ตัวนำยิ่งยวดคืออะไร? ความหมาย ประเภท และการใช้ประโยชน์

ตัวนำยิ่งยวดเป็นวัสดุที่เมื่อเย็นตัวลงต่ำกว่าอุณหภูมิที่เรียกว่าอุณหภูมิวิกฤต จู่ๆ ก็จะสูญเสียความต้านทานไฟฟ้าทั้งหมดไป ทำให้สามารถนำไฟฟ้าได้โดยไม่สูญเสียพลังงาน วัสดุเหล่านี้ยังแสดงคุณสมบัติแม่เหล็กที่แปลกประหลาดมาก: พวกมันเป็นสารไดอะแมกเนติกที่สมบูรณ์แบบ กล่าวคือ พวกมันไม่รวมเส้นสนามแม่เหล็ก ซึ่งหมายความว่าเมื่อวางใกล้กับแม่เหล็ก เส้นสนามแม่เหล็กจะทะลุผ่านด้านข้าง แต่ไม่ทะลุผ่านวัสดุ

เมื่อกระแสไฟฟ้าถูกเหนี่ยวนำในวัสดุที่มีตัวนำยิ่งยวด เช่น ลวดกลม กระแสไฟฟ้านี้จะไหลไปเรื่อยๆ ตราบใดที่วัสดุนั้นยังเย็นอยู่ กระแสที่ไม่มีความต้านทานนี้เรียกว่ากระแสยิ่งยวดและถูกใช้เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่แรงมากเหนือสิ่งอื่นใด

ความเป็นตัวนำยิ่งยวด ซึ่งก็คือคุณสมบัติของวัสดุที่จะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติ ถูกค้นพบในปี 1911 และทำให้นักฟิสิกส์ในสมัยนั้นตกตะลึงไปอย่างสิ้นเชิง ต้องใช้เวลากว่าสองทศวรรษก่อนที่จะมีการค้นพบคุณสมบัติของไดอะแมกเนติก (เรียกว่าMeissner effect ) และเกือบครึ่งศตวรรษก่อนที่นักฟิสิกส์จะอธิบายได้ว่าทำไมตัวนำยิ่งยวดจึงเกิดขึ้น ในปี 1957 John Bardeen, Leon Cooper และ Bob Schrieffer แก้ปัญหาได้ ซึ่งทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1972

อุณหภูมิวิกฤตและตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง

ตัวนำยิ่งยวดตัวแรกที่ค้นพบมีอุณหภูมิวิกฤตเพียง 3.6 เคลวิน ซึ่งเทียบเท่ากับ -269.6 °C การสร้างและการรักษาอุณหภูมิที่ต่ำนั้นเป็นเรื่องยากมาก ซึ่งจำกัดการใช้ตัวนำยิ่งยวดให้ใช้งานได้เฉพาะบางประเภทเท่านั้น ดังที่เราจะได้เห็นในบทความนี้

ด้วยเหตุนี้ จึงมีนักวิทยาศาสตร์หลายร้อยคนทั่วโลกที่ทำงานอย่างต่อเนื่องเพื่อพัฒนาตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤติใกล้เคียงกับอุณหภูมิห้อง วัสดุเหล่านี้เรียกว่าตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง

ความก้าวหน้าในช่วงต้นทำให้อุณหภูมิวิกฤตเพิ่มขึ้นไม่กี่สิบองศา แต่เมื่อไม่นานมานี้ได้มีการพัฒนาตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤตที่ 14.5 °C เป็นครั้งแรก

ประเภทของตัวนำยิ่งยวด

โดยทั่วไปมีตัวนำยิ่งยวดอยู่ 2 ประเภท ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบและวิธีที่ตัวนำยิ่งยวดมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็ก

ตัวนำยิ่งยวดประเภทที่ 1

นี่เป็นครั้งแรกที่ถูกค้นพบ สิ่งเหล่านี้เป็นองค์ประกอบบริสุทธิ์ที่แสดง Meissner effect กล่าวคือ พวกมันขับไล่สนามแม่เหล็กเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าวิกฤต โดยทั่วไปแล้ว พวกมันมีอุณหภูมิวิกฤตเดียวที่เป็นลักษณะเฉพาะของวัสดุแต่ละชนิด และการลดลงของความต้านทานไฟฟ้าที่ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตนั้นจะเกิดขึ้นอย่างกะทันหัน

ตัวนำยิ่งยวด Type II

สิ่งเหล่านี้ประกอบด้วยส่วนผสมขององค์ประกอบต่าง ๆ ที่รวมกันเป็นโลหะผสมหรือวัสดุเซรามิกที่แสดงความเป็นตัวนำยิ่งยวด สิ่งที่ทำให้พวกมันแตกต่างจากตัวนำยิ่งยวดประเภท I ก็คือการลดลงของความต้านทานไฟฟ้านั้นค่อยเป็นค่อยไป ดังนั้นพวกมันจึงมีอุณหภูมิวิกฤตสองอุณหภูมิ: หนึ่งเมื่อความต้านทานเริ่มลดลงและอีกอุณหภูมิหนึ่งเมื่อถึงศูนย์

คุณสมบัติที่สำคัญอีกประการของตัวนำยิ่งยวดประเภทนี้คือหากใช้สนามแม่เหล็กภายนอกที่แรงเพียงพอ วัสดุจะสูญเสียสภาพตัวนำยิ่งยวดไป

การใช้ตัวนำยิ่งยวด

เครื่องเร่งอนุภาค

บางทีการประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวดที่น่าประทับใจที่สุดในปัจจุบันอาจอยู่ในสาขาการวิจัยทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับฟิสิกส์ของอนุภาค ตัวนำยิ่งยวดถูกนำมาใช้ในแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำให้ลำอนุภาคถูกจำกัดอยู่ใน Large Hadron Collider ซึ่งเป็นหนึ่งในเครื่องจักรที่ใหญ่ที่สุดที่มนุษย์สร้างขึ้น

พลังงานความร้อน

นิวเคลียร์ฟิวชั่นเป็นแหล่งพลังงานสะอาดในฝันมานานนับ 100 ปี อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเกิดขึ้นและคงสภาพไว้ได้ ก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียมจำเป็นต้องได้รับความร้อนสูงถึง 100 ล้านองศาเซลเซียสขณะที่มันหมุนภายในโดนัทกลวงที่เรียกว่าโทคามัค ซึ่งถูกกักไว้ด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าอันทรงพลังที่ทำจากตัวนำยิ่งยวด

การคำนวณควอนตัม

การนำควอนตัมคอมพิวติ้งไปใช้ที่มีแนวโน้มมากที่สุดวิธีหนึ่งใช้วงจรตัวนำยิ่งยวด ซึ่งจำเป็นต่อการทำงานของมัน

ภาพวินิจฉัยทางการแพทย์

การพัฒนาตัวนำยิ่งยวดทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์และเทคนิคการวินิจฉัยด้วยภาพทางการแพทย์ที่ไม่สามารถทำได้มาก่อน หนึ่งในเทคนิคเหล่านี้คือ SQUID magnetoencephalography ซึ่งสามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กหนึ่งในพันล้านของสนามแม่เหล็กที่จำเป็นต่อการเคลื่อนเข็มของเข็มทิศ

การผลิตไฟฟ้า

ประการสุดท้าย การประยุกต์ใช้ล่าสุดอีกประการหนึ่งคือการใช้เครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้าที่ทำจากลวดตัวนำยิ่งยวดแทนลวดทองแดง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหล่านี้มีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องทั่วไปมาก มีขนาดเล็กและเบากว่ามาก

อ้างอิง

ชาร์ลส์ สลิชเตอร์ (2550). บทนำสู่ประวัติความเป็นตัวนำยิ่งยวด (สำหรับนักศึกษาฟิสิกส์และนักวิทยาศาสตร์) สืบค้นจากhttps://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.html

Castelvecchi, D. (ตุลาคม 2020). ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องตัวแรกสร้างความตื่นเต้นและสร้างความยุ่งเหยิงให้กับนักวิทยาศาสตร์ ธรรมชาติ 586, 349 สืบค้นจากhttps://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R.  และคณะ  (2563). ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องในคาร์บอนาเชียสซัลเฟอร์ไฮไดรด์ ธรรมชาติ 586,  373–377. สืบค้นจากhttps://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z#citeas