ในปี ค.ศ. 1911 Heike Kamerlingh Onnes ศาสตราจารย์ฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัย Leiden ในเนเธอร์แลนด์ได้สังเกตเห็นว่า เมื่อเขาลดอุณหภูมิของปรอทบริสุทธิ์จนถึง 4.2 เคลวิน (-269 องศาเซลเซียส) ปรอทได้กลายสภาพจากตัวนำธรรมดาที่มีความต้านทานไฟฟ้ากลายเป็นตัวนำที่ไม่มีความต้านทานไฟฟ้าเลย คือ มีความต้านทานเป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่า กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านปรอทนั้นจะไหลไปได้อย่างต่อเนื่องนานเป็นพันล้านปี โดยปริมาณกระแสจะไม่ตก ในขณะที่ในการไหลของกระแสไฟฟ้าตัวนำธรรมดาจะตกและสลายตัวไปในที่สุด
Onnes รู้สึกสงสัยในสมบัติกายภาพในประเด็นนี้มากว่า เหตุใดอิเล็กตรอนในปรอทจึงสามารถเคลื่อนที่ (คือไหล) โดยไม่ปะทะกันเอง หรือชนกับไอออนที่มีในปรอทเลย ซึ่งการชนตามปกติจะทำให้ตัวนำมีความต้านทานไฟฟ้า เขาจึงเรียกตัวนำที่พบใหม่ว่า ตัวนำยวดยิ่ง (superconductor) ผลงานนี้มีส่วนทำให้ Onnes ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1913
คนทั้งโลกได้ตระหนักในความสำคัญของการค้นพบปรากฏการณ์นี้ทันทีว่ามีมากมหาศาล เช่น วิศวกรไฟฟ้าทุกคนรู้ดีว่าการส่งไฟฟ้าไปตามสายไฟที่ทำด้วยลวดทองแดงธรรมดาไปสู่บ้านที่อยู่ห่างไกลจากโรงไฟฟ้าเป็นระยะทางหลายร้อย หลายพันกิโลเมตรจะทำให้กระแสไฟตก 10-15% (ดังนั้นวิศวกรจึงต้องติดตั้งหม้อแปลงที่สถานีปลายทางเพื่อปรับความดันไฟฟ้า) ทั้งนี้เพราะลวดทองแดงที่ใช้ในการนำกระแสนั้นมีความต้านทานไฟฟ้า แต่ถ้าใช้ลวดที่ทำด้วยตัวนำยวดยิ่ง กระแสไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้าจะสามารถเดินทางถึงจุดหมายปลายทางได้อย่างสมบูรณ์ 100% เต็ม (แต่ปัญหาก็มีว่า ยังไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนใดสามารถสังเคราะห์ตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิห้อง (คือ +30 องศาเซลเซียส) ได้ ดังนั้นถึงวันนี้เราก็ยังไม่มีโรงงานผลิตกระแสไฟฟ้ายวดยิ่ง ส่วนวิศวกรคอมพิวเตอร์ก็ตระหนักมานานแล้วว่าคอมพิวเตอร์ที่ใช้ลวดที่เป็นตัวนำยวดยิ่งในวงจรจะมีประสิทธิภาพสูงมาก คือทำงานเร็วกว่าปรกติเป็นล้านเท่า
ดังนั้นการค้นหาตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิห้องจึงมีความสำคัญสำหรับนักวัสดุศาสตร์เทียบเท่ากับการค้นหาจอกศักดิ์สิทธิ์ของพระเยซู ซึ่งถ้าพบ วงการอุตสาหกรรมไฟฟ้า วงการวิทยาศาสตร์ วงการแพทย์และวงการอิเล็กทรอนิกส์ก็จะเปลี่ยนโฉมการทำงานทันที
จากธาตุที่พบในธรรมชาติซึ่งมี 92 ชนิดนั้น นักวัสดุศาสตร์ได้เริ่มใช้ธาตุ เช่น ตะกั่ว ทองแดง อลูมิเนียม ฯลฯ เพื่อนำมาทำเป็นตัวนำยวดยิ่ง ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า ตะกั่วและอลูมิเนียม สามารถเปลี่ยนสภาพเป็นตัวยำยวดยิ่งได้ที่อุณหภูมิ 7.26 เคลวิน และ1.14 เคลวินตามลำดับ ส่วนทองแดง แม้อุณหภูมิของมันจะลดต่ำเพียงใดก็ไม่เป็นตัวนำยวดยิ่ง สถิติสูงสุดของอุณหภูมิวิกฤต (อุณหภูมิที่สารเปลี่ยนสภาพจากตัวนำธรรมดาเป็นตัวนำยวดยิ่ง) ตกเป็นของธาตุไนโอเบียม ซึ่งมีอุณหภูมิวิกฤตเท่ากับ 9.22 เคลวิน
เพราะการนำธาตุต่างๆ มาผสมกันใช้อย่างไม่มีหลักการเป็นวิธีที่นักวัสดุศาสตร์ไม่นิยมทำ ดังนั้น นักฟิสิกส์ที่สนใจเรื่องนี้จึงต้องพึ่งพาอาศัยความรู้ด้านทฤษฎีควอนตัมของของแข็ง แต่ทฤษฎีควอนตัมดังกล่าว ณ เวลานั้น (หรือแม้กระทั่งถึงเวลานี้) ก็ไม่สามารถบอกได้ว่า สารประกอบใดบ้างสามารถเป็นตัวนำยวดยิ่งได้ นอกจากนี้ทฤษฎีก็ยังไม่สามารถอธิบายได้ว่า เหตุใดสารบางชนิดจึงสูญเสียความต้านทานไฟฟ้าไปอย่างสมบูรณ์ เมื่ออุณหภูมิลดต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต
จนกระทั่งถึงปี 1957 John Bardeen, Leon Cooper และ Robert Schrieffer ก็ได้เสนอทฤษฎี BCS (จากอักษรแรกของนามสกุลของคนทั้งสาม) ซึ่งมีใจความสำคัญว่าอันตรกริยาระหว่างอิเล็กตรอนกับไอออนในของแข็งทำให้เกิดแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอน (ทั้งๆ ที่อิเล็กตรอนต่างก็มีประจุลบ) ดังนั้นอิเล็กตรอนจะจับคู่กัน เรียกคู่ Cooper ซึ่งจะเคลื่อนที่ไปในของแข็งด้วยกันอย่างไม่มีการสูญเสียพลังงานเลย ขณะอุณหภูมิของของแข็งนั้นมีค่าต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต แต่ทันทีที่อุณหภูมิเพิ่มสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤต พลังงานความร้อนที่มีอยู่ในของแข็งจะทำให้คู่คูเปอร์แตกแยกจากกันกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งจะเคลื่อนที่สะเปะสะปะไปในของแข็ง จากนั้นการชนกันเองระหว่างอิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนกับไอออนจะทำให้สารมีความต้านทานไฟฟ้า นั่นคือ ทุกสิ่งทุกอย่างกลับไปสู่การมีความต้านทานไฟฟ้า เสมือนกับกรณีที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติ สสารมีสมบัติแม่เหล็ก แต่เมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงเกิน สมบัติแม่เหล็กจะหมดทันที
ในเวลาต่อมาการทดลองค้นหาตัวนำยวดยิ่งที่ประกอบด้วยธาตุ 2 ชนิดก็ได้ทำให้พบว่า Nb3Ge เป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิ 23.2 เคลวิน (-250 องศาเซลเซียส) การมีอุณหภูมิวิกฤตต่ำมากเช่นนี้ทำให้นักฟิสิกส์พากันสงสัยว่า มนุษย์จะไม่มีวันพบตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิห้อง เสมือนว่าธรรมชาติสั่งห้ามการมีตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง ในทำนองเดียวกับการห้ามการเคลื่อนที่ใดๆ ไม่ให้มีความเร็วมากกว่าแสง
ด้าน Phillip Anderson ซึ่งเป็นเจ้าของรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1979 ก็ได้พัฒนาทฤษฎีขึ้นมายืนยันความเชื่อนี้ว่า อุณหภูมิวิกฤตของสารในธรรมชาติจะมีค่าไม่เกิน 30 เคลวิน
ถึงปี 1968 เมื่อ Vitaly Ginzburg (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 2003) วิเคราะห์ผลงานของ Anderson และพบจุดบกพร่อง เขาจึงได้ข้อสรุปใหม่ว่า ธรรมชาติไม่มีข้อจำกัดเรื่องอุณหภูมิวิกฤตของสสาร และ Ginzburg ได้พบว่า ในการจะทำให้สารมีอุณหภูมิวิกฤตสูงนั้น อันตรกริยาระหว่างอิเล็กตรอนกับไออนจะต้องมีค่ามาก อีกทั้งไอออนจะต้องสั่นไปมาด้วยความถี่สูง และความหนาแน่นสถานะของอิเล็กตรอนที่ระดับพลังงานเฟอร์มิก็จะต้องมีค่ามากด้วย
ในช่วงปี 1968-1969 Ginzburg จึงได้เสนอหลักการค้นหาตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงว่าสมควรใช้สารประกอบ covalent ที่มีไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบหลัก เช่น SiH4 หรือ SnH4 เพราะนิวเคลียสของไฮโดรเจนมีมวลค่อนข้างน้อย ดังนั้นความถี่ในการสั่นของไอออน Si หรือ Sn จะมีค่ามาก และ Ginzburg ได้ทำนายว่าอุณหภูมิวิกฤตของสารประกอบประเภทไฮดรายด์จะมีค่าตั้งแต่ 50 ถึง 235 เคลวิน (-223 ถึง -38 องศาเซลเซียส) หรือถ้าจะให้ดีก็ควรใช้โลหะไฮโดรเจน แต่ ณ เวลานั้นนักฟิสิกส์ยังไม่สามารถทำไฮโดรเจนให้เป็นโลหะได้ แม้จะใช้ความดันที่สูงเป็นล้านเท่าของบรรยากาศก็ตาม ดังนั้นกรอบความคิดที่ว่าตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจะต้องมีไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบจึงเป็นประเด็นที่นักทดลองต้องหาวิธีทำให้เป็นจริงต่อไป
เวลาได้ล่วงเลยไปจนถึงปี 1986 เมื่อ George Bednorz และ K.A. Müller ได้พบว่า สารประกอบเซรามิก La2CuO4 เวลาถูกโด้ปด้วย barium จะกลายเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิ 35 เคลวิน (-238 องศาเซลเซียส) ซึ่งนับว่าสูง “ผิดปกติ” การค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงนี้ทำให้ Bednorz และ Müller ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1987
อีก 7 ปีต่อมาสถิติอุณหภูมิวิกฤตก็ได้เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ตลอดเวลา และสถิติสูงสุดเป็นของสารประกอบ HgBa2Ca2Cu3O8 ที่อุณหภูมิ 138 เคลวิน (คือ -135 องศาเซลเซียส) เมื่อสารประกอบนี้ถูกโด้ปด้วย thallium ที่ความดันปกติ และที่ความดันสูง อุณหภูมิวิกฤตก็จะเพิ่มสูงถึง 164 เคลวิน (-109 องศาเซลเซียส) การศึกษาธรรมชาติการจับคู่ของคู่คูเปอร์ในตัวยวดยิ่งอุณหภูมิสูงเหล่านี้แสดงว่าให้เห็นว่า การจับคู่เกิดจากอันตรกริยาระหว่างอิเล็กตรอน มิได้เกิดจากอันตรกริยาระหว่างอิเล็กตรอนกับไอออนเหมือนในตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ ซึ่งเป็นตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิวิกฤตต่ำกว่า 30 เคลวิน
ถึงปี 2001 โลกก็ต้องประหลาดใจอีกครั้งหนึ่ง เมื่อ J. Akimitzu กับคณะได้พบสภาพนำยวดยิ่งในสารประกอบ magnesium diboride MgB2 ซึ่งมีองค์ประกอบเป็น magnesium และ boron และโมเลกุลของสารประกอบนี้มีโครงสร้างง่ายๆ สารประกอบ MgB2 มีอุณหภูมิวิกฤติ 40 เคลวิน (-233 องศาเซลเซียส) ซึ่ง “สูง” สาเหตุที่เป็นเช่นนี้เพราะ boron มีมวลน้อย และอันตรกริยาระหว่างไอออนกับอิเล็กตรอนมีค่าค่อนข้างมาก ทฤษฎีที่ใช้อธิบายสมบัติของ MgB2 มีรูปแบบเดียวกับทฤษฎี BCS แต่ซับซ้อนกว่า
ในปี 2008 โลกก็ต้องตกตะลึงอีกครั้งหนึ่งเมื่อ Hideo Hosono แห่ง Tokyo Institute of Technology และคณะได้ประกาศข่าวการพบตัวนำยิ่งยวดตัวใหม่ ซึ่งเป็นสารประกอบที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบ (iron-based superconductor) คือ สาร CeOFeAs (cerium oxygen iron arsenide) ที่ถูกโดปด้วย fluorine สารประกอบนี้มีอุณหภูมิวิกฤตสูงที่ 56 เคลวิน (-217 องศาเซลเซียส) ความน่าสนใจของสารกลุ่มนี้ คือ การมีเหล็กเป็นองค์ประกอบ ทั้งๆ ที่เหล็กเป็นธาตุที่ต่อต้านการเกิดสภาพนำยวดยิ่ง
เมื่อต้นปี 2015 ที่ผ่านมานี้ วงการตัวนำยวดยิ่งก็ได้ตื่นเต้นอีกคำรบหนึ่ง เมื่อ A.P. Drozdov และคณะแห่ง Max-Planck Institute for Chemie ที่เมือง Mainz ในเยอรมนีประกาศข่าวการพบตัวนำยวดยิ่งในสาร sulfur hydride หรือ hydrogen sulfide ซึ่งมีอุณหภูมิวิกฤตสูงถึง 203 เคลวิน (-70 องศาเซลเซียส) ภายใต้ความดัน 200 x 109 pascal
Drozdov ได้กล่าวถึงเหตุผลที่คณะวิจัยได้เลือก H2S มาทดลองว่า ได้ทราบจากการคำนวณโดยนักทฤษฎีว่า H2S มีอุณหภูมิวิกฤติ 80 เคลวิน แต่เมื่อทำการทดลองจริงๆ ก็ได้พบว่าสารนี้ได้กลายเป็นโลหะที่ความดัน 90 x109 pascal ครั้นเขาลดอุณหภูมิของสารลงไปอีกก็พบว่า สภาพต้านทานไฟฟ้าของสารได้กลายเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิ 203 เคลวิน การตรวจสอบสมบัติอื่นๆ ของสารนี้ เช่น การศึกษาปรากฏการณ์ Meissner ที่สารขับสนามแม่เหล็กออกจากตัวสาร และปรากฏการณ์ isotope ก็ได้ผลที่แสดงให้เห็นว่า มันเป็นตัวนำยวดยิ่งที่มีพฤติกรรมตามทฤษฎี BCS ของ Bardeen, Cooper และ Schrieffer
Drozdov กับคณะคิดว่า ภายใต้ความดันสูงมากนั้น H2S ได้กลายไปเป็น H3S
ดังนั้น เขาจึงคิดว่าตัวนำยวดยิ่งจริงๆ น่าจะเป็น H3S งานวิจัยนี้จึงได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 3 กันยายน 2015 หน้า 73
Drozdov คิดว่า งานขั้นต่อไปของเขาคือ เขาจะแทนที่อะตอมของซัลเฟอร์ประมาณ 7.5 % ด้วยอะตอมของ phosphorus แล้วเพิ่มความดันให้สูงถึง 2.5 ล้านเท่าของความดันบรรยากาศ เขากับคณะก็อาจจะได้ตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงถึง 280 เคลวิน ซึ่งนับว่าสูงยิ่งกว่าจุดเยือกแข็งของน้ำคือ 273 เคลวิน และนั่นก็หมายความ กลุ่มวิจัยกลุ่มนี้กำลังจะได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2016 ชัวร์ๆ
อ่านเพิ่มเติมจาก BCS: 50 Years โดย Leon Cooper และ Dmitri Feldman จัดพิมพ์โดย World Scientific, Hackensack, NJ. ปี 2011
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
