ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิห้อง

สารประกอบเซรามิกอิตเทรียมแบเรียมคอปเปอร์ออกไซด์ (Yttrium barium copper oxide หรือ YBCO) มีสูตรทางเคมี YBa₂Cu₃O_7−x (โดย x มีค่าตั้งแต่ 0 ถึง 0.65) มันเป็นวัสดุชนิดแรกที่ค้นพบว่ามีอุณหภูมิวิกฤติของการเปลี่ยนสภาพเป็นตัวนำยิ่งยวดสูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว คุณสมบัติพิเศษที่ทำให้ YBCO เป็นตัวนำยิ่งยวดได้ในอุณหภูมิสูงเมื่อเทียบกับวัสดุตัวนำยิ่งยวดอื่นๆ คือ ในโครงสร้างผลึกของมัน มีชั้นบางๆ ของคอปเปอร์ออกไซด์ประกบสลับกับชั้นแบเรียม/คอปเปอร์/ออกซิเจนที่หนากว่า ตรงชั้นคอปเปอร์ออกไซด์จะมีอิเล็กตรอนที่จับคู่กันเกิดเป็น Cooper pair ขึ้น ซึ่งอิเล็กตรอนที่จับคู่กันเป็น Cooper pair จะสามารถวิ่งทะลุผ่านชั้นในโครงผลึกได้เสมือนเป็น "วิญญาณ" นี่เป็นเหตุผลที่ทำให้กระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านผลึก YBCO ได้โดยไม่มีแรงต้านทาน (ความจริง มันไม่ใช่วิญญาณหรอก แต่อิเล็กตรอนเป็นอนุภาค fermion มีสปิน -1/2 พอจับคู่กันเป็น Cooper pair ก็จะมีสปิน 0 หรือ 1 ทำให้มันประพฤติตัวเหมือนเป็นอนุภาค boson ได้ตามทฤษฎี BCS theory และสามารถวิ่งทะลุไปยังชั้นคอปเปอร์ออกไซด์อีกชั้นได้ด้วยปรากฏการณ์ Quantum tunneling)

เมื่อประมาณต้นปี 2014 ทีมนักฟิสิกส์จาก Max Planck Institute ในฮัมบวร์ค ประเทศเยอรมนี ค้นพบว่าเมื่อผลึก YBCO ถูกระดมยิงด้วยเลเซอร์รังสีอินฟราเรด มันจะกลายเป็นตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด (superconductor) ที่อุณหภูมิห้องเป็นระยะเวลาสั้นๆ ประมาณไม่กี่พิโควินาที (1 picosecond = 1 ส่วนล้านล้านวินาที) แต่พวกเขาก็ไม่ทราบแน่ชัดว่าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้อย่างไร (Phys. Rev. B 2014; 89, 184516)

เพื่อที่จะศึกษาปรากฏการณ์ดังกล่าวให้ละเอียดขึ้น นักฟิสิกส์ของ Max Planck Institute จึงร่วมมือกับนักวิจัยจากฝรั่งเศส, สวิตเซอร์แลนด์, และสหรัฐอเมริกา หาทางวิเคราะห์โครงสร้างผลึกของ YBCO ด้วย Linac Coherent Light Source ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดรังสีเอ็กซ์ที่ทรงพลังที่สุดในยุคนี้ ผลจากการวิเคราะห์พบว่าเลเซอร์รังสีอินฟราเรดไม่ได้แค่ทำให้อะตอมในผลึก YBCO สั่นอย่างที่พวกเขาคาดเดาไว้ในตอนแรก แต่มันยังทำให้อะตอมทั้งชั้นขยับเคลื่อนจากตำแหน่งเดิมด้วย การเคลื่อนตำแหน่งของอะตอมนี่เองคือคำตอบที่--พวกเขาเชื่อว่า--อธิบายสภาพตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องของ YBCO

เลเซอร์รังสีอินฟราเรดลำแสงสั้นๆ จะไปทำให้อะตอมใน YBCO เกิดการสั่น พอสั่นหนักเข้าๆ อะตอมก็จะเขยื้อนตำแหน่งไปเล็กน้อย (ประมาณ 2 พิโคเมตร หรือ 2 ส่วนล้านล้านเมตร) การเขยื้อนตำแหน่งชั่วคราวนี้ทำให้ชั้นคอปเปอร์ออกไซด์หนาขึ้นกว่าเดิมโดยปริยาย ระยะห่างระหว่างชั้นคอปเปอร์ออกไซด์จึงถูกบีบให้แคบลง เมื่อระยะห่างลดลง โอกาสที่คู่อิเล็กตรอน Cooper pair จะทะลุวิ่งผ่านผลึกได้ก็ยิ่งมีมากขึ้น พอ Cooper pair วิ่งทะลุได้มากพอ กระแสไฟฟ้าก็จะไหลโดยไร้แรงต้านทาน ผลึก YBCO จึงกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดในชั่วระยะสั้นๆ นี่นับเป็นครั้งแรกที่มีการรายงานสภาพตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องและสามารถยืนยันผลได้อย่างเป็นทางการ

ปัจจุบันเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดจำเป็นจะต้องทำกันในอุณหภูมิที่ต่ำมากๆ แม้แต่สิ่งที่เรียกกันว่า "ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง" ก็ยังมีอุณหภูมิวิกฤติของการเปลี่ยนสภาพการนำไฟฟ้าอยู่ที่ระดับหลักติดลบร้อยองศาเซลเซียส สภาพตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องเป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ใฝ่ฝันมาเนิ่นนานแล้ว หากเราค้นพบวิธีที่ทำให้สภาพตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องของ YBCO อยู่ในนานขึ้นถึงในระดับที่ใช้งานได้ มันก็จะพลิกโฉมเทคโนโลยีอีกหลายสาขาเลย

แม่เหล็กกำลังลอยตัวอยู่เหนือตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง

ตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิห้อง (อังกฤษ: room-temperature superconductor) เป็นสมมุติฐานของวัสถุตัวนำยวดยิ่งที่จะมีอุณหภูมิวิกฤตที่มีค่าเหนืออุณหภูมิห้อง 0° (273.15 K) ในปัจจุบันพบว่าอุณหภูมิวิกฤตที่ค้นพบในตัวนำยวดยิ่งในปังจจุบันทีค่าสูงถึง ‑135 °C (138 K) and 164K ภาตใต้เงื่อนไขของความดัน

1. https://jusci.net/node/3385
2. P. Dai, B.C. Chakoumakos, G.F. Sun, K.W. Wong, Y. Xin, D.F. Lu (1995). "Synthesis and neutron powder diffraction study of the superconductor HgBa2Ca2Cu3O8 + δ by Tl substitution". Physica C. 243 (3–4): 201–206. Bibcode:1995PhyC..243..201D. doi:10.1016/0921-4534(94)02461-8.CS1 maint: multiple names: authors list (link)