆ อีกหลายชนิด แต่ตัวนำยวดยิ่งที่มีการค้นพบในยุคแรกๆ จะมีอุณหภูมิวิกฤตต่ำมาก ตัวนำยวดยิ่งที่มีค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงสุดที่พบมีค่า 23 เคลวิน ซึ่งพบในสารประกอบไนโอเบียมเยอร์มาเนียม (Nb3Ge) จากนั้นมานักวิทยาศาสตร์ได้พยายามวิจัยเพื่อให้ได้ตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่า 23 เคลวิน แต่ก็ไม่ประสบผลสำเร็จ ทำให้นักวิทยาศาสตร์ทั้งที่ศึกษาวิจัยในเชิงทฤษฎีและเชิงปฏิบัติเชื่อว่าตัวนำยวดยิ่งในธรรมชาติน่าจะมีอุณหภูมิวิกฤตจำกัดคือไม่เกิน 30 เคลวิน จนกระทั่งปี ค.ศ. 1986 เบทนอร์ซ (Johannes Georg Bednorz) และมูลเลอร์ (Karl Alexander Müller) พบว่าสารประกอบ La–Cu-O เมื่อถูกเจือด้วยแบเรียม (Ba) จะกลายสภาพเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิประมาณ 35 เคลวิน ซึ่งถือว่าเป็นอุณหภูมิวิกฤตที่สูงมากในยุคนั้น
อีกหนึ่งปีถัดมา กลุ่มวิจัยของวู (Maw-Kuen Wu) ค้นพบสภาพนำยวดยิ่งในสารประกอบ Y-Ba-Cu-O ที่มีอุณหภูมิวิกฤตในช่วง 90-100 เคลวิน ซึ่งนับว่าเป็นความก้าวหน้าในการประยุกต์ใช้งานตัวนำยวดยิ่งเป็นอย่างมาก เพราะตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำนั้นต้องประสบปัญหายุ่งยากในการทดลอง เนื่องจากต้องมีห้องปฏิบัติการที่มีอุณหภูมิต่ำมากๆ ซึ่งทำให้ต้องลงทุนสูงและต้องใช้ฮีเลียมเหลวมาเป็นตัวหล่อเลี้ยง ซึ่งฮีเลียมเหลวนั้นนอกจากมีราคาแพงแล้วยังหายากอีกด้วย ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงให้ความสนใจตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมาก เพราะสามารถใช้ไนโตรเจนเหลวที่มีจุดเดือด 77 เคลวินในการหล่อเลี้ยง และไนโตรเจนเหลวก็มีราคาถูกกว่าฮีเลียมเหลวถึง 10 เท่า จากการค้นพบสภาพนำยวดยิ่งในสารประกอบ Y-Ba-Cu-O ทำให้สามารถแบ่งประเภทของตัวนำยวดยิ่งตามช่วงของอุณหภูมิวิกฤตได้เป็นตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง (high temperature superconductor) ซึ่งมีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่า 77 เคลวิน และตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ (low temperature superconductor) ซึ่งมีอุณหภูมิวิกฤตต่ำกว่า 77 เคลวิน
ความสนใจในงานวิจัยด้านตัวนำยวดยิ่งกลับมาอยู่ในกระแสความสนใจในวงการวิทยาศาสตร์อีกครั้งเมื่อมีการค้นพบสภาพนำยวดยิ่งในสารประกอบแมกนีเซียมไดโบไรด์ (magnesium diboride, MgB2) วัสดุชนิดนี้เป็นที่รู้จักกันมานานตั้งแต่ก่อนปี ค.ศ. 1950 แล้ว แต่เพิ่งจะค้นพบว่าแมกนีเซียมไดโบไรด์สามารถเป็นตัวนำยวดยิ่งได้ที่ 40 เคลวินในปี ค.ศ. 2001 โดยอะคิมิซึ (J. Akimisu) และนากามัตซึ (J. Nagamatsu) การค้นพบสภาพนำยวดยิ่งในแมกนีเซียมไดโบไรด์ก่อให้เกิดความสนใจในตัวนำยวดยิ่งที่ปราศจากออกไซด์ ทำให้มีการค้นพบตัวนำยวดยิ่งหลากหลายชนิดที่มีโบรอนเป็นส่วนประกอบ เช่น TaB2 มีอุณหภูมิวิกฤตที่ 9.5 เคลวิน BeB2.75 มีอุณหภูมิวิกฤตที่ 0.7 เคลวิน และ MgCNi3 มีอุณหภูมิวิกฤต 8 เคลวิน
สำหรับคำถามที่ว่าแมกนีเซียมไดโบไรด์มีอะไรที่น่าสนใจเป็นพิเศษ ทำไมนักวิทยาศาสตร์ถึงให้ความสนใจในการศึกษาวิจัยกันมากนัก ทั้งๆ ที่อุณหภูมิวิกฤติก็มีค่าเพียง 40 เคลวิน ซึ่งเมื่อเทียบกับตัวนำยวดยิ่งบางชนิดที่มีอุณหภูมิวิกฤติสูงๆ แล้วนับว่าแมกนีเซียมไดโบไรด์นั้นมีอุณหภูมิวิกฤตต่ำมาก แต่จุดเด่นซึ่งทำให้แมกนีเซียมไดโบไรด์เป็นที่น่าสนใจก็คือ แมกนีเซียมไดโบไรด์ประกอบด้วยธาตุที่เป็นโลหะเพียงสองชนิดและมีโครงสร้างไม่ซับซ้อน ที่สำคัญในด้านการประยุกต์ แมกนีเซียมไดโบไรด์มีคุณสมบัติไม่เปราะ นั่นก็หมายความว่าเราสามารถยืดแมกนีเซียมไดโบไรด์ออกเป็นลวดไฟฟ้าได้ง่ายและดีกว่าตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงตัวอื่นๆ เพราะตัวนำยวดยิ่งเหล่านี้ส่วนมากเป็นสารประกอบพวกเซรามิกซ์ (ceramics) ซึ่งเปราะและยืดเป็นเส้นได้ยาก นอกจากนี้สำหรับอุณหภูมิที่หล่อเลี้ยงแมกนีเซียมไดโบไรด์ให้มีสภาพเป็นตัวนำยวดยิ่งนั้นก็ไม่ใช่เรื่องยากสำหรับเทคโนโลยีในปัจจุบัน
ตัวนำยวดยิ่งอีกประเภทหนึ่งที่มีความน่าสนใจไม่น้อยกว่าตัวนำยวดยิ่งแมกนีเซียมไดโบไรด์ คือตัวนำยวดยิ่งชนิดมีเหล็กเป็นองค์ประกอบ (Fe-based superconductors) โดยในเดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ. 2008 ฮิเดโอะ โฮโซโนะ (Hideo Hosono) และทีมวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีโตเกียว (Tokyo Institute of Technology) ได้รายงานการค้นพบสภาพนำยวดยิ่งในตัวนำยวดยิ่ง LaFeAsO ที่มีการเจือฟลูออรีน (fluorine, F) โดยสารชนิดนี้จะแสดงสมบัติการเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิ 26 เคลวิน การค้นพบครั้งนี้อาจจะนับว่าเป็นเรื่องบังเอิญก็ได้ เพราะจริงๆ แล้วโฮโซโนะและทีมวิจัยมีจุดประสงค์ที่จะสังเคราะห์สารกึ่งตัวนำแบบโปร่งแสง (transparent semiconductor) เพื่อประยุกต์ใช้งานสำหรับหน้าจอคอมพิวเตอร์หรืออุปกรณ์แสดงผลอื่นๆ จากการวิจัยพบว่าวัสดุที่มีสมบัติตามที่ต้องการมีแนวโน้มอยู่ในกลุ่มของ LaOCuCh เมื่อ Ch คือธาตุในกลุ่มแชลโคเจน (chalcogen) เช่น ซัลเฟอร์ (sulfur, S) เซลีเนียม (selenium, Se) หรือเทลูเรียม (tellurium, Te) หลังจากนั้นโฮโซโนะและทีมวิจัยได้ศึกษาสมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุชนิดนี้โดยการแทนที่อะตอมของทองแดง (copper, cuprum, Cu) ด้วยเหล็ก (iron, ferrum, Fe) หรือโลหะทรานซิชั่นชนิดอื่นๆ ที่สามารถแสดงสมบัติทางแม่เหล็กได้ แต่การกระทำเช่นนี้ทำให้โครงร่างผลึกอยู่ชิดกันมากขึ้นส่งผลให้โครงสร้างของสารไม่เสถียร เพื่อแก้ปัญหานี้โฮโซโนะและทีมวิจัยจึงต้องแทนที่ธาตุในกลุ่มแชลโคเจนด้วยธาตุในกลุ่มนิคโทเจน (pnictogen) เช่น ฟอสฟอรัส (phosphorus, P) หรืออาร์เซนิก (arsenic, As) และเมื่อทำการวัดสมบัติทางไฟฟ้าของสารที่เตรียมขึ้นพบว่า LaFePO และ LaFeAsO ที่มีการเจือฟลูออรีนแสดงสมบัติการเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิ 4 และ 26 เคลวินตามลำดับ
สมบัติที่สำคัญประการหนึ่งซึ่งทำให้ตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้มีความน่าสนใจ คือการที่ตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้มีค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตบน (upper critical field) สูงมากส่งผลให้ค่ากระแสวิกฤต (critical current) มีค่าสูงตามไปด้วย จากจุดนี้จะเห็นว่าตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้มีความน่าสนใจในการนำไปประยุกต์ใช้งานจริง เพราะโดยส่วนมากแล้วในการใช้งานตัวนำยวดยิ่ง เราจะใช้ประโยชน์จากการที่ตัวนำชนิดนี้ไม่มีความต้านทานจึงสามารถนำกระแสได้มาก ทำให้สามารถผลิตสนามแม่เหล็กความเข้มสูงมาใช้งานได้ แต่ในขณะเดียวกัน ถ้าปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวนำยวดยิ่งมีค่ามากกว่าค่ากระแสวิกฤต ตัวนำยวดยิ่งจะสูญเสียสภาพนำยวดยิ่งทันที ทำให้ไม่สามารถผลิตสนามแม่เหล็กความเข้มสูงได้ ดังนั้นนอกจากความน่าสนใจในสมบัติพื้นฐานต่างๆ ซึ่งแตกต่างจากตัวนำยวดยิ่งชนิดอื่นๆ แล้ว ตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้ยังมีความน่าสนใจในการประยุกต์ใช้งานอีกด้วย
พัฒนาการของตัวนำยวดยิ่งเชิงทฤษฎี
ทฤษฎีเชิงปรากฎการณ์ (phenomenological theory) ทฤษฎีแรกที่อธิบายพฤติกรรมของตัวนำยวดยิ่งถูกนำเสนอเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1935 โดยพี่น้องลอนดอน (Fritz Wolfgang London: 1900-1954 และ Heinz London: 1907-1970) โดยทฤษฎีนี้สามารถอธิบายปรากฏการณ์ไมส์เนอร์ได้ จากทฤษฎีลอนดอนอธิบายว่าค่าความเข้มสนามแม่เหล็กที่ซาบซึมเข้าไปในตัวนำยวดยิ่งจะมีค่าลดลงแบบเอ็กโปเนนเชียล (exponantial) และเรียกระยะที่สนามแม่เหล็กซาบซึมเข้าไปในตัวนำยวดยิ่งนี้ว่าระยะความลึกซาบซึมได้ของลอนดอน (London penetration depth)
ต่อมาในปี ค.ศ. 1950 กินซ์เบิร์ก (Vitaly Lazarevich Ginzburg: 1916-2009) และแลนดาว (Lev Davidovich Landau: 1908-1968) ได้พัฒนาทฤษฎีกินซ์เบิร์กและแลนดาว (Ginzburg–Landau theory) เพื่ออธิบายการเปลี่ยนสถานะจากสภาพนำปกติไปเป็นสภาพนำยวดยิ่งที่บริเวณอุณหภูมิวิกฤติ โดยแนวคิดเริ่มต้นของทฤษฎีนี้ซึ่งเป็นทฤษฎีที่ใช้อธิบายการเปลี่ยนสถานะ (phase transition) เริ่มมาจากการพิจารณาตัวแปรที่บอกความเป็นระเบียบ (order parameter) โดยค่าตัวแปรที่บอกความเป็นระเบียบจะมีค่าต่างกันไปแล้วแต่ปรากฏการณ์ที่ต้องการจะอธิบาย โดยสมบัติที่สำคัญของตัวแปรที่บอกความเป็นระเบียบคือ ต้องมีค่าเป็นศูนย์เมื่ออยู่เหนือจุดวิกฤตและต้องมีค่าจำกัดเมื่ออยู่ต่ำกว่าจุดวิกฤต เช่น ในกรณีที่สารแม่เหล็กเฟอร์โร (ferromagnetic) มีการเปลี่ยนสถานะเป็นสารแม่เหล็กพารา (paramagnetic) ใช้ค่าแมกนีไทเซชั่น (magnetization) เป็นตัวแปรที่บอกความเป็นระเบียบ เพราะเมื่อเราให้ความร้อนกับสารแม่เหล็กเฟอร์โรจนถึงอุณหภูมิคูรี (Curie temperature) สารแม่เหล็กเฟอร์โรซึ่งมีค่าแมกนีไทเซชั่นไม่เป็นศูนย์จะเปลี่ยนสถานะกลายเป็นสารแม่เหล็กพาราซึ่งมีค่าแมกนีไทเซชั่นเป็นศูนย์ สำหรับในกรณีของสภาพนำยวดยิ่ง ทฤษฎีกินซ์เบิร์กและแลนดาวใช้ความหนาแน่นของความน่าจะเป็นของฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนในสภาพนำยวดยิ่งเป็นตัวแปรที่บอกความเป็นระเบียบ โดยค่าของตัวแปรนี้เป็นไปตามเงื่อนไข คือจะมีค่าเป็นศูนย์เมื่ออุณหภูมิมีค่าสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤตและมีค่าจำกัดเมื่ออุณหภูมิมีค่าต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต
หลังจากนั้นอีก 7 ปี อบริโคซอฟ (Alexei Alexeyevich Abrikosov: 1928-2017) ใช้ทฤษฎีกินซ์เบิร์กและแลนดาวเพื่อศึกษาพฤติกรรมของค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตและค้นพบว่าสามารถจำแนกประเภทของตัวนำยวดยิ่งออกได้เป็น 2 ประเภทตามพฤติกรรมของค่าสนามแม่เหล็กวิกฤต ได้แก่ ตัวนำยวดยิ่งประเภทที่ 1 (type I superconductor) ซึ่งมีค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตเพียงค่าเดียว โดยเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตจะเกิดปรากฏการณ์ไมส์เนอร์ (Meissner’s effect) คือสนามแม่เหล็กภายนอกจะไม่สามารถผ่านเข้าไปในสารตัวนำยวดยิ่งได้ แต่ถ้าเพิ่มค่าความเข้มสนามแม่เหล็กภายนอกจนเท่ากับสนามแม่เหล็กวิกฤตแล้ว สภาพนำยวดยิ่งจะถูกทำลายและสนามแม่เหล็กภายนอกจะสามารถทะลุผ่านเข้าไปในสารตัวนำยวดยิ่งได้ และนำยวดยิ่งประเภทที่ 2 (type II superconductor) ซึ่งมีค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตสองค่า ได้แก่ สนามแม่เหล็กวิกฤตล่าง (lower critical field) และสนามแม่เหล็กวิกฤตบน (upper critical field) โดยเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต ตัวนำยวดยิ่งจะแสดงปรากฏการณ์ไมส์เนอร์ได้อย่างสมบูรณ์เช่นเดียวกับกรณีตัวนำยวดยิ่งประเภทที่ 1 แต่เมื่อเพิ่มค่าความเข้มสนามแม่เหล็กภายนอกจนเท่ากับสนามแม่เหล็กวิกฤตล่างจะมีเส้นแรงแม่เหล็กบางส่วนที่สามารถทะลุผ่านเข้าไปในสารตัวนำยวดยิ่งได้ ดังนั้นในช่วงนี้ในเนื้อของวัสดุจึงมีส่วนทั้งที่เป็นสภาพนำยวดยิ่งและสภาพนำปกติผสมกันอยู่ เรียกสถานะนี้ว่าสถานะกระแสวน (vortex state) เมื่อเพิ่มค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตจนกระทั่งมีค่ามากกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤตบนเส้นแรงแม่เหล็กจากภายนอกจะทะลุเข้าไปได้อย่างสมบูรณ์ วัสดุจะสูญเสียสภาพนำยวดยิ่งและกลายเป็นสภาพนำปกติโดยสิ้นเชิง
สำหรับทฤษฎีในระดับจุลภาคซึ่งอธิบายกลไกการเกิดสภาพนำยวดยิ่งที่นับว่าประสบผลสำเร็จในการอธิบายสมบัติโดยทั่วไปของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำคือทฤษฎีของบาร์ดีน คูเปอร์ และชริฟเฟอร์ (John Bardeen (1908-1991), Leon N. Cooper (1930-) และ John Robert Schrieffer (1931-)) ทฤษฎีนี้เรียกโดยย่อว่าทฤษฎีบีซีเอส (BCS theory) ซึ่งอธิบายว่ากลไกสำคัญที่ทำให้ตัวนำปกติเปลี่ยนสถานะเป็นตัวนำยวดยิ่งได้ คือการจับคู่ของอิเล็กตรอนซึ่งเรียกว่าคู่คูเปอร์ (Cooper pairs) โดยเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่เข้าไปในโครงผลึก (lattice) จะทำอันตรกิริยากับโครงผลึกทำให้โครงผลึกมีการเสียรูปทรง
อันตรกิริยานี้เป็นแบบอิเล็กตรอน-โครงผลึก-อิเล็กตรอน (electron-lattice-electron) ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านเข้าไประหว่างกลุ่มอิออนที่มีประจุบวกซึ่งอยู่บนโครงผลึก และอิเล็กตรอนจะดึงดูดอิออนบวกในบริเวณรอบๆ ให้เคลื่อนที่เข้ามาใกล้ ทำให้โครงผลึกเกิดการเสียรูปและบริเวณรอบๆ อิเล็กตรอนก็จะมีความหนาแน่นของอิออนบวกเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้มีผลกระทบต่ออิเล็กตรอนอีกตัวที่อยู่ในบริเวณนั้น อิเล็กตรอนจะถูกกลุ่มอิออนบวกดูดเข้าไปทำให้ดูเสมือนว่าอิเล็กตรอนตัวแรกดึงดูดกับอิเล็กตรอนตัวหลัง ตามปกติเมื่ออิออนบวกในโครงผลึกสั่นจะทำให้เกิดคลื่นขึ้น ซึ่งคลื่นนี้มีกำเนิดมาจากอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เข้าไปในโครงผลึกแล้วรบกวนอิออนบวกในโครงผลึกที่สั่นอยู่ เรียกสภาวะกระตุ้นของโครงผลึกว่าโฟนอน (phonon) การแลกเปลี่ยนโฟนอนระหว่างกันและกันของอิเล็กตรอนทำให้เกิดแรงดึงดูดที่สามารถเอาชนะอันตรกิริยาผลักแบบคูลอมบ์ อิเล็กตรอนจึงสามารถรวมกันเป็นคู่คูเปอร์ได้ คู่คูเปอร์นี้ประกอบด้วยคู่อิเล็กตรอนที่มีขนาดโมเมนตัมและสปินเท่ากันแต่มีทิศทางตรงกันข้าม และระยะห่างระหว่างอิเล็กตรอนคู่หนึ่งๆ เรียกว่าความยาวอาพันธ์ (coherent length, ξ) แต่ที่อุณหภูมิสูงๆ อิออนบวกในโครงผลึกมีการสั่นเนื่องจากอิทธิพลของความร้อนมากทำให้อันตรกิริยาผลักแบบคูลอมบ์มีค่ามากกว่าอันตรกิริยาดึงดูดอิเล็กตรอนจึงไม่สามารถจับคู่กันได้
สำหรับงานวิจัยเชิงทฤษฎีที่มุ่งเน้นอธิบายพฤติกรรมของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงซึ่งมีความซับซ้อนและมีพฤติกรรมแตกต่างจากตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำจำเป็นต้องใช้ทฤษฎีที่มีเงื่อนไขเฉพาะตัวจึงจะสามารถอธิบายพฤติกรรมที่สนใจได้ แต่อย่างไรก็ตามก็ยังมีบางพฤติกรรมที่อธิบายได้ไม่ดีนักในกรณีของทฤษฎีบีซีเอสซึ่งสามารถอธิบายพฤติกรรมของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำได้ดี แต่สำหรับในกรณีตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงต้องมีการปรับเงื่อนไขให้เหมาะสมจึงสามารถอธิบายผลจากการทดลองได้ แต่ก็ยังมีสมบัติบางประการของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงที่ทฤษฎีบีซีเอสอธิบายได้ไม่ดีนัก เช่น ค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตในตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงส่วนมากจะมีค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตสองค่า แต่จากผลการคำนวณโดยทฤษฎีบีซีเอสจะให้ค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตได้เพียงค่าเดียว ซึ่งคือค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตเฉลี่ยของตัวนำยวดยิ่งนั่นเอง
ในกรณีของทฤษฎีกินซ์เบิร์กและแลนดาวซึ่งเป็นทฤษฎีที่ใช้อธิบายการเปลี่ยนสถานะจึงสามารถอธิบายได้ทั้งตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงและตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ แต่จะสามารถอธิบายผลการทดลองได้ดีเฉพาะกับพฤติกรรมที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนสถานะ เช่น ค่าอุณหภูมิวิกฤตและค่าสนามแม่เหล็กวิกฤต นอกจากนี้ ผลการคำนวณโดยทฤษฎีกินซ์เบิร์กและแลนดาวจะให้ผลสอดคล้องกับการทดลองในบริเวณรอบๆ อุณหภูมิวิกฤตเท่านั้น
ในปัจจุบันจึงยังไม่มีทฤษฎีใดที่สามารถอธิบายพฤติกรรมของตัวนำยวดยิ่งครอบคลุมได้ในทุกกรณี ทฤษฎีบีซีเอสสามารถอธิบายสภาพนำยวดยิ่งของสารที่มีอุณหภูมิวิกฤตต่ำๆ ได้ แต่ในสารที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงๆ ทฤษฎีบีซีเอสจะให้ผลไม่สอดคล้องกับการทดลอง สำหรับทฤษฎีกินซ์เบิร์กและแลนดาวสามารถที่จะอธิบายตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงๆ ได้ แต่จะให้ผลสอดคล้องกับการทดลองในบริเวณรอบๆ อุณหภูมิวิกฤตเท่านั้น ในช่วงอุณหภูมิที่ไกลออกไปจากอุณหภูมิวิกฤต ทฤษฎีกินซ์เบิร์กและแลนดาวก็จะให้ผลที่ไม่สอดคล้องกับการทดลอง ทำให้งานวิจัยตัวนำยวดยิ่งเชิงทฤษฎียังเป็นปัญหาที่ท้าทายความสามารถของนักฟิสิกส์ไม่น้อยไปกว่าการสังเคราะห์ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิห้อง
จากความพยายามศึกษาเชิงทฤษฎีเพื่อทำความเข้าใจสมบัติพื้นฐานของตัวนำยวดยิ่ง เช่น ค่าอุณหภูมิวิกฤต ค่ากระแสวิกฤต หรือค่าสนามแม่เหล็กวิกฤต แม้ว่าจะมีบางประเด็นที่ยังไม่เป็นที่กระจ่างชัดนัก แต่ก็นำมาซึ่งองค์ความรู้ที่สามารถนำมาประยุกต์ใช้งานได้ ดังนั้นการศึกษาสมบัติพื้นฐานของตัวนำยวดยิ่งเชิงทฤษฎีจึงเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในการพัฒนาตัวนำยวดยิ่งให้สามารถประยุกต์ใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพและต่อยอดเป็นนวัตกรรมที่สามารถใช้งานได้จริงในอนาคต
การประยุกต์ใช้งานและแนวทางการใช้ประโยชน์ในอนาคต
จากสมบัติพื้นฐานของตัวนำยวดยิ่ง ไม่ว่าจะเป็นการมีความต้านทานที่น้อยมาก จนแทบไม่มีเลย หรือการแสดงปรากฎการณ์ไมน์สเนอร์ทำให้มีการนำตัวนำยวดยิ่งมาประยุกต์ใช้ได้ในงานหลายประเภท เช่น ด้านการแพทย์ ด้านการคมนาคม หรือการวิจัยที่ต้องใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูง เป็นต้น ทั้งนี้องค์ประกอบสำคัญของการประยุกต์ใช้งานตัวนำยวดยิ่งก็คือ ตัวนำยวดยิ่งนั้นจะต้องมีค่าอุณหภูมิวิกฤตที่สูงพอประมาณ รวมถึงต้องมีค่ากระแสวิกฤตและค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่สูงด้วย เนื่องจากการประยุกต์ใช้งานส่วนใหญ่จะเกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ในหัวข้อนี้จะกล่าวถึงตัวอย่างการประยุกต์ใช้งานบางประการของตัวนำยวดยิ่ง
MagLev (Magnetic Levitation)
MagLev หรือรถไฟพลังแม่เหล็กไฟฟ้าทำงานโดยใช้สนามแม่เหล็ก (magnetic field) มายกให้รถไฟลอย (Levitation) อยู่บนรางทำให้หมดปัญหาการเสียดสีระหว่างรางและตัวรถ รวมทั้งใช้ไฟฟ้าเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กเพื่อเป็นตัวขับเคลื่อนและหยุดรถโดยอาศัยหลักการของการดึงดูดกันของแม่เหล็กต่างขั้วและการผลักกันของแม่เหล็กขั้วเดียวกัน โดยจะมีชุดแผงขดลวดเล็กๆ อยู่สองข้างราง กระแสไฟฟ้าจะเป็นกระแสสลับที่เปลี่ยนทิศทางไปมาเพื่อจะเปลี่ยนขั้วสนามแม่เหล็กให้ผลักและดึงรถไฟไปข้างหน้าอยู่ตลอดเวลา โดยแผงรางที่อยู่ข้างหน้าจะมีขั้วแม่เหล็กตรงข้ามกับแผงที่ติดตั้งบนรถเพื่อที่จะดึงดูดรถและแผงรางที่อยู่ข้างหลังจะมีขั้วแม่เหล็กเดียวกับแผงที่ติดตั้งบนรถเพื่อทำให้เกิดแรงผลักเสริมอีกแรงหนึ่ง จากการที่ตัวนำยวดยิ่งแทบจะไม่มีความต้านทานเลยทำให้สามารถสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงได้มากกว่าตัวนำปกติ ลดการสูญเสียพลังงานในรูปพลังงานความร้อนและลดขนาดของขดลวดที่ใช้งานให้มีขนาดเล็กลง แม้ว่าในปัจจุบัน MagLev ที่ใช้ตัวนำยวดยิ่งสำหรับสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงจะยังอยู่ในช่วงทดสอบการใช้งาน แต่ก็มีแนวโน้มจะสามารถใช้ขนส่งในเชิงพาณิชย์ได้ในอนาคต
MRI (Magnetic Resonance Imaging)
MRI คือเครื่องมือที่ใช้สำหรับสร้างภาพอวัยวะภายในร่างกายโดยใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูงและความถี่ในย่านความถี่วิทยุ (radio frequency) ด้วยการส่งคลื่นความถี่เข้าสู่ร่างกายและรับคลื่นสะท้อนกลับ แล้วนำสัญญาณที่ได้มาประมวลผลด้วยคอมพิวเตอร์ทำให้ได้ภาพอวัยวะภายในของร่างกาย เช่น สมอง กระดูกสันหลัง ตับ และไตที่มีความคมชัด สามารถแยกเนื้อเยื่อต่างๆ ของร่างกายได้อย่างชัดเจน ทำให้มีความถูกต้องแม่นยำในการวินิจฉัยโรคมากยิ่งขึ้น สามารถตรวจเส้นเลือดได้โดยไม่ต้องฉีดสารทึบรังสี อีกทั้งยังสามารถทำการตรวจได้ในทุกๆ ระนาบ ไม่ใช่เฉพาะแนวขวางอย่างเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (CT-scan)
จากการที่ MRI ต้องใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูงจึงมีความจำเป็นที่ต้องใช้ขดลวดตัวนำยวดยิ่งในการสร้างสนามแม่เหล็ก เนื่องจากต้องใช้ฮีเลียมเหลวในระบบหล่อเย็นจึงทำให้การทำ MRI ในแต่ละครั้งมีค่าใช้จ่ายค่อนข้างสูง แต่จากแนวโน้มของงานวิจัยทางด้านการสังเคราะห์ตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงขึ้นเรื่อยๆ ทำให้ในอนาคตการทำ MRI น่าจะมีต้นทุนที่ต่ำลง
นอกจากนี้ ตัวนำยวดยิ่งยังถูกนำไปประยุกต์ใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ อีกหลายด้าน ทั้งสามารถนำมาใช้งานจริงได้แล้ว หรือยังอยู่ในช่วงค้นคว้าวิจัย เช่น SQUID (superconducting quantum interference device) ซึ่งเป็นเซ็นเซอร์ความไวสูงที่สามารถประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย มอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวนำยวดยิ่ง หรือเครื่องเร่งอนุภาคเพื่อศึกษาสมบัติของอนุภาคมูลฐาน เป็นต้น
จากที่กล่าวมาทั้งหมดจะเห็นว่าในช่วงเวลากว่า 1 ศตวรรษหลังจากค้นพบตัวนำยวดยิ่งได้มีเหตุการณ์ต่างๆ เกิดขึ้นมากมาย ทั้งการค้นพบตัวนำยวดยิ่งชนิดใหม่ๆ ที่มีสมบัติแตกต่างไปจากเดิม การสร้างทฤษฎีหรือแบบจำลองเพื่ออธิบายพฤติกรรมของตัวนำยวดยิ่ง รวมทั้งการประยุกต์ใช้ตัวนำยวดยิ่งในด้านต่างๆ แต่จนกระทั่งทุกวันนี้ ความเข้าใจในกระบวนการเกิดสภาพนำยวดยิ่งก็ยังไม่เป็นที่กระจ่างชัดนัก รวมถึงความพยายามในการสังเคราะห์ตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิวิกฤตใกล้เคียงอุณหภูมิห้องซึ่งยังไม่ประสบความสำเร็จ การศึกษาที่ผ่านมาทั้งทางด้านทฤษฎีและการทดลองทำให้ประเด็นปัญหาบางประเด็นกระจ่างขึ้น แต่ก็ยังมีอีกหลายประเด็นปัญหาที่ยังไม่สามารถตอบได้อย่างชัดเจน ดังนั้นงานวิจัยทางด้านตัวนำยวดยิ่งจึงยังคงเปิดกว้างแก่นักวิจัยในปัจจุบัน
บทความวิชาการโดยอาภาพงศ์ ชั่งจันทร์ สาขาวิชาวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี สถาบันเทคโนโลยีปทุมวัน ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์บูรพา ปีที่ 19 ฉบับที่ 1 มกราคม-มิถุนายน 2557 หน้า 178-186 อ่านบทความฉบับเต็ม Click
Beautiful Quietness: เงียบแต่ไม่เหงา! ดินแดนแห่งการอ่านและพื้นที่ทางความคิด โลกของนักอ่านและพรมแดนแห่งความรู้ การอ่านสะท้อนความคิด ความคิดสะท้อนตัวตน ตัวตนสะท้อนจิตวิญญาณ pruetsara.wixsite.com