กว่าสิบปีผ่านไปตั้งแต่มีการค้นพบตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ท่ามกลางเสียงเรียกร้องที่ล้นหลามว่าวัสดุเหล่านี้จะปฏิวัติอุตสาหกรรมพลังงาน การขนส่ง และการสื่อสารในทันที การรับรู้ของสาธารณชนอาจเป็นไปได้ว่าหลังจากหลายปีของการวิจัยและการลงทุนทางอุตสาหกรรมที่ไม่เคยมีมาก่อน ดูเหมือนว่าจะไม่มีทฤษฎีของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงและไม่มีการใช้งานจริงเช่นกัน อย่างไรก็ตาม
ความจริงนั้น
อย่างไรก็ตาม ที่สำคัญกว่านั้น การใช้งานทางอุตสาหกรรมหลักๆ ที่หลากหลายนั้นถูกกำหนดให้ปรากฏภายในไม่กี่ปีข้างหน้า การล่อลวงของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงเป็นส่วนหนึ่งทางจิตวิทยา ต่อหน้าต่อตา วัสดุเหล่านี้กลายเป็นตัวนำไฟฟ้าที่สมบูรณ์แบบเมื่อตกลงไปในไนโตรเจนเหลวที่อุณหภูมิ 77 K
และกลายเป็นแม่เหล็กที่ลอยได้ สภาพตัวนำยิ่งยวดเป็นหลักฐานระดับมหภาคของสถานะเชิงกลเชิงควอนตัม และด้วยเหตุนี้ จึงเป็นจุดเริ่มต้นที่จับต้องได้ไปสู่ความลึกลับของโลกควอนตัม อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติทางกายภาพที่โดดเด่นของตัวนำยิ่งยวดที่กระตุ้นความสนใจในเชิงพาณิชย์ของวัสดุเหล่านี้
ตัวนำยิ่งยวดช่วยให้นำไฟฟ้าได้โดยไม่สูญเสียและสามารถพกพาความหนาแน่นกระแสได้มากกว่าสายทองแดงถึง 2,000 เท่า นอกจากนี้ยังใช้ในไมโครเวฟและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ และในเครื่องสแกนทางการแพทย์และธรณีวิทยาเพื่อตรวจจับสนามแม่เหล็กที่มีขนาดน้อยกว่าหนึ่งในพันล้าน
ของขนาดสนามโลก ปัจจัยสำคัญที่จำกัดการใช้อย่างแพร่หลายของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ (LTS) เช่น ไนโอเบียมดีบุกและไนโอเบียมไททาเนียม คือต้นทุนในการทำให้เย็นลงประมาณ 4 K ด้วยเทคโนโลยีฮีเลียมเหลว ในความเป็นจริง ต้นทุนของสาย LTS นั้นค่อนข้างต่ำ
มีราคาถูกกว่าทองแดงประมาณ 16 เท่าสำหรับทุกๆ เมตรที่สามารถจ่ายกระแสไฟได้ 1,000 แอมป์
ด้วยการค้นพบวัสดุต่างๆ เช่น ปรอท แบเรียม แคลเซียม คอปเปอร์ออกไซด์ ซึ่งยังคงเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงถึง 134 K ความคาดหวังของการปฏิวัติเทคโนโลยีทันทีที่ใช้ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง (HTS)
มีความคิด
ริเริ่ม สิ่งนี้ไม่ควรเกิดขึ้น อย่างน้อยก็ไม่ใช่ในระยะสั้น เช่นเดียวกับเทคโนโลยีใหม่ๆ โดยทั่วไปจะใช้เวลา 10-15 ปีในการแก้ปัญหาทางเทคนิคและลดต้นทุน ในกรณีของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง โครงสร้างจุลภาคของวัสดุเหล่านี้เป็นปัญหาที่เรียกร้องโดยเฉพาะอย่างยิ่ง
คุณสมบัติทางกายภาพและความท้าทาย ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงเป็นวัสดุเซรามิกที่เปราะ ซึ่งมีองค์ประกอบต่างๆ เช่น อิตเทรียมและแบเรียม หรือแลนทานัมและสตรอนเทียมประกบอยู่ระหว่างชั้นของอะตอมของทองแดงและออกซิเจน โครงสร้างอะตอมแบบชั้นนี้ทำให้วัสดุมีคุณสมบัติทางกายภาพ
และตัวนำยิ่งยวดแบบแอนไอโซโทรปิกสูง วัสดุเหล่านี้สามารถสร้างผลึกเดี่ยว ฟิล์มบาง หรือโพลีคริสตัลไลน์ได้ แต่ในการใช้งานที่ต้องการความยืดหยุ่น นานๆสายไฟ เราสามารถพิจารณา “สถาปัตยกรรม” ของเส้นลวดได้เพียงสองประเภทเท่านั้น ได้แก่ ฟิล์มอีปิแทกเชียลบางของวัสดุ HTS ที่ปลูกบนวัสดุพิมพ์
ที่มีความยืดหยุ่นยาว หรือเส้นใยโพลีคริสตัลไลน์ของ HTS ที่รองรับในเมทริกซ์ลวดโลหะ ซึ่งมีความสมจริงมากกว่าในการผลิต อย่างไรก็ตาม เมื่อเราใช้เซรามิก HTS แบบเม็ด เราต้องทำให้แน่ใจว่ากระแสน้ำยิ่งยวดจะไหลจากเกรนหนึ่งไปอีกเกรนอย่างเพียงพอ มิฉะนั้น เกรนจะถูกเรียกว่า “การเชื่อมต่อ
แบบอ่อน”มีคุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญสองประการที่เกี่ยวข้องกับตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงแบบเม็ด ประการแรก “ความยาวเชื่อมโยงกัน” ความยาวที่ฟังก์ชันคลื่นตัวนำยิ่งยวดขยายเกินขอบเขตเกรน และประการที่สอง “สนามวิกฤตตอนบน” สนามแม่เหล็กสูงสุดด้านล่างซึ่งวัสดุยังคงเป็นตัวนำยิ่งยวด
คุณสมบัติ
ทั้งสองมีความสัมพันธ์กันแบบผกผัน: ยิ่งความยาวเชื่อมโยงกันนานเท่าใด ช่องวิกฤตบนก็จะยิ่งต่ำลง มีหลายประเด็นเกิดขึ้นจากการตรวจสอบเบื้องต้นโดยใช้เซรามิกส์แบบละเอียด ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงมีสนามวิกฤตตอนบนที่สูงมาก (มากกว่า 180 T) ซึ่งสามารถเปิดการใช้งานที่หลากหลาย
ในสนามแม่เหล็กที่รุนแรง อย่างไรก็ตาม ในทางกลับกัน ฟิลด์วิกฤตสูงแสดงว่าความยาวการเชื่อมโยงกันนั้นสั้นมาก น้อยกว่า 2 นาโนเมตร ซึ่งหมายความว่าเม็ดโพลีคริสตัลไลน์มีแนวโน้มที่จะมีการเชื่อมโยงที่อ่อนแอ เว้นแต่ว่าขอบเขตของเกรนจะเรียบในระดับอะตอมเดี่ยวและปราศจากความผิดปกติ
ในระดับความยาวน้อยกว่า 2 นาโนเมตรอย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงยังเป็นโครงสร้างกึ่งสองมิติที่ประกอบด้วยชั้น ทองแดงออกไซด์ (CuO 2 ) ที่ประกบกันอย่างอ่อน ดังนั้นจึงเป็นแอนไอโซโทรปิกสูง ความยาวการเชื่อมโยงกันในทิศทางที่ตั้งฉากกับเลเยอร์เหล่านี้ ( ทิศทาง c )
นั้นสั้นกว่า คือน้อยกว่า 0.2 นาโนเมตร ซึ่งมีขนาดเล็กมาก น้อยกว่าระยะห่างระหว่างอะตอมบางอะตอม ซึ่งวิธีเดียวที่จะป้องกันไม่ให้เกิดการเชื่อมโยงที่อ่อนแอระหว่างเมล็ดธัญพืชคือการจัดแนวให้แกน c ของพวกมันตั้งฉากกับการไหลของกระแส การเรียงตัวของเกรนเรียกว่า “การเท็กซ์เจอร์”
และอาจทำได้โดยใช้เทคนิคทางโลหะวิทยาทั่วไปปัจจัยทั้งสองนี้ ความยาวเชื่อมโยงกันและแอนไอโซโทรปี หมายความว่าลวด HTS โพลีคริสตัลไลน์ต้องมีความหนาแน่น มีการเรียงตัวของเกรนในระดับสูง และมีขอบเขตของเกรนคุณภาพสูง มิฉะนั้น กระแสวิกฤต กระแสไฟฟ้าสูงสุดที่อยู่ในตัวนำยิ่งยวด
จะลดลงอย่างมากในสนามแม่เหล็กอ่อน แม้ในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก กระแสวิกฤตในตัวนำยิ่งยวดที่ลิงก์อย่างอ่อนอาจได้รับผลกระทบจาก “สนามแม่เหล็ก” ที่เกิดขึ้นเมื่อกระแสผ่านเส้นลวด
แตกต่างออกไปมาก หลายแง่มุมของฟิสิกส์และเคมีของตัวนำยิ่งยวดแบบคัพเรตเป็นที่เข้าใจกันดีอยู่แล้ว ในขณะที่ปัญหาที่เหลือกำลังให้แหล่งที่มาของฟิสิกส์ใหม่อย่างมากมาย
credit : เว็บแท้ / ดัมมี่ออนไลน์
