ตัวนำยิ่งยวดคืออะไร?

ตัวนำยิ่งยวดเป็นส่วนที่ยอดเยี่ยมของฟิสิกส์ที่ใช้ในหลายปัจจัยในชีวิตของเรา หากนักวิทยาศาสตร์สามารถค้นพบอุณหภูมิห้องและตัวนำยิ่งยวดแรงดันได้ มันจะปฏิวัติเทคโนโลยี น่าเสียดายที่สิ่งนี้พิสูจน์แล้วว่าเป็นงานที่ยากมากและอาจเป็นไปไม่ได้เลย

ตัวนำยิ่งยวดคืออะไร?

ตัวนำไฟฟ้าเป็นวัสดุที่สามารถนำไฟฟ้าได้ วัสดุแต่ละชนิดมีความต้านทานไฟฟ้าของตัวเองซึ่งเป็นตัววัดการต่อต้านการไหลของกระแสไฟฟ้า วัสดุที่มีความต้านทานสูงจะเป็นตัวนำที่ไม่ดีและในทางกลับกัน

ความเป็นตัวนำยิ่งยวดเป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่วัสดุมีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ ในสถานะนี้มีเอฟเฟกต์ที่น่าสนใจและมีประโยชน์มากมาย ตัวนำยิ่งยวดที่ไม่มีความต้านทานหมายความว่ากระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านได้โดยไม่สูญเสียพลังงานหรือทำให้ร้อนขึ้น ซึ่งช่วยให้ส่งและจัดเก็บพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด

ตัวนำยิ่งยวดสามารถสร้างแม่เหล็กที่มีพลังพิเศษ ตัวอย่างของสิ่งนี้สามารถพบได้ในเครื่อง MRI และในเครื่องเร่งอนุภาค การทดลองแสดงให้เห็นว่ากระแสไฟฟ้าในแม่เหล็กเหล่านี้สามารถคงอยู่ได้นานหลายปีโดยไม่มีความแรงลดลงที่วัดได้ การวิจัยชี้ให้เห็นว่ากระแสน้ำจะคงที่อย่างน้อย 100,000 ปี โดยมีการประมาณการบางอย่างคาดการณ์ว่ากระแสน้ำจะสามารถคงอยู่ได้นานกว่าอายุขัยโดยประมาณของจักรวาล

เมื่อวางเหนือแม่เหล็ก ตัวนำยิ่งยวดจะสร้างสนามแม่เหล็กที่เท่ากันซึ่งขับไล่แม่เหล็ก สิ่งนี้ทำให้ตัวนำยิ่งยวดลอยได้อย่างสมบูรณ์เหนือหรือใต้แม่เหล็กหรือแม้กระทั่งตามแนวของแม่เหล็ก

ความต้องการของตัวนำยิ่งยวด

วัสดุเริ่มมีตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำกว่าที่กำหนดเท่านั้น โดยที่ความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุจะลดลงเหลือศูนย์ในทันที น่าเสียดายที่ตัวนำยิ่งยวดที่รู้จักทั้งหมดจะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิที่เย็นจัดเท่านั้น ตัวนำยิ่งยวด "อุณหภูมิสูง" ถูกกำหนดให้เป็นวัสดุที่ทำหน้าที่เป็นตัวนำยิ่งยวดที่สูงกว่าอุณหภูมิของไนโตรเจนเหลว (73K หรือ -200 °C) อุณหภูมิที่แน่นอนซึ่งความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุลดลงเหลือศูนย์เรียกว่า "อุณหภูมิวิกฤต"

เคล็ดลับ: โดยทั่วไปองค์ประกอบที่เย็นจัดของฟิสิกส์มักวัดเป็นเคลวิน (K) หนึ่งเคลวินมีค่าเท่ากับหนึ่งองศาเซลเซียส แต่มาตราส่วนเคลวินเริ่มต้นที่ศูนย์สัมบูรณ์หรือ -273.15°C

ตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงสุดที่ค้นพบ ณ ปี 2020 คือ Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127 ซึ่งมีอุณหภูมิวิกฤตที่ 138K หรือ -135°C ที่หนึ่งบรรยากาศของความดัน

อุณหภูมิไม่ได้เป็นเพียงปัจจัยสำคัญเพียงอย่างเดียวในตัวนำยิ่งยวด ความดันยังมีส่วนร่วมในตัวนำยิ่งยวดจำนวนหนึ่ง ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) มีอุณหภูมิวิกฤตเพียง 203K (-70 องศาเซลเซียส) และแลนทานัมเดคาไฮไดรด์ (LAH10) มีอุณหภูมิวิกฤตที่ 250K (-23°C) น่าเสียดายที่วัสดุเหล่านี้ต้องมีความดันสูงอย่างเหลือเชื่อเพื่อให้กลายเป็นตัวนำยิ่งยวด โดย H2S ต้องการแรงดัน 986,923 บรรยากาศและ LaH10 ต้องการ 1,677,770 บรรยากาศ

เคล็ดลับ: ความดันในระดับนี้โดยทั่วไปจะวัดเป็น GPa หรือ Giga-pascals โดยตัวเลขคือ 100 GPa และ 170 GPa ตามลำดับ เพื่อช่วยให้เข้าใจค่านี้มากขึ้น ค่านี้จึงถูกแปลงเป็นบรรยากาศ ความดันบรรยากาศหนึ่งคือความกดอากาศเฉลี่ยที่ระดับน้ำทะเลบนโลก สำหรับการเปรียบเทียบ ความดันที่จุดที่ลึกที่สุดของมหาสมุทรโลกคือ Challenger Deep ในร่องลึกบาดาลมาเรียนา คือ 1,071 ชั้นบรรยากาศที่ 10,994 เมตรใต้ระดับน้ำทะเล

อนาคตที่เป็นไปได้สำหรับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง

คำว่า "ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง" ใช้เพื่ออ้างถึงวัสดุในอนาคตที่มีศักยภาพซึ่งแสดงความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงกว่า 273K หรือ 0 °C เพื่อให้มีประโยชน์อย่างยิ่งในโลกแห่งความเป็นจริง วัสดุเหล่านี้จะต้องเป็นตัวนำยิ่งยวดที่หรือใกล้กับหนึ่งบรรยากาศของความดัน

ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องจะช่วยลดปัญหาด้านพลังงานของโลกโดยเกือบจะกำจัดพลังงานไฟฟ้าที่สูญเสียไประหว่างการส่งผ่านทางไกลผ่านสายส่งไฟฟ้า นอกจากนี้ยังช่วยให้คอมพิวเตอร์และอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลหน่วยความจำเร็วขึ้นพร้อมกับเซ็นเซอร์ทางวิทยาศาสตร์ที่มีความละเอียดอ่อนมากขึ้น การใช้แม่เหล็กแรงสูงพิเศษที่ใช้ในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น เครื่องเร่งอนุภาค เครื่อง MRI เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันต้นแบบ และรถไฟแม็กเลฟ จะมีราคาถูกกว่ามาก เนื่องจากแม่เหล็กไม่ต้องการไนโตรเจนเหลวเพื่อทำให้ตัวนำยิ่งยวดเย็นลงมากพอที่จะทำงานได้