โดย Paul Sutter เผยแพร่เมื่อ 24 กรกฎาคม 2021 ในตัวนํายิ่งยวดกระแสไฟฟ้าสามารถดํารงอยู่ได้ตลอดไป The Shanghai Maglev Train, also known as the Shanghai Transrapid, a high-speed magnetic levitation train leaving the station.
ตัวนํายิ่งยวดถูกนํามาใช้ในหลากหลายการใช้งานเช่นรถไฟเซี่ยงไฮ้ Maglev หรือที่เรียกว่าเซี่ยงไฮ้ Transrapid รถไฟลอยตัวแม่เหล็กความเร็วสูง (เครดิตภาพ: เก็ตตี้อิมเมจ/ คริสเตียน ปีเตอร์เซ่น-คอนตัวนํายิ่งยวดเป็นวัสดุที่บรรลุตัวนํายิ่งยวดซึ่งเป็นสถานะของสสารที่ไม่มีความต้านทานไฟฟ้าและ
ไม่อนุญาตให้สนามแม่เหล็กเจาะ กระแสไฟฟ้าในตัวนํายิ่งยวดสามารถคงอยู่ได้อย่างไม่มีกําหนด
ตัวนํายิ่งยวดมักจะสามารถทําได้ที่อุณหภูมิเย็นมากเท่านั้น ตัวนํายิ่งยวดมีการใช้งานในชีวิตประจําวันที่หลากหลายตั้งแต่เครื่อง MRI ไปจนถึงรถไฟ Maglev ที่รวดเร็วเป็นพิเศษที่ใช้แม่เหล็กเพื่อลอยรถไฟออกจากแทร็กเพื่อลดแรงเสียดทาน ขณะนี้นักวิจัยกําลังพยายามค้นหาและพัฒนาตัวนํายิ่งยวดที่ทํางานที่อุณหภูมิสูงขึ้นซึ่งจะปฏิวัติการขนส่งและจัดเก็บพลังงานใครเป็นผู้ค้นพบตัวนํายิ่งยวด?
เครดิตสําหรับการค้นพบตัวนํายิ่งยวดไปนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ Heike Kamerlingh Onnes ในปี 1911 Onnes กําลังศึกษาคุณสมบัติทางไฟฟ้าของปรอทในห้องปฏิบัติการของเขาที่มหาวิทยาลัย Leiden ในเนเธอร์แลนด์เมื่อเขาพบว่าความต้านทานไฟฟ้าในปรอทหายไปอย่างสมบูรณ์เมื่อเขาลดอุณหภูมิลงต่ํากว่า 4.2 เคลวิน – นั่นเป็นเพียง 4.2 องศาเซลเซียส (7.56 องศาฟาเรนไฮต์) สูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์
สร้างภาพถ่ายตอนกลางคืนให้สวยปังใน Lightroom
อะโดบี โฟโต้ชอป ไลท์รูมเพื่อยืนยันผลลัพธ์นี้ Onnes ใช้กระแสไฟฟ้ากับตัวอย่างของปรอทเย็นจัดจากนั้นถอดแบตเตอรี่ออก เขาพบว่ากระแสไฟฟ้ายังคงอยู่ในปรอทโดยไม่ลดลงยืนยันการขาดความต้านทานไฟฟ้าและเปิดประตูสู่การใช้งานในอนาคตของตัวนํายิ่งยวด
ประวัติความเป็นมาของตัวนํายิ่งยวด
นักฟิสิกส์ใช้เวลาหลายสิบปีในการพยายามเข้าใจธรรมชาติของตัวนํายิ่งยวดและสิ่งที่ทําให้เกิดมัน พวกเขาพบว่าองค์ประกอบและวัสดุจํานวนมาก แต่ไม่ใช่ทั้งหมดกลายเป็นตัวนํายิ่งยวดเมื่อเย็นลงต่ํากว่าอุณหภูมิที่สําคัญบางอย่าง
ในปี 1933 นักฟิสิกส์ Walther Meissner และ Robert Ochsenfeld ค้นพบว่าตัวนํายิ่งยวด “ขับไล่”
สนามแม่เหล็กใกล้เคียงซึ่งหมายความว่าสนามแม่เหล็กที่อ่อนแอไม่สามารถเจาะลึกเข้าไปในตัวนํายิ่งยวดได้ไกลตาม Hyper Physics ซึ่งเป็นเว็บไซต์การศึกษาจากภาควิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐจอร์เจีย ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าผลกระทบ Meissnerจนกระทั่งปี 1950 นักฟิสิกส์ทฤษฎี Lev Landau และ Vitaly Ginzburg ตีพิมพ์ทฤษฎีการทํางานของตัวนํายิ่งยวดตามชีวประวัติของ Ginzburg ในเว็บไซต์รางวัลโนเบล ในขณะที่ประสบความสําเร็จในการทํานายคุณสมบัติของตัวนํายิ่งยวดทฤษฎีของพวกเขาคือ “กล้องจุลทรรศน์” ซึ่งหมายความว่ามันมุ่งเน้นไปที่พฤติกรรมขนาดใหญ่ของตัวนํายิ่งยวดในขณะที่ยังคงไม่รู้สิ่งที่เกิดขึ้นในระดับกล้องจุลทรรศน์
ในที่สุดในปี 1957 นักฟิสิกส์ John Bardeen, Leon N. Cooper และ Robert Schrieffer ได้พัฒนาทฤษฎีตัวนํายิ่งยวดที่สมบูรณ์และกล้องจุลทรรศน์ ในการสร้างความต้านทานไฟฟ้าอิเล็กตรอนในโลหะจะต้องมีอิสระในการตีกลับ แต่เมื่ออิเล็กตรอนภายในโลหะเย็นอย่างไม่น่าเชื่อพวกเขาสามารถจับคู่กันได้ป้องกันไม่ให้พวกมันกระเด้งไปมา คู่อิเล็กตรอนเหล่านี้เรียกว่าคู่คูเปอร์มีเสถียรภาพมากที่อุณหภูมิต่ําและไม่มีอิเล็กตรอน “ฟรี” ที่จะตีกลับไปรอบ ๆ ความต้านทานไฟฟ้าจะหายไป Bardeen, Cooper และ Schrieffer รวบรวมชิ้นส่วนเหล่านี้เข้าด้วยกันเพื่อสร้างทฤษฎีของพวกเขาที่เรียกว่าทฤษฎี BCS ซึ่งพวกเขาตีพิมพ์ในวารสารจดหมายทบทวนทางกายภาพตัวนํายิ่งยวดทํางานอย่างไร?เมื่อโลหะลดลงต่ํากว่าอุณหภูมิวิกฤติอิเล็กตรอนในพันธะรูปโลหะที่เรียกว่าคู่คูเปอร์ ถูกขังไว้แบบนี้ อิเล็กตรอนไม่สามารถให้ความต้านทานไฟฟ้าใด ๆ และไฟฟ้าสามารถไหลผ่านโลหะได้อย่างสมบูรณ์แบบตามที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์
อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ใช้งานได้ที่อุณหภูมิต่ําเท่านั้น เมื่อโลหะอุ่นเกินไปอิเล็กตรอนจะมีพลังงานเพียงพอที่จะทําลายพันธะของคู่คูเปอร์และกลับไปเสนอความต้านทาน นั่นคือเหตุผลที่ Onnes ในการทดลองดั้งเดิมของเขาพบว่าปรอทมีพฤติกรรมเป็นตัวนํายิ่งยวดที่ 4.19 K แต่ไม่ใช่ 4.2 Kตัวนํายิ่งยวดใช้สําหรับอะไร?เป็นไปได้มากที่คุณจะได้พบตัวนํายิ่งยวดโดยไม่รู้ตัว เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งที่ใช้ในการถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (MRI) และการถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMRI) เครื่องจักรใช้แม่เหล็กไฟฟ้าที่ทรงพลังตามที่อธิบายโดย Mayo Clinic แม่เหล็กไฟฟ้าที่ทรงพลังเหล่านี้จะละลายโลหะปกติเนื่องจากความร้อนของความต้านทานเพียงเล็กน้อย อย่างไรก็ตามเนื่องจากตัวนํายิ่งยวดไม่มีความต้านทานไฟฟ้าจึงไม่มีการสร้างความร้อนและแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถสร้างสนามแม่เหล็กที่จําเป็นได้แม่เหล็กไฟฟ้าตัวนํายิ่งยวดที่คล้ายกันยังใช้ในรถไฟ Maglev เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นทดลองและห้องปฏิบัติการเร่งอนุภาคพลังงานสูง ตัวนํายิ่งยวดยังใช้ในการจ่ายไฟให้กับปืนรางและขดลวดสถานีฐานโทรศัพท์มือถือวงจรดิจิตอลที่รวดเร็วและเครื่องตรวจจับอนุภาค
