นักฟิสิกส์ยืนยันผล "ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง" ได้เกิดขึ้นแล้วเป็นครั้งแรก

By: terminus
Writer
on Fri, 05/12/2014 - 20:21

สารประกอบเซรามิกอิตเทรียมแบเรียมคอปเปอร์ออกไซด์ (Yttrium barium copper oxide หรือ YBCO) มีสูตรทางเคมี YBa2Cu3O7−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)

  • ภาพโครงสร้างผลึกของ YBCO
    ภาพจาก Wikipedia

เมื่อประมาณต้นปี 2014 ทีมนักฟิสิกส์จาก Max Planck Institute ในฮัมบูร์ก 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

  • การสั่นของอะตอมในชั้นคอปเปอร์ออกไซด์ (สีเหลืองคืออะตอมคอปเปอร์หรือทองแดง สีแดงคืออะตอมออกซิเจน)
    ภาพจาก PhysOrg ; เครดิต Credit: Jörg Harms/Max Planck Institute

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ใน Nature doi:10.1038/nature13875

ปัจจุบันเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดจำเป็นจะต้องทำกันในอุณหภูมิที่ต่ำมากๆ แม้แต่สิ่งที่เรียกกันว่า "ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง" ก็ยังมีอุณหภูมิวิกฤติของการเปลี่ยนสภาพการนำไฟฟ้าอยู่ที่ระดับหลักติดลบร้อยองศาเซลเซียส สภาพตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องเป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ใฝ่ฝันมาเนิ่นนานแล้ว หากเราค้นพบวิธีที่ทำให้สภาพตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องของ YBCO อยู่ในนานขึ้นถึงในระดับที่ใช้งานได้ มันก็จะพลิกโฉมเทคโนโลยีอีกหลายสาขาเลย

ที่มา - PhysOrg

14 Comments

echo's picture

ไม่ต้องไปขุดหา Unobtainium ที่ดาว pandora กันแล้วเนอะ อิอิ

F16's picture

ขอตัวอย่างเทคโนโลยีที่ใช้ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องหน่อยได้ไหมครับ สมมุติก็ได้ครับ อยากรู้จริงๆ

tekkasit's picture

ถ้ามีตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิห้อง เรียกว่าปฏิวัติวงการกันเลย

  • สามารถเอามาทำรางรถไฟ/ถนน เพื่อให้รถลอยอยู่เหนือราง/ถนน ตัดแรงเสียดทาน (นึกถึง รถไฟ MagLev) ใช้พลังงานน้อยมาก
  • ทำให้ชิป/แผงวงจรมีประสิทธิภาพสูงขึ้น เล็กลง กินไฟน้อยมาก เอามาทำอัดทรานซิสเตอร์ลงในชิปเพิ่มขึ้นได้โดยไม่ต้องกลัวมันจะละลายเพราะความร้อน
  • เอามาทำแบตเพื่อเก็บพลังงานไฟฟ้าอย่างไม่มีวันเสื่อม
  • อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เครื่องใช้ไฟฟ้าจะกินไฟน้อยลงอย่างมากๆ เปิดใช้งานนานๆ ก็ไม่ร้อน
  • เอามาทำมอเตอร์ไฟฟ้าประสิทธิภาพสูงมาก กินไฟต่ำ ทำงานนานก็ไม่ร้อน
  • เอามาทำให้เครื่อง MRI เล็กลง กินไฟน้อยลงมาก ไม่ต้องใช้ฮีเลียมเพื่อหล่อเย็นกันอีกต่อไป
  • ไม่ก็ไม่จำเป็นต้องใช้ปั่นไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันสูงๆกันอีกต่อไป เขื่อนสามารถปั่นไฟฟ้ากระแสตรงแรงดัน 24V แล้วส่งมาตามสายไฟตัวนำยิ่งยวด มาถึงครัวเรือนได้เลย โดยปราศจากการสูญเสียแรงดันไฟฟ้า โดยไม่จำเป็นต้องมีหม้อแปลงไฟกระแสสลับเข้ากระแสตรง
  • สายส่ง/สายไฟฟ้าแบบใหม่ไร้การสูญเสียพลังงาน
  • เอามาแทนเคเบิลใยแก้วนำสัญญาณ สามารถใช้สายเส้นเดียวนำส่งได้เลย เพราะไม่ต้องมีตัวทวนสัญญาณ เพราะสัญญาณไม่หาย

เยอะมากครับ เรียกว่าถ้ามีจริงแล้วราคาถูกจริง เรียกว่าอุปกรณ์ไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์น่าจะได้เปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่แน่ๆ อาจจะกลับมาใช้ไฟกระแสตรงกันอีกครั้งก็ได้

hisoft's picture

ถ้าอยากให้คอม ซีพียูและการ์ดจอที่ใช้สารกึ่งตัวนำไม่ร้อนนี่เป็นไปไดไหมครับ? ต้องรอเทคโนโลยีไหนอีก?

The Phantom Thief

F16's picture

สงสัยว่า ตัวนำยิ่งยวดในอุณหภูมิห้อง สามารถส่งกระแสไฟฟ้าแรงสูงเท่าไหร่ก็ได้ไม่ร้อนใช่หรือเปล่าครับ?

ถ้าเป็นสายไฟปกติคงร้อนจนละลาย

tekkasit's picture

ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด มีคุณสมบัติพิเศษอยู่ที่ความต้านทานไฟฟ้าเหลือศูนย์ครับ ซึ่งพอผ่านกระแสไฟฟ้า ก็ไม่สูญเสียพลังงานไปความต้านทานที่จะเปลี่ยนเป็นความร้อนครับ

จากสายเคเบิลเท่าต้นแขนหนักเป็นกิโลกรัม ถ้าเป็นสายตัวนำยิ่งยวดจะหนาเท่าริบบิ้นกว้างนิ้วเดียว แต่ใช้รับกระแสเท่ากันได้

heart's picture

โลหะที่นำไฟฟ้า มักจะมีความต้านทานอยู่ หรือพูดง่ายๆว่า มันมีความหนืด
ลองจินตนาการถึงเวลาเราเอามือถูพื้น มันจะหนืดๆ ไม่ลื่น มันจะต้านมือเอาไว้ไม่ให้ไหลเร็ว ยิ่งถูแรง ก็ยิ่งร้อน มือก็พอง

ไฟฟ้าก็เช่นกัน เมื่อไฟฟ้าเดินทางไปตามสายไฟ มันจะหนืด และเกิดความร้อน และเมื่อไฟฟ้าวิ่งไปถึงระยะหนึ่ง ก็จะหยุดวิ่ง
เพราะความหนืดนั้น ทำให้ไฟฟ้าหมดแรง คล้ายๆเวลาเรากลิ้งลูกบอลไปกับพื้น ลูกบอลจะหยุดวิ่งในที่สุด

เปรียบเทียบกับสายยาง ถ้าเราดันน้ำข้างหนึ่ง ดันไปเรื่อยๆ ความหนืดจะทำให้น้ำหมดแรง ไปต่อไม่ไหวในระยะทางไกลๆ
ทำให้ไม่สามารถส่งน้ำได้ไกลมาก

ความหนืดที่ว่านี้เราเรียกว่าแรงต้านทานไฟฟ้า ทำให้เราไม่สามารถส่งไฟฟ้าในระยะทางไกลๆได้

นักวิทยาศาสตร์ใช้หลักฟิสิกส์ค้นพบว่า ถ้าเราสลับระแสไฟฟ้าสองเส้น ให้เป็นบวกและลบตลอดเวลา
จะทำให้ส่งไฟฟ้าได้ไกลขึ้น ( แต่เครื่องไฟฟ้าทุกชนิด ใช้ไฟกระแสตรง ดังนั้นเมื่อไฟฟ้าไปถึงปลายทาง ก็ต้องมีวงจรแปลงให้เป็นกระแสตรงอีกที )

ดังนั้นจึงเกิดไฟฟ้ากระแสสลับ ที่จะผลัดกันเป็นขั้วบวก และขั้วลบตลอดเวลา

เปรียบเทียบกับสายยางอีกที

คราวนี้ลองนึกถึงตัวนำยิ่งยวด ที่ไม่มีแรงต้านทานเลย เราสามารถส่งไฟฟ้ากระแสตรงได้ โดยไม่สูญเสียพลังงานไปกับความหนืดของสายไฟ ไม่เกิดความร้อน และสามารถส่งกระแสตรงได้เลย ไม่ต้องส่งด้วยกระแสสลับ จะเกิดอะไรขึ้นบ้าง

เช่น ต่อไปไฟฟ้ากระแสตรงจะถึงบ้านเราทันที ทำให้เครื่องใช้ไฟฟ้าไม่ต้องมีตัวแปลงกระแสสลับอีกแล้ว สามารถลดต้นทุนได้ ถึงจะไม่มากก็เถอะ

เครื่องใช้ไฟฟ้าใช้พลังงานน้อยลง เพราะไม่มีพลังงานสูญเสียไปเป็นความร้อนจากความหนืด หรือแรงต้านทานของสายไฟ

waroonh's picture

ผม ขอเสริมให้ตรง

นักวิทยาศาสตร์ใช้หลักฟิสิกส์ค้นพบว่า ถ้าเราสลับระแสไฟฟ้าสองเส้น ให้เป็นบวกและลบตลอดเวลา
จะทำให้ส่งไฟฟ้าได้ไกลขึ้น

นะครับ

สมัยก่อน โรงงานไฟฟ้า เป็นของ เอดิสัน ครับ เค้าจะใช้ ไฟฟ้ากระแสตรง DC ราวๆ 110V ต้นทาง 100V ปลายทาง
แต่มันไม่สะดวก ในการ ขยายเคลือข่าย สายไฟฟ้ามากๆ เพราะ ต้องใช้สายไฟเส้นใหญ่ มากๆ
แแต่เพราะว่า เอดิสันเป้นคนหัวแข็งมากๆ พูดอะไรก็ไม่มีใครเชื่อ

นายธนาคาร กับ บ. ที่ชื่อ Westinghouse เลยไปดึง พนักงาน ของ เอดิสัน ออกมาคนนึง
ชื่อ เทสล่า เพราะว่า คนนี้คือ คนทำตัวกำเนิดไฟฟ้า แบบสลับ มาตั้ง บ. แล้วออกทุนให้ทั้งหมด

เหตการณืนี้ เรียกว่า War of Currents สนุกมาก แต่เป็น ภาษาอังกฤษนะครับ
อ่านแล้วจะรู้หมดเลยว่า ทำไม V ต้องเป็นเท่านี้ แล้ว ทำไมถึงต้องซื้อ อุปกรณ์ไฟฟ้าแรงดันสูง
กับ บ. ไม่กี่ บ. เท่านั้น

-Rookies-'s picture

ดูสารคดีช่อง TPBS ตอน Men Who Build America ก็มีพูดถึงครับ โคตรมันส์ และโคตรนับถือเทสล่า ตอนฉีกสัญญาทิ้งอย่างหล่อ ส่วนเอดิสันเป็นตัวโกงโคตร ๆ ไปเลย ....

อาห์ ความทรงจำวัยเด็กตู.... นักเรียน ถ้าล้มเหลวอย่าเพิ่งท้อนะจ้ะ ดูอย่างโทมัส อัลวา เอดีสันสิจ้ะ เค้าสร้างหลอดไปเสียแล้วเสียอีกเป็นหมื่นหลอด เค้าก็ยังสู้ต่อไปนะจ้ะ เวลามีคนไปถามว่าเค้าไม่ท้อเหรอ เค้าตอบว่า

"ทุกครั้งที่ผมทำพลาด มันไม่ใช่ความล้มเหลว แต่ผมเข้าใกล้ความสำเร็จไปอีกก้าวแล้วต่างหาก" อ่าห์...อย่างหล่อ ทันใดนั้น แคว่กกกกกก ความทรงจำวัยเด็กอย่างหล่อก็โดนฉีกออกเป็นชิ้น ๆ ขว้างลงพื้นแล้วกระทืบซ้ำ...

mementototem's picture

จำได้ว่ามีงานวิจัยอันนึง (ขี้เกียจหา) พบว่า ความล้มเหลว ไม่ได้ช่วยให้ประสบความสำเร็จมากขึ้นอย่างที่คิดกัน โอกาสสำเร็จมันแทบไม่ต่างจากคนที่ลงมือทำงานนี้ครั้งแรกสักเท่าไหร่

ชวนท้อดีนะ

-Rookies-'s picture

โอ้ อยากอ่านงานวิจัยนี้บ้าง ผมว่ามันไม่ชวนท้อนะ มันชวนให้เราออกไปจากกรอบความปลอดภัยของตัวเอง ไปลองอะไรใหม่ ๆ ดูมากกว่า

echo's picture

ความล้มเหลวมันน่ามีหลายระดับครับ
ระดับที่ยังพอเดินหน้าได้ก้อเริ่มใหม่ได้
ระดับที่ล้มเหลวโดยสิ้นเชิง ก้อไม่ทราบจะเดินหน้าไปหาอะรัย