ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม

ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม

ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม(Conventional superconductors) เป็นตัวนำยวดยิ่งที่สามารถใช้ทฤษฎี BCS อธิบายได้ดี โดยตัวนำยวดยิ่งตัวแรกที่ค้นพบคือปรอทมี T_c=4.15 K ค้นพบในปี 1911 ตัวนำยวดยิ่งในกลุ่มนี้ส่วนใหญ่เป็นธาตุและสารประกอบ เช่น Al มี T_c=1.19 K ,Hg มี T_c=4.15 K ,Nb มี T_c=9.2 K และสารประกอบ เช่น CuS มี T_c=1.6 K โดยสารประกอบที่มี T_c สูงสุดคือ Nb₃G_e คือ T_c=23.2 K

ตัวนำยวดยิ่งในสารประกอบ A-15

ตัวนำยวดยิ่งในสารประกอบ A-15 กลุ่ม A₃B นี้เป็นตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมที่ให้อุณหภูมิวิกฤติสูงที่สุด สารกลุ่มนี้ถูกเรียกชื่อตามระบบการแบ่งโครงสร้างผลึกแบบเก่า การแบ่งโครงสร้างผลึกแบบนี้จะกำหนดให้ อักษร A แทนธาตุ อักษร B แทนสารประกอบ AB อักษร C แทนสารประกอบ AB₂ และอักษร D แทน A_mB_n และจะมีอักษรเพิ่มขึ้น ถ้าสารประกอบนั้นประกอบด้วยจำนวนธาตุมากขึ้น

ตัวนำยวดยิ่งในธาตุ

นักฟิสิกส์ได้ศึกษาะาตุต่างๆและพบว่าสมบัติของการเป็นตัวนำยวดยิ่งสามารถพบได้ในโลหะหลายชนิด (Buckel, 1991; Owens and Pool, 2002) ซึ่งธาตุส่วนใหญ่มีอุณหภูมิวิกฤติไม่เกิน 10 เคลวิน ในบางธาตุสามารถมีอุณภูมิสูงขึ้นได้เมื่ออยู่ในฟิล์มบาง และมีเพียงธาตุซีเซียมตัวเดียวที่สามารถแสดงสมบัติการเป็นตัวนำยวดยิ่งได้

ตัวนำยวดยิ่งในอัลลอย

เกิดจากการผสมกันของธาตุตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปที่มีการจัดเรียงตัวของอะตอมบนแลตทิซไม่สม่ำเสมอ ทำให้อุณหภูมิวิกฤติจะมีค่าไม่สม่ำเสมอ ทำให้ต้องใช้ธาตุที่มาทำอัลลอยมีสัดส่วนที่เหมาะสมกัน เช่น ไนโอเบียม (Nb) มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน (N_e) 5 ตัว ผสมกับเซอร์โครเนียม (Zr) ทีมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว จะทำให้มีอุณหภูมิวิกฤติสูงสุดเมื่อให้สัดส่วน Nb : Zr เป็น 2/3 : 1/3

ความแตกต่างระหว่างตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงกับตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม

ในปัจจุบันตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงที่ถูกค้นพบมีมากมายหลายชนิด แต่ในที่นี้จะสนใจเฉพาะตัวนำยวดยิ่งที่มีคอปเปอร์ออกไซด์เป็นองค์ประกอปหลัก ซึ่งนอกจากจะมีอุณหภูมิวิกฤตที่สูงแล้ว ตัวนำยวดยิ่งอุณภูมสูงยังมีสมบัติอีกหลายประการที่แต่ต่างจากตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม ซึ่งพอจะสรุปได้ดังนี้

1. สมบัติของสารตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจะมีลักษณะขึ้นกับทิศทางเป็นอย่างมาก คือ มีโครงสร้างของอะตอมในผลึกเป็นชั้นๆ และการนำไฟฟ้าในแนวตั้งฉากกับแกนหลักของผลึกเกือบจะไม่มี ทำให้ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมีโครงสร้างการนำไฟฟ้าเกือบเป็น 2 มิติ

2. ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมเป็นตัวนำยวดยิ่งที่ไม่ขึ้นกับทิศทางซึ่งจะมีความยาวอาพันธ์ค่าเดียว แต่ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงส่วนใหญ่จะมีความยาวอาพันธ์ 2 ค่า คือ ความยาวอาพันธ์ในระนาบ ab และความยาวอาพันธ์ตามแกน c โดยความยาวอาพันธ์ทั้ง 2 ค่านี้มีขนาดแตกต่างกันมาก เช่น ในสารประกอบบิสมัทจะมาความยาวอาพันธ์ตามแกน c ประมาณ 2 อังสตรอม แต่ในระนาบ ab มีความยาวอาพันธ์ประมาณ 40 อังสตรอม

3. ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมีความยาวอาพันประมาณ 10-40 อังสตรอม แต่ตีวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมจะมีค่าประมาณ 10,000 อังสตรอม ซึ่งมีค่ามากกว่าตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงประมาณ 1,000 เท่า

4. ในตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม เมื่ออุณหภูมิวิกฤตเพิ่มสูงขึ้นความหนาแน่นของประจุก็จะเพิ่มขึ้นด้วย แต่ในตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงความหนาแน่นของประจุมีรูปแบบที่ไม่ชัดเจนซึ่งได้มีการพบว่าในตัวนพยวดยิ่งอุณหภูมิสูงบางชนิดที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูง แต่จะมีความหนาแน่นประจุค่อนข้างน้อย

5. ค่าช่องว่างพลังงานของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงในแต่ละวิธีของการวัดจะให้ค่าที่ไม่เท่ากันและมีค่าสูงกว่าตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมมาก โดยวิธีการวัดค่าช่องพลังงานที่ใช้มีหลายวิธี เช่น การทะลุผ่าน (Tunneling) การแพร่รังสีอินฟราเรด (Infrared radiation) กราดูดกลืน (Absorption) และการสะท้อน (Reflection)

6. ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงบางชนิดจะมีค่าสัมประสิทธิ์ของไอโซโทปน้อยกว่าและบางชนิดจะให้ค่ามากกว่าทฤษฏี BCS

7. ในตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง อุณหภูมิวิกฤตจะขึ้นกับความเข้มข้นของสารเจือแบบไม่เป็นแม่เหล็ก แต่ในขณะที่ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมอุณหภูมิวิกฤตจะขึ้นกับความเข้มข้นของสารเจือแบบแม่เหล็ก โดยอุณหภูมิวิกฤตขะไม่ขึ้นกับสารเจือแบบไม่เป็นแม่เหล็ก

เนื่องจากมีความแตกต่างระหว่างตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมกับตัวนำยวดยิ่งอุณภูมิสูงหลายประการแต่ว่าการอธิบายสมบัติของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงตามทฤษฏี BCS โดยใช้กลไกของอันตรกิริยาที่ใช้โฟนอนแบบอ่อนและใช้การประมาณในขั้นตอนการคำนวณจะไม่สามารถอธิบายสมบัติของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้ถูกต้องครบถ้วน แนวทางหนึ่งในการพยายามเพื่ออธิยายตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงคือการปรับปรุงทฤษฏี BCS และทฤษฏีกินซ์เบิร์กแลนดาวโดยเพิ่มความละเอียดในการคำนวณให้มากขึ้นและใช้การประมาณในการคำนวณให้น้อยที่สุด เพื่อให้ครอบคลุมสมบัติของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมากที่สุด

อ้างอิง

1. Buckel, W. 1991. Superconductivity: Fundamentals and Applications. New York:VHC Pulisher.
2. Owens, Frank, J., and Poole, Charles P. Jr. 2002. "The New Superconductors." In Wolf Stuart, Selected Topics in Superconductivity. New York:Kluwer Academic Publishers.
3. Burns,1992
4. พงษ์แก้ว อุดมสมุทรหิรัญ, 2559, หน้า 111-115

บรรณานุกรม

• พงษ์แก้ว อุดมสมุทรหิรัญ, ตัวนำยวดยิ่งพื้นฐาน, สำนักพิมพ์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย, 2559