ปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดคืออะไร? ความเป็นตัวนำยิ่งยวดเป็นปรากฏการณ์ที่มีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์และการปล่อยสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในวัสดุบางชนิดที่เรียกว่าตัวนำยิ่งยวด เมื่อทำให้เย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตที่เป็นลักษณะเฉพาะ
นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ Heike Kamerling-Onnes ค้นพบปรากฏการณ์นี้เมื่อวันที่ 8 เมษายน 1911 ในเมืองไลเดน ความเป็นตัวนำยิ่งยวดเป็นปรากฏการณ์ทางกลของควอนตัม เช่นเดียวกับเส้นสเปกตรัมเฟอร์โรแมกเนติกและสเปกตรัมอะตอม มีลักษณะพิเศษโดยเอฟเฟกต์ Meissner ซึ่งเป็นการขับเส้นสนามแม่เหล็กที่สมบูรณ์จากภายในตัวนำยิ่งยวดระหว่างการเปลี่ยนสถานะเป็นตัวนำยิ่งยวด
นี่คือแก่นแท้ของปรากฏการณ์ตัวนำยิ่งยวด การเกิดขึ้นของเอฟเฟกต์ Meissner บ่งชี้ว่าไม่สามารถเข้าใจความเป็นตัวนำยิ่งยวดได้ง่ายๆ ว่าเป็นการทำให้อุดมคติของการนำไฟฟ้าในอุดมคติในฟิสิกส์คลาสสิก
ปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดคืออะไร
ความต้านทานไฟฟ้าของตัวนำโลหะค่อยๆ ลดลงตามลดอุณหภูมิ ในตัวนำทั่วไป เช่น ทองแดงหรือเงิน การลดลงนี้ถูกจำกัดโดยสิ่งเจือปนและข้อบกพร่องอื่นๆ แม้ใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ ตัวอย่างจริงของตัวนำปกติก็แสดงความต้านทานอยู่บ้าง ในตัวนำยิ่งยวด ความต้านทานจะลดลงอย่างรวดเร็วเป็นศูนย์เมื่อวัสดุถูกทำให้เย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต กระแสไฟฟ้าที่ผ่านวงจรของลวดตัวนำยิ่งยวดสามารถรักษาได้โดยไม่มีกำหนดแหล่งพลังงาน นี่คือคำตอบของคำถาม อะไรคือปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวด
ประวัติศาสตร์
ในปี 1911 ในขณะที่ศึกษาคุณสมบัติของสสารที่อุณหภูมิต่ำมาก Heike Kamerling Onnes นักฟิสิกส์ชาวดัตช์และทีมของเขาได้ค้นพบว่าความต้านทานไฟฟ้าของปรอทลดลงเหลือศูนย์ต่ำกว่า 4.2 K (-269°C) นี่เป็นการสังเกตปรากฏการณ์ตัวนำยิ่งยวดเป็นครั้งแรก องค์ประกอบทางเคมีส่วนใหญ่กลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำพอ
ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตที่แน่นอน วัสดุจะผ่านเข้าสู่สถานะตัวนำยิ่งยวด โดยมีคุณสมบัติหลักสองประการ: ประการแรก วัสดุเหล่านี้ไม่ต้านทานการผ่านของกระแสไฟฟ้า เมื่อความต้านทานลดลงเหลือศูนย์ กระแสจะหมุนเวียนภายในวัสดุโดยไม่สูญเสียพลังงาน
ประการที่สอง สนามแม่เหล็กภายนอกจะไม่ทะลุผ่านตัวนำยิ่งยวด หากอ่อนเพียงพอ สนามแม่เหล็กภายนอกจะยังคงอยู่บนผิวของตัวนำยิ่งยวด ปรากฏการณ์การขับออกจากสนามนี้กลายเป็นที่รู้จักในชื่อ Meissner effect หลังจากที่นักฟิสิกส์ค้นพบครั้งแรกในปี 1933
สามชื่อ ตัวอักษรสามตัวกับทฤษฎีที่ไม่สมบูรณ์
ฟิสิกส์ธรรมดาไม่ให้พอคำอธิบายของสถานะตัวนำยิ่งยวด เช่นเดียวกับทฤษฎีควอนตัมเบื้องต้นของสถานะของแข็ง ซึ่งพิจารณาพฤติกรรมของอิเล็กตรอนแยกจากพฤติกรรมของไอออนในผลึกตาข่าย
เฉพาะในปี 1957 นักวิจัยชาวอเมริกันสามคน - John Bardeen, Leon Cooper และ John Schrieffer ได้สร้างทฤษฎีการนำไฟฟ้ายิ่งยวดด้วยกล้องจุลทรรศน์ ตามทฤษฎี BCS อิเล็กตรอนจะรวมตัวกันเป็นคู่ผ่านการสั่นไหวของโครงตาข่าย (เรียกว่า "โฟนอน") ทำให้เกิดคู่คูเปอร์ที่เคลื่อนที่โดยไม่มีแรงเสียดทานภายในของแข็ง ของแข็งสามารถมองได้ว่าเป็นโครงข่ายของไอออนบวกที่แช่อยู่ในกลุ่มเมฆอิเล็กตรอน เมื่ออิเล็กตรอนผ่านโครงตาข่ายนี้ ไอออนจะเคลื่อนที่เล็กน้อย โดยถูกประจุลบของอิเล็กตรอนดึงดูด การเคลื่อนไหวนี้ทำให้เกิดพื้นที่บวกทางไฟฟ้า ซึ่งจะดึงดูดอิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่ง
พลังงานของปฏิกิริยาทางอิเล็กทรอนิกส์ค่อนข้างอ่อน และไอระเหยสามารถสลายได้ง่ายด้วยพลังงานความร้อน - ตัวนำยิ่งยวดมักเกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำมาก อย่างไรก็ตาม ทฤษฎี BCS ไม่ได้ให้คำอธิบายเกี่ยวกับการมีอยู่ของตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงที่ประมาณ 80 K (-193 °C) ขึ้นไป ซึ่งต้องเกี่ยวข้องกับกลไกการจับอิเล็กตรอนอื่นๆ การประยุกต์ใช้ปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดขึ้นอยู่กับกระบวนการข้างต้น
อุณหภูมิ
ในปี 1986 พบว่าวัสดุเซรามิกประเภท cuprate-perovskite มีอุณหภูมิวิกฤตที่สูงกว่า 90 K (-183 °C) อุณหภูมิทางแยกที่สูงนี้ในทางทฤษฎีเป็นไปไม่ได้สำหรับตัวนำยิ่งยวดทั่วไป ซึ่งนำไปสู่วัสดุที่เรียกว่าตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ไนโตรเจนเหลวที่ทำความเย็นได้จะเดือดที่ 77 K และด้วยเหตุนี้ความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงกว่าเหล่านี้ช่วยให้การทดลองและการใช้งานต่างๆ ทำได้น้อยลงในอุณหภูมิที่ต่ำกว่า นี่คือคำตอบสำหรับคำถามที่ปรากฏการณ์ของการนำยิ่งยวดเกิดขึ้นที่อุณหภูมิเท่าใด
การจำแนก
ตัวนำยิ่งยวดสามารถจำแนกได้ตามเกณฑ์หลายประการที่ขึ้นอยู่กับความสนใจของเราในคุณสมบัติทางกายภาพของพวกมัน ตามความเข้าใจที่เรามีเกี่ยวกับพวกมัน ค่าใช้จ่ายในการทำให้เย็นตัวลงที่มีราคาแพง หรือวัสดุที่พวกมันทำขึ้น
ด้วยคุณสมบัติแม่เหล็ก
ตัวนำยิ่งยวด Type I: ตัวนำยิ่งยวดที่มีช่องวิกฤตเพียงช่องเดียว Hc และเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งอย่างกะทันหันเมื่อถึงระดับ
ประเภทที่ 2 ตัวนำยิ่งยวด: มีสองช่องวิกฤต Hc1 และ Hc2 เป็นตัวนำยิ่งยวดที่สมบูรณ์แบบภายใต้ช่องวิกฤตล่าง (Hc1) และออกจากสถานะตัวนำยิ่งยวดเหนือช่องวิกฤตบน (Hc2) อย่างสมบูรณ์ อยู่ในสถานะผสมระหว่าง ช่องวิกฤต
เราเข้าใจพวกเขาแล้ว
ตัวนำยิ่งยวดสามัญ: ตัวนำยิ่งยวดที่สามารถอธิบายได้อย่างเต็มที่ด้วยทฤษฎี BCS หรือทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง
ตัวนำยิ่งยวดแหวกแนว: ตัวนำยิ่งยวดที่ไม่สามารถอธิบายได้โดยใช้ทฤษฎีดังกล่าว เช่น: เฟอร์มิโอนิกหนักตัวนำยิ่งยวด
เกณฑ์นี้มีความสำคัญเนื่องจากทฤษฎี BCS ได้อธิบายคุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวดทั่วไปมาตั้งแต่ปี 2500 แต่ในทางกลับกัน ไม่มีทฤษฎีที่น่าพอใจใดๆ ที่จะอธิบายตัวนำยิ่งยวดที่แหกคอกโดยสิ้นเชิง ในกรณีส่วนใหญ่ ตัวนำยิ่งยวด Type I เป็นเรื่องปกติ แต่มีข้อยกเว้นบางประการ เช่น ไนโอเบียม ซึ่งเป็นทั้งแบบทั่วไปและประเภท II
ตามอุณหภูมิวิกฤต
ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิต่ำหรือ LTS: ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำกว่า 30 K.
ตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงหรือ HTS: ตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤตมากกว่า 30 K ตอนนี้บางคนใช้ 77 K เป็นตัวแยกเพื่อเน้นว่าเราสามารถทำให้ตัวอย่างเย็นลงด้วยไนโตรเจนเหลว (ซึ่งมีจุดเดือด 77 K) หรือไม่ เป็นไปได้มากกว่าฮีเลียมเหลวมาก (เป็นทางเลือกในการเข้าถึงอุณหภูมิที่จำเป็นในการผลิตตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ)
รายละเอียดอื่นๆ
ตัวนำยิ่งยวดสามารถเป็นประเภทที่ 1 ได้ ซึ่งหมายความว่ามีสนามวิกฤตเพียงแห่งเดียว เหนือสิ่งอื่นใดซึ่งความเป็นตัวนำยิ่งยวดจะหายไป และด้านล่างซึ่งสนามแม่เหล็กจะถูกกำจัดออกจากตัวนำยิ่งยวดโดยสมบูรณ์ Type II หมายความว่ามีสนามวิกฤตสองแห่งระหว่างที่อนุญาตให้เจาะสนามแม่เหล็กบางส่วนผ่านจุดที่แยกได้ จุดเหล่านี้เรียกว่ากระแสน้ำวน นอกจากนี้ ในตัวนำยิ่งยวดที่มีหลายองค์ประกอบ อาจเกิดพฤติกรรมสองอย่างร่วมกันได้ ในกรณีนี้ ตัวนำยิ่งยวดเป็นประเภท 1, 5.
คุณสมบัติ
คุณสมบัติทางกายภาพส่วนใหญ่ของตัวนำยิ่งยวดแตกต่างกันไปตามวัสดุ เช่น ความจุความร้อนและอุณหภูมิวิกฤต สนามวิกฤต และความหนาแน่นกระแสวิกฤตที่ตัวนำยิ่งยวดสลายตัว
ในทางกลับกัน มีคุณสมบัติประเภทหนึ่งที่ไม่ขึ้นกับวัสดุหลัก ตัวอย่างเช่น ตัวนำยิ่งยวดทั้งหมดมีความต้านทานเป็นศูนย์อย่างแน่นอนที่กระแสไฟต่ำ เมื่อไม่มีสนามแม่เหล็ก หรือเมื่อสนามที่ใช้ไม่เกินค่าวิกฤต
การมีอยู่ของคุณสมบัติสากลเหล่านี้บอกเป็นนัยว่าความเป็นตัวนำยิ่งยวดเป็นเฟสทางอุณหพลศาสตร์และดังนั้นจึงมีคุณสมบัติที่โดดเด่นบางประการซึ่งส่วนใหญ่ไม่ขึ้นกับรายละเอียดด้วยกล้องจุลทรรศน์
สถานการณ์ในตัวนำยิ่งยวดต่างกัน ในตัวนำยิ่งยวดทั่วไป ของเหลวอิเล็กตรอนไม่สามารถแยกออกเป็นอิเล็กตรอนแต่ละตัวได้ แต่จะประกอบด้วยอิเล็กตรอนคู่ที่เรียกว่าคูเปอร์คู่ การจับคู่นี้เกิดจากแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนที่เกิดจากการแลกเปลี่ยนโฟนอน เนื่องจากกลศาสตร์ควอนตัม สเปกตรัมพลังงานของของเหลวคู่คูเปอร์นี้มีช่องว่างพลังงาน นั่นคือ มีพลังงานจำนวนขั้นต่ำ ΔE ที่ต้องจ่ายเพื่อกระตุ้นของเหลว
ดังนั้น หาก ΔE มากกว่าพลังงานความร้อนของตะแกรงที่กำหนดโดย kT โดยที่ k คือค่าคงที่ Boltzmann และ T คืออุณหภูมิ ของเหลวจะไม่กระจัดกระจายไปตามตะแกรง ดังนั้นดังนั้นไอคูเปอร์ของเหลวจึงเป็นซุปเปอร์ฟลูอิด ซึ่งหมายความว่ามันสามารถไหลได้โดยไม่สูญเสียพลังงาน
ลักษณะตัวนำยิ่งยวด
ในวัสดุตัวนำยิ่งยวด ลักษณะของตัวนำยิ่งยวดจะปรากฏขึ้นเมื่ออุณหภูมิ T ลดลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต Tc ค่าของอุณหภูมิวิกฤตนี้จะแตกต่างกันไปในแต่ละวัสดุ ตัวนำยิ่งยวดทั่วไปมักมีอุณหภูมิวิกฤตตั้งแต่ประมาณ 20 K ถึงน้อยกว่า 1 K
ตัวอย่างเช่น ปรอทที่เป็นของแข็งมีอุณหภูมิวิกฤตที่ 4.2 K ในปี 2015 อุณหภูมิวิกฤตสูงสุดที่พบสำหรับตัวนำยิ่งยวดทั่วไปคือ 203 K สำหรับ H2S แม้ว่าต้องใช้แรงดันสูงประมาณ 90 กิกะปาสคาล ตัวนำยิ่งยวดแบบ Cuprate สามารถมีอุณหภูมิวิกฤตที่สูงกว่าได้มาก: YBa2Cu3O7 ซึ่งเป็นหนึ่งในตัวนำยิ่งยวดแบบ cuprate แรกที่ค้นพบมีอุณหภูมิวิกฤตที่ 92 K และพบ Cuprate แบบปรอทที่มีอุณหภูมิวิกฤตเกิน 130 K คำอธิบายสำหรับอุณหภูมิวิกฤตที่สูงเหล่านี้ยังคงอยู่ ไม่ทราบ
การจับคู่อิเล็กตรอนเนื่องจากการแลกเปลี่ยนโฟนอนอธิบายความเป็นตัวนำยิ่งยวดในตัวนำยิ่งยวดทั่วไป แต่ไม่ได้อธิบายความเป็นตัวนำยิ่งยวดในตัวนำยิ่งยวดรุ่นใหม่ซึ่งมีอุณหภูมิวิกฤตที่สูงมาก
สนามแม่เหล็ก
ในทำนองเดียวกัน ที่อุณหภูมิคงที่ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต วัสดุตัวนำยิ่งยวดจะหยุดตัวนำยิ่งยวดเมื่อใช้สนามแม่เหล็กภายนอกที่มากกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤต เนื่องจากพลังงานอิสระกิ๊บส์ของเฟสตัวนำยิ่งยวดเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าด้วยสนามแม่เหล็ก ในขณะที่พลังงานอิสระของเฟสปกตินั้นไม่ขึ้นกับสนามแม่เหล็กโดยประมาณ
ถ้าวัสดุเป็นตัวนำยิ่งยวดโดยที่ไม่มีสนาม พลังงานอิสระของเฟสตัวนำยิ่งยวดจะน้อยกว่าเฟสปกติ ดังนั้นสำหรับค่าที่แน่นอนของสนามแม่เหล็ก (สัดส่วนกับสี่เหลี่ยมจัตุรัส รากของความแตกต่างของพลังงานอิสระที่ศูนย์) พลังงานอิสระทั้งสองจะเท่ากัน และจะมีการเปลี่ยนเฟสเป็นเฟสปกติ โดยทั่วไปแล้ว อุณหภูมิที่สูงขึ้นและสนามแม่เหล็กที่แรงกว่าส่งผลให้สัดส่วนของอิเล็กตรอนตัวนำยิ่งยวดน้อยลง ดังนั้นจึงมีความลึกมากขึ้นในการเจาะสนามแม่เหล็กและกระแสภายนอกในลอนดอน ความลึกของการเจาะจะไม่มีที่สิ้นสุดเมื่อเปลี่ยนเฟส
กายภาพ
การเริ่มต้นของตัวนำยิ่งยวดนั้นมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันในคุณสมบัติทางกายภาพต่างๆ ซึ่งเป็นจุดเด่นของการเปลี่ยนเฟส ตัวอย่างเช่น ความจุความร้อนของอิเล็กตรอนเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิในระบบการปกครองปกติ (ไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวด) ที่การเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวด จะเกิดการกระโดดและหลังจากนั้นจะหยุดเป็นเส้นตรง ที่อุณหภูมิต่ำ มันจะเปลี่ยนแทน e−α/T สำหรับค่าคงที่ α บางส่วน พฤติกรรมเลขชี้กำลังนี้เป็นหนึ่งในหลักฐานของการมีอยู่ของช่องว่างพลังงาน
การเปลี่ยนเฟส
คำอธิบายปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดค่อนข้างมากอย่างชัดเจน. ลำดับของการเปลี่ยนเฟสของตัวนำยิ่งยวดได้รับการกล่าวถึงเป็นเวลานาน การทดลองแสดงให้เห็นว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงลำดับที่สอง กล่าวคือ ความร้อนแฝง อย่างไรก็ตาม เมื่อมีสนามแม่เหล็กภายนอก จะมีความร้อนแฝงเนื่องจากเฟสตัวนำยิ่งยวดมีเอนโทรปีต่ำกว่า ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต กว่าเฟสปกติ
ทดลองสาธิตสิ่งต่อไปนี้: เมื่อสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้นและเกินสนามวิกฤต การเปลี่ยนเฟสที่เป็นผลลัพธ์จะทำให้อุณหภูมิของวัสดุตัวนำยิ่งยวดลดลง ปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดได้รับการอธิบายไว้สั้น ๆ ข้างต้น ตอนนี้ถึงเวลาที่จะบอกคุณบางอย่างเกี่ยวกับความแตกต่างของผลกระทบที่สำคัญนี้
การคำนวณในปี 1970 แสดงให้เห็นว่าในความเป็นจริงมันอาจจะอ่อนแอกว่าคำสั่งแรกเนื่องจากอิทธิพลของความผันผวนในระยะยาวในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ในช่วงทศวรรษ 1980 มีการแสดงในทางทฤษฎีโดยใช้ทฤษฎีสนามความผิดปกติ ซึ่งเส้นกระแสน้ำวนของตัวนำยิ่งยวดมีบทบาทสำคัญ ว่าการเปลี่ยนแปลงเป็นลำดับที่สองในโหมดประเภท II และลำดับที่หนึ่ง (เช่น ความร้อนแฝง) ในโหมดประเภท I และ ว่าทั้งสองภูมิภาคถูกคั่นด้วยจุดสามจุด
ผลลัพธ์ได้รับการยืนยันอย่างมากจากการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ในมอนติคาร์โล สิ่งนี้มีบทบาทสำคัญในการศึกษาปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวด งานยังคงดำเนินต่อไปในปัจจุบัน สาระสำคัญของปรากฏการณ์ของการนำยิ่งยวดนั้นยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างสมบูรณ์และอธิบายได้จากมุมมองของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่
