ฟิสิกส์ · เทคโนโลยี
ตัวนำยิ่งยวดทำงานอย่างไร
ความต้านทานเป็นศูนย์
สายไฟทุกเส้นในบ้านเสียไฟฟ้าส่วนหนึ่งไปเป็นความร้อน แต่ถ้าทำให้วัสดุบางชนิดเย็นมากพอ ความสูญเสียนั้นจะหายไปหมด กระแสไฟฟ้าไหลวนได้เป็นปี ๆ และแม่เหล็กลอยอยู่กลางอากาศ มาดูกันว่าตัวนำยิ่งยวดทำงานอย่างไร และทำไมวัสดุที่ทำแบบนี้ได้ที่อุณหภูมิห้องยังเป็นรางวัลใหญ่ที่ไม่มีใครคว้าได้
หนังสามมิติโต้ตอบได้9 นาที1908 ถึง ปัจจุบันเผยแพร่ 26 ตุลาคม 2569
ดูภาพยนตร์ 3 มิติแบบโต้ตอบอ่านฉบับ English
บทนำ
ฟิสิกส์ · เทคโนโลยี
ตัวนำยิ่งยวดทำงานอย่างไร
ไฟฟ้าที่ไหลโดยไม่มีความต้านทานเลย
เดือนกันยายนที่ผ่านมา นักเคมีจากมหาวิทยาลัยวอริก (University of Warwick) รายงานว่า ตัวนำยิ่งยวดที่มีทองแดงเป็นองค์ประกอบ ซึ่งศึกษากันมาราวสี่สิบปี ซ่อนการเรียงตัวของอะตอมที่ต่างกันเล็กน้อยเป็นหย่อม ๆ อยู่ภายใน
พวกเขาใช้แหล่งรังสีเอกซ์ที่สว่างที่สุดแห่งหนึ่งของโลกในฝรั่งเศส มองเข้าไปในผลึกแบบสามมิติ คล้ายกับการสแกน CT ที่โรงพยาบาลใช้มองภายในร่างกาย
นี่เป็นงานวิจัยใหม่ชิ้นเดียว และห้องปฏิบัติการอื่นจะต้องตรวจสอบต่อไป แต่ก็เป็นเครื่องเตือนว่าวัสดุเหล่านี้ยังมีความลับซ่อนอยู่ แล้วตัวนำยิ่งยวดคืออะไร
- ราว 40 ปี
- ที่คิวเพรตกลุ่มนี้ถูกศึกษามา
- ราว 150 นาโนเมตร
- ความกว้างของรอยต่อระหว่างหย่อม
งานวิจัยใหม่ - รังสีเอกซ์ 3 มิติ
- การเลี้ยวเบนแบบสแกนที่ ESRF เกรอนอบล์ ฝรั่งเศส
พวกเขามองอย่างไร - ทำไมสายไฟเสียพลังงาน
- ความต้านทานเป็นศูนย์และแม่เหล็กลอยได้
- อิเล็กตรอนที่เดินทางเป็นคู่
- MRI เครื่องเร่งอนุภาค แม็กเลฟ และกระแสข่าว
ในภาพยนตร์นี้
บทที่ I · ความต้านทาน
บทที่ I
ความต้านทาน
สายไฟทุกเส้นเปลี่ยนไฟฟ้าส่วนหนึ่งเป็นความร้อน
กระแสไฟฟ้าคือการไหลของอิเล็กตรอนผ่านโลหะ ระหว่างทางมันชนกับอะตอมที่สั่นอยู่ในผลึกตลอดเวลา
การชนแต่ละครั้งเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าส่วนหนึ่งเป็นความร้อน นั่นคือความต้านทาน และเป็นเหตุผลที่ขดลวดเครื่องทำความร้อนเรืองแสง และสายส่งไฟฟ้าสูญเสียพลังงาน
เมื่อทำให้โลหะเย็นลง อะตอมสั่นน้อยลง ความต้านทานจึงลดลง แต่ในโลหะธรรมดา มันไม่เคยลดลงจนเป็นศูนย์
การสูญเสียแบบเดียวกันนี้เกิดขึ้นในสายเคเบิลทุกเส้นที่ส่งไฟฟ้ามาถึงบ้านเรา
สูญเปล่าเป็นความร้อน ขดลวดที่เรืองแสงด้วยความร้อน ภาพนิ่งสร้างด้วย AIP=I2R- P
- กำลังที่กลายเป็นความร้อน หน่วยวัตต์
- I
- กระแสไฟฟ้า หน่วยแอมแปร์
- R
- ความต้านทาน หน่วยโอห์ม
ความร้อนจากความต้านทาน - 0 W
- ไม่มีความร้อนเลย ไม่ว่ากระแสจะมากแค่ไหน
ถ้า R = 0 - สายส่งและหม้อแปลงไฟฟ้า
- มอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
- ที่ชาร์จโทรศัพท์ที่อุ่นทุกอัน
ความต้านทานทำให้เสียพลังงานที่ไหน บทที่ I · ความต้านทาน
ทำไมสายไฟจึงอุ่น
ในโลหะธรรมดา อิเล็กตรอนนำไฟฟ้ากระเจิงเมื่อชนกับการสั่นของโครงผลึกและสิ่งเจือปน การกระเจิงแต่ละครั้งทำให้พลังงานกลายเป็นความร้อน กำลังที่สูญเสียคือ P = I²R การทำให้เย็นลงลดการสั่นของโครงผลึก ความต้านทานจึงลดลง แต่ในโลหะปกติจะหยุดอยู่ที่ค่าหนึ่งซึ่งไม่ใช่ศูนย์ วิกิพีเดีย สภาพนำยิ่งยวด: ในตัวนำยิ่งยวด ความต้านทานจะลดลงเป็นศูนย์พอดีอย่างฉับพลัน เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตของวัสดุนั้น
บนจอ: จุดสีฟ้าคืออิเล็กตรอน ทรงกลมสีทองคืออะตอม แสงวาบแต่ละครั้งคือการชนที่ทำให้เกิดความร้อน
ฉาก 3 มิติเป็นแบบจำลองเพื่อการสอน อะตอม อิเล็กตรอน คู่อิเล็กตรอน และเส้นสนามแม่เหล็กวาดแบบย่อ ไม่ได้ตามสัดส่วนจริง ส่วนอุณหภูมิและความต้านทานในตัวเลขเป็นไปตามค่าในแหล่งข้อมูล
แหล่งข้อมูล:
Wikipedia: superconductivityปี 1908 ไฮเคอ คาเมอร์ลิงห์ ออนเนส นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ เป็นคนแรกที่ทำให้ฮีเลียมกลายเป็นของเหลวได้ ที่อุณหภูมิ 4.2 เคลวิน ซึ่งสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์เพียงเล็กน้อย ก่อนหน้านั้น อุณหภูมิต่ำสุดที่ทำได้คือสิบสี่เคลวิน
วันที่ 8 เมษายน 1911 เขาทำให้ปรอทเย็นลงถึง 4.19 เคลวิน แล้ววัดความต้านทาน ปรากฏว่ามันหายไปหมด
เขาเรียกปรากฏการณ์นี้ว่าสภาพนำยิ่งยวด (superconductivity) และได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1913 จากผลงานด้านอุณหภูมิต่ำ ลองทำให้ปรอทเย็นลง แล้วดูความต้านทานลดลง
หนึ่งปีต่อมา เขาพบว่าโลหะผสมทองคำกับปรอทก็ทำแบบเดียวกันได้ งานกลั่นปรอทให้บริสุทธิ์อย่างพิถีพิถันทั้งหมดจึงไม่จำเป็นเลย
- 0 K
- ศูนย์สัมบูรณ์ −273.15 °C
- 4.2 K
- จุดเดือดของฮีเลียมเหลว ราว −269 °C
เคลวิน 
ไลเดน 1911 ภาชนะแช่เย็นแก้วและวาล์วทองเหลือง ภาพนิ่งสร้างด้วย AI- 10 ก.ค. 1908 ทำให้ฮีเลียมเป็นของเหลวได้เป็นครั้งแรก
- 8 เม.ย. 1911 ปรอทที่ 4.19 K: ความต้านทานเป็นศูนย์
- 1913 รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์
การค้นพบ “ซูปราคอนดักทิวิตี”ชื่อแรกที่ออนเนสใช้ ก่อนเปลี่ยนเป็น “superconductivity” (Argonne)
- Au + Hg
- โลหะผสมทองคำ–ปรอท: ไม่บริสุทธิ์ แต่ก็ยังนำไฟฟ้ายิ่งยวด
1912 บทที่ I · ความต้านทาน
ออนเนสกับปรอท
ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนน์: ไฮเคอ คาเมอร์ลิงห์ ออนเนส ทำให้ฮีเลียมเป็นของเหลวได้เป็นครั้งแรกเมื่อวันที่ 10 กรกฎาคม 1908 ฮีเลียมกลายเป็นของเหลวที่ 4.2 K วันที่ 8 เมษายน 1911 เขาทำให้ปรอทเย็นลงถึง 4.19 K และวัดสภาพต้านทานได้เป็นศูนย์ และได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1913 แรกทีเดียวเขาเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “supra conductivity” ก่อนเปลี่ยนเป็น “superconductivity” ก่อนมีฮีเลียมเหลว อุณหภูมิต่ำสุดที่ทำได้คือ 14 K จากไฮโดรเจนแข็ง ศูนย์สัมบูรณ์ 0 K เท่ากับ −273.15 °C
ลองดู: “ทำให้เย็น” จะลดอุณหภูมิทีละขั้น เมื่อต่ำกว่า 4.19 K ความต้านทานของปรอทจะเป็นศูนย์ เส้นกราฟเป็นแบบย่อ
ฉาก 3 มิติเป็นแบบจำลองเพื่อการสอน อะตอม อิเล็กตรอน คู่อิเล็กตรอน และเส้นสนามแม่เหล็กวาดแบบย่อ ไม่ได้ตามสัดส่วนจริง ส่วนอุณหภูมิและความต้านทานในตัวเลขเป็นไปตามค่าในแหล่งข้อมูล
แหล่งข้อมูล:
Argonne National Laboratory: 10 things you may not know about superconductivityเมื่อไม่มีความต้านทาน กระแสที่ถูกปล่อยให้ไหลในวงตัวนำยิ่งยวดแบบปิด ก็จะไหลวนต่อไปเรื่อย ๆ โดยไม่ต้องมีแบตเตอรี่
ในเครื่องมือเครื่องหนึ่งที่เบลเยียม กระแสในตัวนำยิ่งยวดไหลต่อเนื่องนานกว่ายี่สิบแปดปี จนกระทั่งการทดลองถูกปิดลงในปี 2024
ทฤษฎีชี้ว่ากระแสแบบนี้อาจคงอยู่นานกว่าอายุของเอกภพเสียอีก ขึ้นกับลักษณะของเส้นลวด
- ไม่มีแบตเตอรี่
- เมื่อเริ่มแล้ว กระแสไหลวนเองได้
กระแสที่คงอยู่ - 28 ปี 7 เดือน 27 วัน
- 4 ส.ค. 1995 ถึง 31 มี.ค. 2024
- ≥ 100,000 ปี
- อายุขั้นต่ำที่การทดลองชี้
มาตรวัดแรงโน้มถ่วงตัวนำยิ่งยวด เบลเยียม - วัดได้: 28 ปี แล้วจึงปิดเครื่อง
- การทดลอง: อย่างน้อย 100,000 ปี
- ทฤษฎี: อาจนานกว่าอายุของเอกภพ
จะอยู่ได้นานแค่ไหน บทที่ I · ความต้านทาน
กระแสที่อยู่ได้นาน
วิกิพีเดีย สภาพนำยิ่งยวด: กระแสในขดลวดตัวนำยิ่งยวดคงอยู่ได้นานหลายปีโดยไม่ลดลงอย่างวัดได้ หลักฐานจากการทดลองชี้ว่าอายุของมันอย่างน้อย 100,000 ปี กระแสในมาตรวัดแรงโน้มถ่วงตัวนำยิ่งยวดที่เบลเยียมคงอยู่นาน 28 ปี 7 เดือน 27 วัน ตั้งแต่ 4 สิงหาคม 1995 ถึง 31 มีนาคม 2024 การประมาณทางทฤษฎีอาจนานเกินอายุของเอกภพ ขึ้นกับรูปทรงของเส้นลวดและอุณหภูมิ
ฉาก 3 มิติเป็นแบบจำลองเพื่อการสอน อะตอม อิเล็กตรอน คู่อิเล็กตรอน และเส้นสนามแม่เหล็กวาดแบบย่อ ไม่ได้ตามสัดส่วนจริง ส่วนอุณหภูมิและความต้านทานในตัวเลขเป็นไปตามค่าในแหล่งข้อมูล
แหล่งข้อมูล:
Wikipedia: superconductivityบทที่ II · แม่เหล็กลอยได้
บทที่ II
แม่เหล็กลอยได้
ตัวนำยิ่งยวดผลักสนามแม่เหล็กออก
ปี 1933 วัลเทอร์ ไมส์เนอร์ และโรเบิร์ต ออคเซนเฟลด์ ค้นพบสมบัติข้อที่สองที่แปลกยิ่งกว่า เมื่อดีบุกหรือตะกั่วกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด มันผลักสนามแม่เหล็กออกจากตัวเอง
กระแสที่ผิวของมันหักล้างสนามแม่เหล็กภายในจนหมด ตัวนำยิ่งยวดจึงเป็นวัสดุไดอะแมกเนติกสมบูรณ์ คือผลักแม่เหล็กออก
ตัวนำไฟฟ้าที่แค่สมบูรณ์แบบทำแบบนี้ไม่ได้ ลองทำให้แผ่นเย็นลง แล้วดูเส้นสนามแม่เหล็กโค้งหลบออกไป
เมื่อสนามของแม่เหล็กถูกผลักออกแรงพอ ตัวแม่เหล็กเองก็ลอยอยู่เหนือตัวนำยิ่งยวดได้
- ดีบุก ตะกั่ว
- ตัวอย่างที่พวกเขาวัด
- สนามถูกผลักออก
- เมื่อแต่ละชนิดกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด
ไมส์เนอร์และออคเซนเฟลด์ 1933 
การลอยตัว แม่เหล็กลอยเหนือตัวนำยิ่งยวดที่เย็นจัด ภาพนิ่งสร้างด้วย AI- ตัวนำสมบูรณ์: สนามที่มีอยู่ตอนทำให้เย็นจะค้างอยู่ข้างใน
- ตัวนำยิ่งยวด: สนามถูกผลักออกเสมอ ไม่ว่าก่อนหน้าจะเป็นอย่างไร
ตัวนำยิ่งยวดหรือตัวนำสมบูรณ์ - ผลัก
- แม่เหล็กใด ๆ ที่อยู่ใกล้ ซึ่งลอยขึ้นได้
ไดอะแมกเนติกสมบูรณ์ บทที่ II · แม่เหล็กลอยได้
ปรากฏการณ์ไมส์เนอร์
วิกิพีเดีย ปรากฏการณ์ไมส์เนอร์: วัลเทอร์ ไมส์เนอร์ และโรเบิร์ต ออคเซนเฟลด์ ค้นพบปรากฏการณ์นี้ในปี 1933 จากการวัดสนามแม่เหล็กภายนอกตัวอย่างดีบุกและตะกั่วที่เป็นตัวนำยิ่งยวด เมื่อวัสดุเย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต กระแสกำบังที่ผิวจะหักล้างสนามภายในเนื้อวัสดุ ตัวนำยิ่งยวดจึงเป็นวัสดุไดอะแมกเนติกสมบูรณ์และผลักแม่เหล็กที่อยู่ใกล้ ตัวนำที่แค่สมบูรณ์แบบจะเก็บสนามที่มีอยู่ตอนถูกทำให้เย็นไว้ แต่ตัวนำยิ่งยวดผลักสนามออกไม่ว่าก่อนหน้าจะเป็นอย่างไร ซึ่งแสดงว่าสภาพนำยิ่งยวดเป็นสถานะทางอุณหพลศาสตร์ที่แท้จริง
ลองดู: “ทำให้เย็น” ทำให้แผ่นต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต และเส้นสนามถูกผลักออก “ทำให้อุ่น” ให้เส้นสนามกลับเข้ามา
ฉาก 3 มิติเป็นแบบจำลองเพื่อการสอน อะตอม อิเล็กตรอน คู่อิเล็กตรอน และเส้นสนามแม่เหล็กวาดแบบย่อ ไม่ได้ตามสัดส่วนจริง ส่วนอุณหภูมิและความต้านทานในตัวเลขเป็นไปตามค่าในแหล่งข้อมูล
แหล่งข้อมูล:
Wikipedia: Meissner effectโลหะบริสุทธิ์ส่วนใหญ่เป็นชนิดที่หนึ่ง สนามแม่เหล็กที่แรงพอจะทำลายสภาพนำยิ่งยวดของมันไปเลย
โลหะผสมและสารประกอบเกือบทั้งหมดเป็นชนิดที่สอง มันยอมให้สนามแม่เหล็กผ่านเข้ามาทางวังวนเล็ก ๆ ที่เรียกว่าวอร์เท็กซ์ (vortex) โดยยังคงความต้านทานเป็นศูนย์ไว้ได้ คุณสมบัตินี้ทำให้มันนำกระแสมหาศาลของแม่เหล็กกำลังสูงได้
อเล็กเซย์ อะบริโคซอฟ ผู้ทำนายวังวนเหล่านี้ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2003 ร่วมกับผู้อื่น
- มีสนามวิกฤตค่าเดียว
- ต่ำกว่านั้น สนามถูกผลักออกทั้งหมด
- ธาตุบริสุทธิ์ส่วนใหญ่
ชนิด I - มีสนามวิกฤตสองค่า
- สนามเข้ามาเป็นวอร์เท็กซ์ที่มีค่าเป็นควอนตัม
- โลหะผสมและสารประกอบเกือบทั้งหมด รวมทั้งไนโอเบียม
ชนิด II - 2003
- รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ของอเล็กเซย์ อะบริโคซอฟ และผู้อื่น
วอร์เท็กซ์ บทที่ II · แม่เหล็กลอยได้
ชนิด I และชนิด II
วิกิพีเดีย สภาพนำยิ่งยวด: ตัวนำยิ่งยวดชนิดที่หนึ่งมีสนามวิกฤตค่าเดียว ถ้าเกินค่านี้สภาพนำยิ่งยวดจะหายไป ถ้าต่ำกว่าสนามจะถูกผลักออกทั้งหมด ตัวนำยิ่งยวดชนิดที่สองมีสนามวิกฤตสองค่า ระหว่างสองค่านั้นฟลักซ์แม่เหล็กจะแทรกเข้ามาเป็นวอร์เท็กซ์ที่มีค่าเป็นควอนตัม ขณะที่ความต้านทานยังคงเป็นศูนย์หากกระแสไม่มากเกินไป ตัวนำยิ่งยวดที่เป็นธาตุบริสุทธิ์ส่วนใหญ่เป็นชนิดที่หนึ่ง ยกเว้นไนโอเบียมและท่อนาโนคาร์บอน ส่วนตัวนำยิ่งยวดที่มีสิ่งเจือปนหรือเป็นสารประกอบเกือบทั้งหมดเป็นชนิดที่สอง อเล็กเซย์ อะบริโคซอฟ ผู้ทำนายวอร์เท็กซ์ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2003 ร่วมกับผู้อื่น (Argonne)
ฉาก 3 มิติเป็นแบบจำลองเพื่อการสอน อะตอม อิเล็กตรอน คู่อิเล็กตรอน และเส้นสนามแม่เหล็กวาดแบบย่อ ไม่ได้ตามสัดส่วนจริง ส่วนอุณหภูมิและความต้านทานในตัวเลขเป็นไปตามค่าในแหล่งข้อมูล
แหล่งข้อมูล:
Wikipedia: superconductivity;
Argonne National Laboratory: 10 things you may not know about superconductivityบทที่ III · คู่อิเล็กตรอน
บทที่ III
คู่อิเล็กตรอน
ทำไมอิเล็กตรอนจึงหยุดชน
ทำไมจึงเกิดขึ้น ต้องรอจนถึงปี 1957 จอห์น บาร์ดีน ลีออน คูเปอร์ และโรเบิร์ต ชริฟเฟอร์ จึงอธิบายได้
อิเล็กตรอนที่วิ่งผ่านผลึกจะดึงอะตอมรอบ ๆ เข้ามาเล็กน้อย และระลอกในโครงผลึกนั้นดึงอิเล็กตรอนตัวที่สองเข้ามา ทั้งสองจึงผูกกันเป็นคู่คูเปอร์ (Cooper pair)
จากนั้นคู่ทั้งหมดเคลื่อนที่ไปด้วยกันเป็นสถานะรวมเดียว การทำลายคู่เพียงคู่เดียวต้องใช้พลังงานขั้นต่ำค่าหนึ่ง ที่อุณหภูมิต่ำจึงไม่มีอะไรทำให้มันกระเจิงได้ ลองเปรียบเทียบอิเล็กตรอนปกติกับอิเล็กตรอนที่จับคู่กัน
ทั้งสามคนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกันในปี 1972
- อิเล็กตรอนดึงอะตอมใกล้ ๆ
- โครงผลึกเกิดระลอก
- ระลอกนั้นดึงดูดอิเล็กตรอนตัวที่สอง
คู่คูเปอร์เกิดขึ้นอย่างไร 
เคลื่อนไปพร้อมกัน นักสเก็ตสองคนเคลื่อนไหวพร้อมกัน เป็นภาพเปรียบเทียบ ไม่ใช่ภาพของอิเล็กตรอน ภาพนิ่งสร้างด้วย AI- Δ
- พลังงานขั้นต่ำที่ต้องใช้ทำลายหนึ่งคู่
- อุณหภูมิต่ำ
- พลังงานความร้อนน้อยเกินกว่าจะจ่ายได้
ช่องว่างพลังงาน - 1957
- บาร์ดีน คูเปอร์ ชริฟเฟอร์
- 1972
- รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ของพวกเขา
ทฤษฎี BCS บทที่ III · คู่อิเล็กตรอน
คู่คูเปอร์
รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ปี 1972: ทฤษฎีที่บาร์ดีน คูเปอร์ และชริฟเฟอร์ พัฒนาขึ้นในปี 1957 อธิบายสภาพนำยิ่งยวดผ่านอันตรกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนกับการสั่นของโครงผลึก ซึ่งผูกอิเล็กตรอนเป็นคู่ ปัจจุบันเรียกว่าคู่คูเปอร์ คู่เหล่านี้เชื่อมโยงกันแน่นแฟ้นในสถานะรวมที่อิเล็กตรอนจำนวนมากทำงานร่วมกัน การรบกวนคู่หนึ่งเท่ากับรบกวนทั้งระบบ การทำลายคู่จึงต้องใช้พลังงานเกินค่าหนึ่ง (ช่องว่างพลังงาน) ซึ่งอธิบายสมบัติหลายอย่างของตัวนำยิ่งยวด
ลองดู: “ปกติ” แสดงอิเล็กตรอนเดี่ยวที่กระเจิง “จับคู่” แสดงคู่ที่เคลื่อนผ่านโครงผลึกอย่างราบรื่น เป็นภาพแบบง่าย ของจริงคู่คูเปอร์มีขนาดใหญ่กว่าระยะห่างระหว่างอะตอมมาก และซ้อนทับกัน
ฉาก 3 มิติเป็นแบบจำลองเพื่อการสอน อะตอม อิเล็กตรอน คู่อิเล็กตรอน และเส้นสนามแม่เหล็กวาดแบบย่อ ไม่ได้ตามสัดส่วนจริง ส่วนอุณหภูมิและความต้านทานในตัวเลขเป็นไปตามค่าในแหล่งข้อมูล
แหล่งข้อมูล:
The Nobel Prize: press release, Nobel Prize in Physics 1972 (BCS theory)บทที่ IV · อุ่นขึ้น
บทที่ IV
อุ่นขึ้น
เซรามิกที่ชนะไนโตรเจนเหลว
ตลอดเจ็ดสิบห้าปี ตัวนำยิ่งยวดต้องการความเย็นจัด ซึ่งส่วนใหญ่ได้จากฮีเลียมเหลวราคาแพง แล้วในปี 1986 เกออร์ก เบดนอร์ซ และอเล็กซ์ มึลเลอร์ ที่ IBM ในเมืองซูริก ก็พบเซรามิกคอปเปอร์ออกไซด์ หรือคิวเพรต (cuprate) ที่เป็นตัวนำยิ่งยวดได้ที่ 35 เคลวิน
หนึ่งปีต่อมา กลุ่มของพอล ชู ที่ฮิวส์ตัน สร้างอิตเทรียมแบเรียมคอปเปอร์ออกไซด์ (YBCO) ซึ่งเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ราว 93 เคลวิน เป็นครั้งแรกที่ไนโตรเจนเหลวซึ่งมีอุณหภูมิ 77 เคลวินเย็นพอ ลองเลือกวัสดุดู
นักฟิสิกส์มักเปรียบกันว่า ฮีเลียมเหลวราคาพอ ๆ กับวิสกี้ แต่ไนโตรเจนเหลวถูกกว่าเบียร์
- 35 K
- คอปเปอร์ออกไซด์ที่มีแลนทานัม: สถิติใหม่
- ~23 K
- สถิติเดิม Nb₃Ge
IBM ซูริก 1986 
ไนโตรเจนเหลว การเทสารหล่อเย็น ไนโตรเจนเดือดที่ 77 K ภาพนิ่งสร้างด้วย AI| ปรอท 1911 | 4.19 |
|---|
| Nb₃Ge ก่อน 1986 | ~23 |
|---|
| คิวเพรตแลนทานัม 1986 | 35 |
|---|
| YBCO 1987 | 93 |
|---|
| คิวเพรตปรอท | >130 |
|---|
อุณหภูมิวิกฤต ไนโตรเจนเหลวเดือดที่ 77 K ฮีเลียมเหลวที่ 4.2 K“ฮีเลียมเหลวราคาพอ ๆ กับวิสกี้ แต่ไนโตรเจนเหลวถูกกว่าเบียร์”คำเปรียบที่นักฟิสิกส์ใช้กัน อ้างโดยห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนน์
บทที่ IV · อุ่นขึ้น
ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง
Argonne: ปี 1986 เบดนอร์ซและมึลเลอร์แห่ง IBM ซูริก พบวัสดุที่มีแลนทานัมเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ 35 K ซึ่งเป็นสถิติ ปี 1987 พอล ชู สร้างอิตเทรียมแบเรียมคอปเปอร์ออกไซด์ที่มีอุณหภูมิเปลี่ยนสถานะ 92 K เป็นตัวนำยิ่งยวดตัวแรกที่ใช้ไนโตรเจนเหลวหล่อเย็นได้ “ฮีเลียมเหลวราคาพอ ๆ กับวิสกี้ แต่ไนโตรเจนเหลวถูกกว่าเบียร์” Argonne นับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ด้านสภาพนำยิ่งยวดได้ห้าครั้งจนถึงปี 2003 คือปี 1913 1972 1973 1987 และ 2003 IEEE Milestones: กลุ่มของชูพบ YBCO และสารประกอบใกล้เคียงที่มี Tc 93 K เป็นตัวแรกที่สูงกว่า 77 K ซึ่งเป็นจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว ก่อนปี 1987 Tc สูงสุดที่รู้จักราว 23 K (Nb₃Ge) วิกิพีเดีย สภาพนำยิ่งยวด: คิวเพรตที่มีปรอทเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงกว่า 130 K
ลองดู: เลือกวัสดุเพื่อดูอุณหภูมิวิกฤตบนเทอร์โมมิเตอร์ และสารหล่อเย็นที่ต้องใช้ แหล่งข้อมูลต่างกันระบุ YBCO ไว้ที่ 92–93 K
ฉาก 3 มิติเป็นแบบจำลองเพื่อการสอน อะตอม อิเล็กตรอน คู่อิเล็กตรอน และเส้นสนามแม่เหล็กวาดแบบย่อ ไม่ได้ตามสัดส่วนจริง ส่วนอุณหภูมิและความต้านทานในตัวเลขเป็นไปตามค่าในแหล่งข้อมูล
แหล่งข้อมูล:
Argonne National Laboratory: 10 things you may not know about superconductivity;
IEEE Milestones (ETHW): high-temperature superconductivity, 1987;
Wikipedia: superconductivityสี่สิบปีผ่านไป ยังไม่มีใครอธิบายคอปเปอร์ออกไซด์ได้ทั้งหมด อิเล็กตรอนในวัสดุเหล่านี้ยังจับคู่กันอยู่ แต่อะไรเป็นตัวยึดคู่ไว้ที่อุณหภูมิสูงขนาดนั้น ยังไม่ชัดเจน
นี่คือเหตุที่ผลการศึกษาของวอริกมีความสำคัญ การสแกนด้วยรังสีเอกซ์สามมิติพบหย่อมของการเรียงตัวสองแบบ คั่นด้วยรอยต่อกว้างราวหนึ่งร้อยห้าสิบนาโนเมตร ซึ่งทีมวิจัยบอกว่าน่าจะขัดขวางสภาพนำยิ่งยวด
ถ้าผลนี้ได้รับการยืนยัน การวัดบางอย่างในอดีตอาจต้องถูกทบทวนใหม่
พวกเขาเสนอว่าโครงสร้างที่ซ่อนอยู่แบบนี้อาจพบได้ทั่วไปในคอปเปอร์ออกไซด์
- อิเล็กตรอนจับคู่ เหมือนใน BCS
- กลไกการจับคู่ยังไม่ชัดเจน
- สมมาตรของคู่ยังถกเถียงกันอยู่
สิ่งที่รู้เกี่ยวกับคิวเพรต 
ซินโครตรอน ศูนย์รังสีเอกซ์รูปวงแหวนในหุบเขา ภาพนิ่งสร้างด้วย AI- 2
- การเรียงตัวของอะตอมที่ต่างกันเล็กน้อย เป็นหย่อม
- ราว 150 นาโนเมตร
- ความกว้างของรอยต่อ กว้างกว่าที่คาดมาก
วอริก 2026 (งานวิจัยชิ้นเดียว) “ผลึกนี้โดยพื้นฐานแล้วเป็นหย่อม ๆ และมีลวดลาย”ศาสตราจารย์มาร์ก เซนน์ มหาวิทยาลัยวอริก
บทที่ V · การใช้งานและกระแส
บทที่ V
การใช้งานและกระแส
แม่เหล็กที่คุณอาจเคยเข้าไปอยู่ข้างใน
งานที่ใหญ่ที่สุดของตัวนำยิ่งยวดในวันนี้คือการสร้างแม่เหล็กกำลังสูง เครื่อง MRI แบบตัวนำยิ่งยวดเกือบทุกเครื่องใช้ขดลวดไนโอเบียม-ไทเทเนียม ซึ่งเป็นตัวนำยิ่งยวดเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าราวเก้าเคลวิน แช่อยู่ในฮีเลียมเหลว
เส้นลวดประกอบด้วยเส้นใยไนโอเบียม-ไทเทเนียมเล็ก ๆ จำนวนมากฝังอยู่ในทองแดง ซึ่งช่วยพากระแสไหลอย่างปลอดภัย หากบางส่วนหยุดเป็นตัวนำยิ่งยวด
เครื่องเร่งอนุภาค LHC ของเซิร์นใช้แม่เหล็กไดโพลตัวนำยิ่งยวดหนึ่งพันสองร้อยสามสิบสองตัว แต่ละตัวยาวสิบสี่เมตร ทำให้เย็นถึง 1.9 เคลวิน เพื่อบังคับเลี้ยวลำอนุภาค
แม่เหล็กของ LHC แต่ละตัวนำกระแสราวหนึ่งหมื่นหนึ่งพันแปดร้อยแอมแปร์ และสร้างสนามแม่เหล็กราว 8.3 เทสลา โดยไม่มีความต้านทานเลย
เครื่อง MRI ภายในวงแหวนคือขดลวดตัวนำยิ่งยวดในอ่างฮีเลียม ภาพนิ่งสร้างด้วย AI- NbTi
- เป็นตัวนำยิ่งยวดเมื่อต่ำกว่าราว 9.3 K
- ~4.2 K
- อุณหภูมิใช้งาน ฮีเลียมเหลว
แม่เหล็กของ MRI 
อุโมงค์เครื่องเร่งอนุภาค แถวแม่เหล็กที่โค้งหายไปในระยะไกล ภาพนิ่งสร้างด้วย AI- 1,232
- ตัว ยาวตัวละ 14.3 ม.
- 8.3 T
- สนามแม่เหล็ก ที่ 1.9 K
- ~11,850 A
- กระแสไฟฟ้า โดยไม่มีความต้านทาน
แม่เหล็กไดโพลของ LHC (เซิร์น) บทที่ V · การใช้งานและกระแส
แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด
Questions and Answers in MRI: เครื่อง MR สมัยใหม่เกือบทั้งหมดใช้ไนโอเบียม-ไทเทเนียม (NbTi) ซึ่งเป็นตัวนำยิ่งยวดเมื่อต่ำกว่าราว 9.3 K แม่เหล็กทำงานใกล้อุณหภูมิฮีเลียมเหลว (ราว 4.2 K) เพื่อเผื่อความปลอดภัย โดยมีเส้นใย NbTi เล็ก ๆ จำนวนมากฝังในทองแดงที่ช่วยรักษาเสถียรภาพ Nb₃Sn ใช้กับสนามสูงกว่า 10 T และแมกนีเซียมไดบอไรด์ (ราว 39 K) เริ่มถูกนำมาใช้ เซิร์น: LHC ต้องใช้แม่เหล็กไดโพล 1,232 ตัว แต่ละตัวยาว 14.3 ม. ทำจากขดลวดไนโอเบียม-ไทเทเนียม ทำงานที่ 1.9 K สร้างสนามราว 8.3 เทสลา ด้วยกระแสราว 11,850 แอมแปร์
ฉาก 3 มิติเป็นแบบจำลองเพื่อการสอน อะตอม อิเล็กตรอน คู่อิเล็กตรอน และเส้นสนามแม่เหล็กวาดแบบย่อ ไม่ได้ตามสัดส่วนจริง ส่วนอุณหภูมิและความต้านทานในตัวเลขเป็นไปตามค่าในแหล่งข้อมูล
แหล่งข้อมูล:
Questions and Answers in MRI: superconductive magnet design;
CERN LHC Machine Outreach: the LHC magnetsแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดยังยกรถไฟให้ลอยได้ด้วย วันที่ 21 เมษายน 2015 รถไฟแม็กเลฟรุ่น L0 ของญี่ปุ่น ซึ่งติดแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดไว้ที่โบกี้ ทำความเร็วได้หกร้อยสามกิโลเมตรต่อชั่วโมงบนทางทดสอบที่ยามานาชิ
นี่ยังคงเป็นสถิติความเร็วโลกของรถไฟทุกประเภท
ญี่ปุ่นวางแผนเปิดเส้นทางแม็กเลฟตัวนำยิ่งยวดจากโตเกียวถึงนาโงยะในปี 2034
- 603 กม./ชม.
- รุ่น L0 วันที่ 21 เมษายน 2015
รถไฟที่เร็วที่สุดในโลก 
แม็กเลฟขณะวิ่งเร็ว แม็กเลฟบนรางคอนกรีต ภาพนิ่งสร้างด้วย AI- 2034
- กำหนดเปิด โตเกียวถึงนาโงยะ
ชูโอชินคันเซ็น บทที่ V · การใช้งานและกระแส
รถไฟที่ลอยได้
กินเนสส์เวิลด์เรคคอร์ดส: รถไฟแม็กเลฟที่เร็วที่สุดทำความเร็วได้ 603 กม./ชม. เมื่อวันที่ 21 เมษายน 2015 บนทางทดสอบแม็กเลฟยามานาชิ ด้วยรถรุ่น L0 ที่ดำเนินการโดยบริษัทรถไฟเซ็นทรัลเจแปน วิกิพีเดีย SCMaglev: โบกี้ของรถไฟติดแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด สถิตินี้ทำโดยรถไฟ L0 เจ็ดตู้ และเป็นสถิติความเร็วโลกของรถไฟทุกประเภท ส่วนชูโอชินคันเซ็นระหว่างโตเกียวกับนาโงยะมีกำหนดเปิดในปี 2034
ฉาก 3 มิติเป็นแบบจำลองเพื่อการสอน อะตอม อิเล็กตรอน คู่อิเล็กตรอน และเส้นสนามแม่เหล็กวาดแบบย่อ ไม่ได้ตามสัดส่วนจริง ส่วนอุณหภูมิและความต้านทานในตัวเลขเป็นไปตามค่าในแหล่งข้อมูล
แหล่งข้อมูล:
Guinness World Records: fastest maglev train;
Wikipedia: SCMaglevเพราะรางวัลยิ่งใหญ่ ข้ออ้างจึงแพร่กระจายเร็ว เดือนกรกฎาคม 2023 ทีมวิจัยในเกาหลีใต้เผยแพร่บทความที่ยังไม่ผ่านการประเมินสองชิ้น อ้างว่าพบตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องชื่อ LK-99 โดยความต้านทานลดลงที่ราวหนึ่งร้อยห้าองศาเซลเซียส
ห้องปฏิบัติการทั่วโลกพยายามทำซ้ำ งานวิจัยที่ผ่านการประเมินโดยผู้ทรงคุณวุฒิชิ้นหนึ่งพบว่าสิ่งที่เห็นเกิดจากสิ่งเจือปนคอปเปอร์ซัลไฟด์ และตัวอย่างไม่เคยแสดงความต้านทานเป็นศูนย์ LK-99 จึงไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวด
บทเรียนคือ ผลการทดลองที่น่าตื่นเต้นเพียงครั้งเดียวยังไม่ใช่ข้อพิสูจน์ จนกว่าห้องปฏิบัติการอื่นจะทำซ้ำได้
การค้นพบที่ถูกกล่าวอ้าง เม็ดเซรามิกเล็ก ๆ ที่คีบด้วยแหนบ ภาพนิ่งสร้างด้วย AI- บทความก่อนตีพิมพ์ ยังไม่ผ่านการประเมิน
- ห้องปฏิบัติการอิสระทำซ้ำตามสูตร
- สิ่งเจือปนคอปเปอร์ซัลไฟด์อธิบายการเปลี่ยนแปลงที่เห็น
- ความต้านทานไม่เป็นศูนย์: ไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวด
ข้ออ้างถูกตรวจสอบอย่างไร - 0 Ω
- ความต้านทานเป็นศูนย์พอดี
- ไมส์เนอร์
- สนามแม่เหล็กถูกผลักออก
บททดสอบของตัวนำยิ่งยวด บทที่ V · การใช้งานและกระแส
LK-99
ScienceAlert (30 พฤศจิกายน 2023): เดือนกรกฎาคม 2023 ทีมวิจัยจากเกาหลีใต้อ้างในบทความก่อนตีพิมพ์สองชิ้นซึ่งยังไม่ผ่านการประเมินว่า LK-99 เป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง โดยความต้านทานลดลงใกล้ 105 °C ซือหลิน จู และคณะ จากสถาบันฟิสิกส์ บัณฑิตยสภาวิทยาศาสตร์จีน พบในงานวิจัยที่ผ่านการประเมินและตีพิมพ์ในวารสาร Matter ว่าพฤติกรรมที่คล้ายตัวนำยิ่งยวดน่าจะมาจากสิ่งเจือปนคอปเปอร์(I)ซัลไฟด์ และตัวอย่างของพวกเขาไม่แสดงสภาพต้านทานเป็นศูนย์ วารสาร Nature รายงานว่าคำถามนี้ดูเหมือน “ได้ข้อยุติอย่างชัดเจน” แล้ว
ฉาก 3 มิติเป็นแบบจำลองเพื่อการสอน อะตอม อิเล็กตรอน คู่อิเล็กตรอน และเส้นสนามแม่เหล็กวาดแบบย่อ ไม่ได้ตามสัดส่วนจริง ส่วนอุณหภูมิและความต้านทานในตัวเลขเป็นไปตามค่าในแหล่งข้อมูล
แหล่งข้อมูล:
ScienceAlert (30 Nov 2023): LK-99 is no radical superconductor after all, scientists confirmบทส่งท้าย
วัสดุที่เป็นตัวนำยิ่งยวดได้ที่อุณหภูมิห้องและความดันปกติ จะเปลี่ยนโฉมระบบไฟฟ้า มอเตอร์ และการแพทย์
ยังไม่มีใครพบวัสดุแบบนั้น และจนกว่าจะมีคนพบ และห้องปฏิบัติการอื่นยืนยันได้ ตัวนำยิ่งยวดก็ยังต้องพึ่งความเย็นต่อไป
คอปเปอร์ออกไซด์ที่ดีที่สุดที่ความดันปกติ ยังต้องเย็นจัดจนต่ำกว่าลบหนึ่งร้อยองศาเซลเซียสไปอีกมาก
- 1911 ปรอท: ความต้านทานเป็นศูนย์
- 1933 ปรากฏการณ์ไมส์เนอร์
- 1957 ทฤษฎี BCS: คู่คูเปอร์
- 1986–87 คิวเพรตชนะไนโตรเจนเหลว
- 2015 แม็กเลฟ 603 กม./ชม.
- 2023 ข้ออ้าง LK-99 ไม่เป็นจริง
- 2026 หย่อมที่ซ่อนอยู่ในคิวเพรต
หนึ่งศตวรรษของตัวนำยิ่งยวด - อะไรยึดอิเล็กตรอนไว้ในคิวเพรต
- ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องและความดันปกติ
- ห้องปฏิบัติการอื่นจะยืนยันผลของวอริกหรือไม่
ยังไม่มีคำตอบ - >130 K
- คิวเพรตที่มีปรอท ยังต่ำกว่า −100 °C ไปมาก
ดีที่สุดที่ความดันปกติ