เมื่อสัปดาห์ที่แล้ว ทีมนักวิจัยชาวเกาหลีได้ตีพิมพ์งานวิจัยเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งจุดประกายให้เกิดกระแสความนิยมเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดทางความร้อนทั่วโลกโดยไม่คาดคิด วันนี้เรามาใช้ประโยชน์จากความนิยมนี้และแนะนำประวัติของตัวนำยิ่งยวดกันดีกว่า!
สารบัญ
ทำไมตัวนำยิ่งยวดถึงน่าตื่นเต้นมาก?
ตัวนำยิ่งยวดเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่น่าทึ่ง ซึ่งภายใต้เงื่อนไขบางประการ จะแสดงความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์และผลักสนามแม่เหล็กได้อย่างสมบูรณ์ ซึ่งหมายความว่าในระหว่างขั้นตอนการส่งกระแสไฟฟ้า ตราบใดที่ไม่มีการแทรกแซงจากมนุษย์ กระแสไฟฟ้าจะไม่ลดลง ทำให้การสูญเสียทั้งหมดในสายส่งหมดไป และลดความต้องการในการผลิตไฟฟ้าลงอย่างมาก
การพัฒนาในสาขานี้มีความเกี่ยวข้องกับนักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงมากมาย การค้นพบเชิงทดลองที่สำคัญ และความก้าวหน้าทางทฤษฎี มาสำรวจประวัติศาสตร์ของตัวนำยิ่งยวดและทำความเข้าใจว่าวิวัฒนาการของตัวนำยิ่งยวดจากปรากฏการณ์ลึกลับจนถูกเปิดเผยและนำไปใช้ได้อย่างไร
ประวัติของตัวนำยิ่งยวด
ประวัติศาสตร์ของตัวนำยิ่งยวดสามารถสืบย้อนกลับไปได้ถึงปลายศตวรรษที่ 19 ในปี พ.ศ. 2424 นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ Heike Kamerlingh Onnes ประสบความสำเร็จในการทำให้ฮีเลียมเย็นลงจนเกือบถึงศูนย์สัมบูรณ์ (-273.15°C หรือ 0K) ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ ไลเดนได้สังเกตเห็นโดยไม่คาดคิดว่าความต้านทานของโลหะบางชนิดหายไปอย่างกะทันหัน ซึ่งถือเป็นการค้นพบปรากฏการณ์ตัวนำยิ่งยวดครั้งแรก ไลเดนดำเนินการวิจัยต่อไปและพบว่าปรากฏการณ์นี้ไม่ได้จำกัดอยู่แค่โลหะเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสารประกอบและโลหะผสมบางชนิดด้วย
อย่างไรก็ตาม ในเวลานั้นยังไม่สามารถเข้าใจความลึกลับของตัวนำยิ่งยวดได้อย่างสมบูรณ์ ในปีพ.ศ. 2476 นักฟิสิกส์ชาวสวิส วอลเตอร์ ไมส์เนอร์ และโรเบิร์ต โอชเซนเฟลด์ ร่วมกันเสนอปรากฏการณ์ดิสนีย์-โอชเซนเฟลด์อันโด่งดัง ซึ่งเปิดเผยการผลักกันของตัวนำยิ่งยวดต่อสนามแม่เหล็ก หรือที่เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า “ปรากฏการณ์ดิสนีย์” การค้นพบนี้ไม่เพียงแต่ทำให้เราเข้าใจตัวนำยิ่งยวดมากขึ้นเท่านั้น แต่ยังวางรากฐานให้กับการประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวดในภายหลังอีกด้วย
เมื่อการวิจัยเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดมีความเข้มข้นมากขึ้น นักวิทยาศาสตร์ก็เริ่มทำงานอย่างหนักเพื่ออธิบายลักษณะของปรากฏการณ์ตัวนำยิ่งยวด ในปีพ.ศ. 2500 จอห์น บาร์ดีน ลีออน คูเปอร์ และโรเบิร์ต ชรีฟเฟอร์ ได้เสนอทฤษฎี BCS อันโด่งดัง ซึ่งอธิบายกลไกการจับคู่ของอิเล็กตรอนในตัวนำยิ่งยวด ทฤษฎี BCS กลายเป็นกรอบงานสำคัญในการทำความเข้าใจพฤติกรรมของตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิต่ำและได้วางรากฐานทางทฤษฎีสำหรับการวิจัยตัวนำยิ่งยวด
อย่างไรก็ตาม ตัวนำยิ่งยวดในยุคแรกสามารถแสดงสภาพนำยิ่งยวดได้เฉพาะที่อุณหภูมิต่ำมากเท่านั้น ซึ่งจำกัดการนำไปใช้งานจริง ในปีพ.ศ. 2529 การค้นพบคุณสมบัติการนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงจึงทำให้เกิดความฮือฮาในชุมชนวิทยาศาสตร์ ทีมนักวิจัยซึ่งประกอบด้วยนักฟิสิกส์ชาวสวิส George Bedner นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน K. Alex Müller และนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน J. Georg Bednorz ค้นพบว่าสารประกอบคอปเปอร์ออกไซด์สามารถบรรลุสภาพนำยิ่งยวดได้ที่อุณหภูมิที่ค่อนข้างสูง ความก้าวหน้าครั้งนี้หมายความว่าตัวนำยิ่งยวดอาจไม่ถูกจำกัดอยู่เพียงในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำมากอีกต่อไป แต่คาดว่าจะมีบทบาทในการประยุกต์ใช้จริงมากขึ้น
ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา การวิจัยเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงก็มีความก้าวหน้าอย่างมาก นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบวัสดุตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงหลายชนิดและค่อยๆ ไขความลึกลับบางประการของตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงได้ วัสดุเหล่านี้สามารถบรรลุคุณสมบัติการนำยิ่งยวดได้ที่อุณหภูมิไนโตรเจนเหลว ซึ่งเปิดโอกาสใหม่ ๆ ให้กับการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวด เช่น ในการส่งพลังงาน การยกด้วยแม่เหล็ก และส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์
การประยุกต์ใช้ของตัวนำยิ่งยวดกำลังขยายตัวอย่างต่อเนื่อง ในด้านการส่งพลังงาน การใช้สายตัวนำยิ่งยวดสามารถลดการสูญเสียพลังงานระหว่างการส่งกระแสไฟฟ้าได้อย่างมาก และช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน นอกจากนี้ แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดยังมีบทบาทสำคัญในเทคโนโลยีการวินิจฉัยทางการแพทย์ เช่น การถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (MRI) และยังมีแนวโน้มการประยุกต์ใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เครื่องเร่งความเร็ว และการคำนวณควอนตัมอีกด้วย
โดยสรุป ประวัติการพัฒนาของตัวนำยิ่งยวดได้ผ่านวิวัฒนาการจากปรากฏการณ์ในช่วงเริ่มแรกสู่การนำไปใช้งานจริงในเวลาต่อมา
เหตุผลที่ทำให้ผู้คนตั้งตารอวัสดุตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง
หตุผลที่ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องได้รับความสนใจและความคาดหวังเป็นอย่างมากนั้น สะท้อนถึงสิ่งที่กล่าวมาข้างต้น เนื่องจากตัวนำยิ่งยวดที่มีอยู่ในปัจจุบันนั้นสามารถผลิตและทำงานได้ภายใต้สภาพอุณหภูมิที่รุนแรงเท่านั้น ซึ่งทำให้การใช้งานจริงทำได้ยากยิ่งขึ้น หากตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องปรากฏขึ้น ก็มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลงความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในปัจจุบันของเรา และนำไปสู่ยุคใหม่ของตัวนำยิ่งยวด
