ในบรรดาการค้นพบทางฟิสิกส์ของสสารควบแน่นทั้งหมดในช่วงศตวรรษที่ 20 บางคนอาจเรียกตัวนำยิ่งยวดว่า “มงกุฎเพชร” คนอื่นอาจพูดว่าการให้เกียรติควรเป็นของเซมิคอนดักเตอร์หรือการอธิบายโครงสร้างของ DNA อย่างถูกต้องมากกว่า เนื่องจากผลประโยชน์ที่ทั้งสองอย่างนำมาสู่มนุษยชาติ แต่คงไม่มีใครปฏิเสธว่าเมื่อทีมที่นำพบสภาพตัวนำยิ่งยวด ซึ่งก็คือการไม่มีความต้านทานไฟฟ้า
โดยสมบูรณ์
ณ ห้องปฏิบัติการในเมือง ประเทศเนเธอร์แลนด์ เมื่อ 100 ปีที่แล้ว ชุมชนวิทยาศาสตร์ก็ต้องประหลาดใจอย่างมาก เนื่องจากโดยปกติแล้วอิเล็กตรอนจะนำไฟฟ้าได้ไม่สมบูรณ์โดยการชนกับโครงตาข่ายของอะตอมที่พวกมันผ่านไปอย่างต่อเนื่อง ความจริงที่ว่าการนำไฟฟ้ายังสามารถสมบูรณ์แบบภายใต้สภาวะ
ที่เหมาะสมได้ และแน่นอนว่าเป็นเรื่องมหัศจรรย์ไม่น้อยไปกว่ากัน การค้นพบตัวนำยิ่งยวดเป็นจุดสูงสุดของการแข่งขันระหว่าง นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ในขณะที่พวกเขาแข่งขันกันเพื่อให้ได้อุณหภูมิเป็นศูนย์สัมบูรณ์โดยใช้อุปกรณ์ที่ซับซ้อนมากขึ้นเพื่อทำให้ก๊าซกลายเป็นของเหลว
ชนะหลังจากที่เขาประสบความสำเร็จในการทำให้ฮีเลียมเหลวโดยการทำให้เย็นลงถึง 4.2 K ซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1913 (บันทึกอุณหภูมิต่ำปัจจุบันอยู่ที่ประมาณ 10 –15 K แม้ว่าจะเป็นไปไม่ได้เลยในทางอุณหพลศาสตร์ที่จะไปถึงศูนย์สัมบูรณ์ก็ตาม) แต่นักวิจัยไม่เพียงต้องการเข้า
ถึงอุณหภูมิต่ำเพียงเพื่อประโยชน์ของมันเท่านั้น สิ่งที่พวกเขาสนใจก็คือการค้นหาว่าคุณสมบัติของวัสดุโดยเฉพาะอย่างยิ่งการนำไฟฟ้านั้นเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรภายใต้สภาวะการแช่แข็ง ในปี 190นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ซึ่งสร้างจากการคาดเดาและการทดลอง ที่ว่าไฟฟ้าเกี่ยวข้องกับการไหลของอนุภาค
ที่มีประจุขนาดเล็ก รอบคอบ และรอบคอบ ได้คาดเดาว่าความต้านทานของตัวนำเกิดขึ้นจากการที่เอนทิตีเหล่านี้กระเด็นออกจากอะตอมที่สั่นอย่างไม่ยืดหยุ่น แล้วจะเกิดอะไรขึ้นกับความต้านทานของโลหะที่แช่อยู่ในฮีเลียมเหลวที่เพิ่งมีใหม่ นักฟิสิกส์มีข้อสงสัยหลักสามประการ อย่างแรกคือความต้านทาน
จะลดลง
อย่างต่อเนื่องจนถึงศูนย์ ประการที่สองคือค่าการนำไฟฟ้าจะอิ่มตัวแทนค่าที่ค่าต่ำเนื่องจากจะมีสิ่งเจือปนซึ่งอิเล็กตรอนจะกระจายออกไปเสมอ อย่างไรก็ตาม บางทีแนวคิดที่ได้รับความนิยมมากที่สุด ทำนายโดยภาพที่เกิดขึ้นใหม่ของออร์บิทัลของอะตอมที่ไม่ต่อเนื่องและถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่น
ตรงตามประเภท หลังจากการค้นพบในปี 1911 การวิจัยเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดก็ลดน้อยลงไปเป็นเวลาหลายทศวรรษ สาเหตุหลักมาจากการจำลองโรงงานที่ไลเดนนั้นยากและมีราคาแพง อย่างไรก็ตาม การวิจัยก็หยุดลงเช่นกันเนื่องจากสถานะการต้านทานเป็นศูนย์หายไปอย่างง่ายดาย
เมื่อตัวอย่างสัมผัสกับสนามแม่เหล็กที่ค่อนข้างพอประมาณ ปัญหาคือตัวนำยิ่งยวดในยุคแรก ๆ ส่วนใหญ่เป็นโลหะองค์ประกอบอย่างง่าย หรือ “ประเภท I” ตามที่ทราบกันในปัจจุบัน – ซึ่งสถานะของตัวนำยิ่งยวดนั้นมีอยู่ภายในพื้นผิวของพวกมันเพียงหนึ่งไมครอนหรือมากกว่านั้น ความง่ายในการที่พวกเขากลายเป็น
ตัวนำ “ปกติ” ทำลายความฝันในช่วงต้น และคนอื่นๆ เปล่งเสียงออกมาแทบจะในทันทีว่าตัวนำยิ่งยวดสามารถปฏิวัติโครงข่ายไฟฟ้าโดยปล่อยให้กระแสไหลได้โดยไม่สูญเสียพลังงาน ก็คือว่าในที่สุดอิเล็กตรอนจะถูกดักจับ ซึ่งนำไปสู่การต่อต้านที่ไม่สิ้นสุด แต่ก่อนที่จะมีใครรู้แน่ชัด
แต่ปฏิสัมพันธ์ที่น่าดึงดูดใจมาจากไหน? ในปี พ.ศ. 2493 เอ็มมานูเอล แมกซ์เวลล์ จากสำนักงานมาตรฐานแห่งชาติของสหรัฐฯ สังเกตเห็นว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของปรอทเปลี่ยนไปขึ้นอยู่กับว่าไอโซโทปใดของปรอทถูกใช้ในตัวอย่างนั้นๆ ซึ่งแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าการสั่นสะเทือน
แบบแลตทิซหรือ “โฟนัน” เกี่ยวข้องกับตัวนำยิ่งยวด ทฤษฎี ได้รับการพิสูจน์ภายใต้เงื่อนไขที่ถูกต้องว่าการสั่นสะเทือนเหล่านี้ ซึ่งปกติแล้วเป็นแหล่งกำเนิดของความต้านทานภายในของโลหะ สามารถสร้างปฏิสัมพันธ์ที่น่าดึงดูดซึ่งช่วยให้วัสดุสามารถเคลื่อนที่ได้โดยไม่มีแรงต้านทาน
พูดง่ายๆ
ก็คือ ทฤษฎี BCS จัดอยู่ในกลุ่มความสำเร็จที่งดงามที่สุดของฟิสิกส์สสารควบแน่น กล่าวโดยทั่วไป มันอธิบายการจับคู่ของเฟอร์มิออนสองตัวที่อาศัยสนามโบซอน: เฟอร์มิออนใดๆ โดยโบซอนใดๆ ตัวนำยิ่งยวดที่รู้จักทั้งหมดทำตามสูตรทั่วไปที่กำหนด ซึ่งเป็นรูปแบบพื้นฐานที่แสดงออกอย่างง่าย
เป็นพิเศษคืออุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านหรือวิกฤตที่ต่ำกว่าตัวนำยิ่งยวดของวัสดุ Θ คืออุณหภูมิลักษณะเฉพาะของสนามโบซอน (อุณหภูมิ Debye หากประกอบด้วยโฟนัน) และ λ คือค่าคงที่คู่ควบของสนามนั้นกับเฟอร์มิออน (อิเล็กตรอน และ/ หรือรูในของแข็ง). โดยทั่วไปแล้ว วัสดุที่มีค่า λ มาก
จะเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับตัวนำยิ่งยวด แม้ว่าจะเป็นโลหะที่ “ไม่ดี” ตามสัญชาตญาณภายใต้สภาวะปกติที่มีอิเล็กตรอนกระดอนออกจากโครงตาข่ายคริสตัลที่สั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่องก็ตาม สิ่งนี้อธิบายได้ว่าทำไมโซเดียม ทอง เงิน และทองแดง แม้จะเป็นโลหะที่ดี ไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวด แต่ตะกั่วก็คือ
อย่างไรก็ตาม เป็นเชิงพรรณนาและเชิงคุณภาพ ไม่ใช่เชิงปริมาณ ไม่เหมือนกับสมการของนิวตันหรือแมกซ์เวลล์หรือกรอบของทฤษฎีแถบสารกึ่งตัวนำ ซึ่งนักวิจัยสามารถออกแบบสะพาน วงจร และชิป และมั่นใจได้อย่างสมเหตุสมผลว่าจะใช้ได้ผล ทฤษฎี BCS นั้นแย่มากในการชี้ว่าวัสดุใดที่จะใช้หรือพัฒนา
เพื่อสร้างตัวนำยิ่งยวดใหม่ . สำหรับทุกสิ่งที่การค้นพบนี้เป็นทัวร์เดอแรงทางปัญญา นักฟิสิกส์ที่เกิดในเยอรมัน ผู้ซึ่งบางทีสรุปทฤษฎีได้ดีที่สุดเมื่อเขากล่าวว่า “BCS บอกเราทุกอย่าง แต่ไม่พบอะไรเลย”
นักวิจัยต้องการตัวอย่างโลหะที่บริสุทธิ์มาก
credit : เว็บแท้ / ดัมมี่ออนไลน์
