สมบัติตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง
สมบัติของตัวนำยวดยิ่ง หมายถึง สารที่อยู่ในสถานะนำยวดยิ่งมีสมบัติหลายประการที่แตกต่างกันจากสารที่อยู่ในสถานะนำปกติต่อไปนี้จะกล่าวถึงสมบัติเบื้องต้นของตัวนำยวดยิ่งทั้งแบบเดิมและตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง อาทิเช่น ความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ ปรากฏการณ์ไมสเนอร์ สนามแม่เหล็ก ปรากฏการณ์ไอโซโทป และความไม่ต่อเนื่องของฟลักซ์แม่เหล็ก
สมบัติทางไฟฟ้าของตัวนำยวดยิ่ง แก้
ในปี พ.ศ. 2451 (T.A.Vanderah. 1990) นักฟิสิกส์ชาวเนเธอแลนด์ ชื่อคาร์เมอร์ลิงน์ ออนเนส (Kamerling Onnes) ได้ทำฮีเลียมเหลวขึ้นมาได้ ต่อมาในปี พ.ศ. 2454 ออนเนสได้ทำการวัดสภาพต้านทานไฟฟ้าของปรอทบริสุทธิ์เป็นครั้งแรก โดยได้ใส่ปรอทลงในภาชนะรูปวงแหวน จากนั้นนำไปแช่ในฮีเลียมเหลวเมื่ออุณหภูมิของสารลดลงแล้ว พบว่าสภาพต้านทานไฟฟ้าของปรอทมีค่าเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิประมาณ 4.2 เคลวิน โดยอุณหภูมินี้เป็นอุณหภูมิที่ปรอทเกิดการเปลี่ยนสถานะ จากสถานะปกติเป็นสถานะนำยวดยิ่งอย่างทันทีทันใด เรียกอุณหภูมินี้ว่า อุณหภูมิวิกฤต (Critical Temperature,Tc) ซึ่งปรอทไร้สภาพต้านทานไฟฟ้าที่อุณหภูมินี้ ต่อจากนั้นมาเขาก็ได้ทดลองวัดสภาพต้านทานไฟฟ้าของโลหะชนิดต่างๆ เพิ่มเติม เช่น ตะกั่ว (Pb) ดีบุก (Sn) ไนโอเบียม (Nb)
โดยโลหะที่ทดลองเพิ่มเติมเหล่านี้มีค่าอุณหภูมิวิกฤต เท่ากับ 3.69, 7.26 และ 9.2 เคลวิน ตามลำดับ ในการค้นพบตัวนำยวดยิ่งยุคแรกๆ ค่าอุณหภูมิวิกฤตของสารค่อนข้างต่ำโดยไม่เกิน 10 เคลวิน และเรียกตัวนำยวดยิ่งกลุ่มนี้ว่าตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ (Low Temperature Superconductors) หรือ ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม (Conventional Superconductors) เมื่อตัวนำยวดยิ่งที่ไร้สภาพต้านทานไฟฟ้า จะทำให้กระแสที่ให้เข้าไปไม่มีการสูญเสียพลังงานเมื่อเวลาผ่านไป เรียกกระแสไฟฟ้านี้ว่า กระแสไฟฟ้ายืนยง (Persistent Current) หรือกระแสไฟฟ้ายวดยิ่ง (Supercurrent)
จากกฎของแอมแปร์(Ampere’ s Law) ที่ใช้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กและกระแสไฟฟ้า จะพบว่าเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลวนรอบวงแหวนของตัวนำยวดยิ่งที่มีค่าความเหนี่ยวนำตนเอง (L) เมื่อกระแสไฟฟ้ามีค่าลดลงเนื่องจากมีความต้านทานไฟฟ้าจะได้ค่าคงที่เวลา (Time Constant) มีสมการเป็น τ= L/R และพบว่า ค่ากระแสนี้มีระยะเวลาประมาณ 100,000 ปี เมื่อนำมาหาค่าสภาพต้านทานไฟฟ้า จะได้ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้าที่น้อยมากๆ ซึ่งเท่ากับ 10-26 Ω.m ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้านี้มีค่าน้อยกว่าสถานะปกติ มากกว่า 1018 เท่า ซึ่งปกติแล้วสภาพต้านทานไฟฟ้าของทองแดงถือว่าเป็นโลหะนำไฟฟ้าที่ดีที่สุดชนิดหนึ่ง ณ อุณหภูมิห้องมีค่าประมาณ 10-8 Ω.m ดังนั้นจึงถือเป็นข้อพิสูจน์ได้อย่างสมเหตุสมผลว่ามีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์จริงในตัวนำยวดยิ่ง นอกจากนี้กระแสยืนยงจะมีอยู่ได้เมื่อค่าของกระแสมีค่าที่ต่ำกว่าค่ากระแสค่าหนึ่งเท่านั้นและถ้ากระแสที่ไหลผ่านมีค่าสูงกว่าค่านี้แล้วจะทำให้สภาพนำยวดยิ่งถูกทำลายกลายสภาพเป็นตัวนำปกติได้ทันที เรียกกระแสที่ทำลายสภาพนำยวดยิ่งนี้ว่า กระแสวิกฤต (Critical Current, Jc) ค่ากระแสนี้ มีค่าไม่เท่ากันขึ้นกับตัวนำยวดยิ่งแต่ละชนิด
สมบัติทางแม่เหล็กของตัวนำยวดยิ่ง แก้
ในปี พ.ศ. 2476 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อไมส์เนอร์ และโอเซนฟิลด์ (Meissner& Ochsenfeld. 1933) ได้ทำการทดลองและพบว่าเมื่อตัวนำยวดยิ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตแล้วให้สนามแม่เหล็กภายนอกกับตัวนำยวดยิ่งนี้ ตัวนำยวดยิ่งจะไม่ยอมให้สนามแม่เหล็กพุ่งผ่านเข้าไปในเนื้อได้เลยและยังผลักสนามแม่เหล็กออกอีกด้วย จึงเรียก ปรากฏการณ์นี้ว่า ปรากฏการณ์ไมส์เนอร์และโอเซนฟิลด์ ต่อมาเรียกสั้นๆ ว่าปรากฏการณ์ไมส์เนอร์
ปรากฏการณ์ไมส์เนอร์เป็นปรากฏการณ์ที่นิยมใช้ในการทดสอบว่าสารมีสภาพนำยวดยิ่งซึ่งเกิดขึ้น จากการให้สนามแม่เหล็กภายนอกเข้าไปในขณะที่สารมีสภาพนำยวดยิ่ง สนามแม่เหล็กภายนอกทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ผิวของตัวนำยวดยิ่งและกระแสไฟฟ้าดังกล่าวจะสร้างสนามแม่เหล็กที่มีขนาดเท่ากันแต่มีทิศตรงข้ามกับสนามแม่เหล็กที่ให้เข้าไปจึงทำให้สนามแม่เหล็กภายในของสารนั้นมีค่าเป็นศูนย์
จากปรากฏการณ์ข้างต้นจึงจัดว่าตัวนำยวดยิ่งมีคุณสมบัติเป็นสารแม่เหล็กไดอาแบบสมบูรณ์ (Perfect Diamagnetic) การค้นหาสมบัติยังคงมีอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งในปี พ.ศ. 2498 เดเวอร์และแฟร์แบงค์ (Deaver & Fairbank. 1961) ได้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติทางไฟฟ้าและสมบัติทางแม่เหล็กของตัวนำยวดยิ่งอีกประการหนึ่ง เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า ฟลักซ์แม่เหล็กแบบ ควอนไทด์เซชัน (Flux Quantization) โดยการนำตัวนำยวดยิ่งมาทำเป็นรูปวงแหวนและให้สนามแม่เหล็กเข้าไป ตัวนำยวดยิ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤต สนามแม่เหล็กจะสามารถพุ่งผ่านตัวนำยวดยิ่งได้และถ้าลดอุณหภูมิของวงแหวนให้ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตแล้วให้สนามแม่เหล็กเข้าไปอีกครั้ง สนามแม่เหล็กดังกล่าวจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำไหลวนในวงแหวนและจะสร้างสนามแม่เหล็กพุ่งผ่านตรงช่องว่างของวงแหวน
ปรากฏการณ์ไอโซโทป แก้
เป็นปรากฎการณ์จากการทดลองหาความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิวิกฤต (Tc) กับมวลไอโซโทป (M) ค่าต่างๆของตัวนำยวดยิ่ง พบว่าสามารถเขียนความสัมพันธ์ได้ดังสมาการ
M∝ Tc = ค่าคงตัว
เมื่อ α คือค่าคงตัวของไอโซโทป และต่อมาเมื่อทำการทดลองกับสารอื่นจะพบว่ามีสัมประสิทธิ์ของไอโซโทปตามตารางที่ 1.1 ดังนี้
| ธาตุ | A | ธาตุ | A |
|---|---|---|---|
| Zn | 0.45±0.05 | Ru | 0.00±0.05 |
| Cd | 0.32±0.07 | Os | 0.15±0.05 |
| Sn | 0.47±0.02 | Mo | 0.33 |
| Hg | 0.50±0.03 | Nb3Sn | 0.08±0.02 |
| Pb | 0.49±0.02 | Zr | 0.00±0.05 |
อ้างอิง แก้
- ↑ Kittel C. (1991). Introduction to Solid state Physics. 6 ed. John Wiley & Sons.
- ↑ T.A.Vanderah. (1990). Chemistry of Superconductor Materials. New Jersey: NoYes Publications.
- ↑ B.S.Deaver and W.M. Fairbank. (1961). Experimental Evidence for Quantized flux in Superconducting Cylinders. Physical Review Letter. vol.7: 43-46.