ค้นพบความเป็นไปได้ใหม่ ในการสร้าง ‘ตัวนำยิ่งยวด’ ในอุณหภูมิห้อง

นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่า การกระตุ้นความเป็นตัวนำยิ่งยวดด้วยแสงนั้น เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์พื้นฐานแบบเดียวกันกับในสภาวะแวดล้อมที่เสถียรกว่า ซึ่งจำเป็นสำหรับอุปกรณ์ในการทดลอง มันเป็นการเปิดเส้นทางใหม่สู่การผลิตตัวนำยิ่งยวดในระดับอุณหภูมิห้อง

นักวิจัยสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับระบบได้โดยการเขย่าตัวนำให้อยู่ในสถานะที่ไม่เสถียรเล็กน้อย นักวิทยาศาสตร์เรียกสิ่งนี้ว่า “ออกจากสมดุล” แล้วดูสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อมันกลับเข้าสู่สภาวะที่เสถียรมากขึ้น

การทดลองกับวัสดุตัวนำด้วย อิตเทรียม แบเรียมคอปเปอร์ออกไซด์หรือ YBCO ได้แสดงให้เห็นว่าภายใต้สภาวะบางอย่าง การออกจากสมดุลด้วยเลเซอร์พัลส์ทำให้ตัวนำยิ่งยวดสามารถนำกระแสไฟฟ้าได้โดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพ ใกล้อุณหภูมิห้องมากกว่าที่นักวิจัยคาดไว้มาก เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ได้ทำงานเกี่ยวกับตัวนำที่อุณหภูมิห้องมานานกว่าสามทศวรรษแล้ว นี่อาจเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญ

แต่การสังเกตสภาพแวดล้อมที่ไม่เสถียรนี้มีความเกี่ยวข้องหรือไม่ว่าตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงอาจทำงานอย่างไรในโลกแห่งความเป็นจริง ที่การใช้งานที่ต้องใช้ความเสถียร เช่น สายไฟ รถไฟพลังแม่เหล็ก เครื่องเร่งอนุภาค และอุปกรณ์ทางการแพทย์

“ผู้คนคิดว่าแม้ว่าการศึกษาประเภทนี้จะมีประโยชน์ แต่ก็ไม่ได้มีแนวโน้มมากสำหรับการใช้งานในอนาคต” Jun-Sik Lee นักวิทยาศาสตร์และเจ้าหน้าที่ของ SLAC National Accelerator Laboratory ผู้เป็นหัวหน้าทีมวิจัยระดับนานาชาติที่ดำเนินการวิจัยในเรื่องตัวนำยิ่งยวด

“แต่ตอนนี้เราได้แสดงให้เห็นแล้วว่าฟิสิกส์พื้นฐานของสภาวะที่ไม่เสถียรเหล่านี้มีความคล้ายคลึงกับสภาวะที่มีความเสถียรมาก นี่จึงเป็นการเปิดโอกาสอันยิ่งใหญ่ รวมถึงความเป็นไปได้ที่วัสดุอื่นๆ อาจถูกผลักเข้าสู่สถานะตัวนำยิ่งยวดชั่วคราวด้วยแสง เป็นสถานะที่น่าสนใจ”

ลักษณะของสารประกอบในตัวนำยิ่งยวด?

YBCO เป็นสารประกอบคอปเปอร์ออกไซด์หรือที่เรียกว่า Cuprate และเป็นสมาชิกของตระกูลวัสดุที่พบในปี 1986 ซึ่งนำไฟฟ้าที่มีความต้านทานเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิสูงกว่าที่นักวิทยาศาสตร์เคยคิดว่าเป็นไปได้มาก

เช่นเดียวกับตัวนำยิ่งยวดทั่วไปซึ่งถูกค้นพบเมื่อ 70 กว่าปีก่อน YBCO เปลี่ยนจากสถานะปกติเป็นสถานะตัวนำยิ่งยวดเมื่อถูกแช่เย็นต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง ณ จุดนั้น อิเล็กตรอนจะจับคู่และสร้างคอนเดนเสท ซึ่งเป็นซุปอิเล็กตรอนชนิดหนึ่ง ซึ่งนำไฟฟ้าได้อย่างง่ายดาย นักวิทยาศาสตร์มีทฤษฎีที่แน่ชัดว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไรในตัวนำยิ่งยวดแบบเก่า แต่ก็ยังไม่มีความเห็นเป็นเอกฉันท์เกี่ยวกับวิธีการทำงานของตัวนำยิ่งยวดเช่น YBCO

วิธีหนึ่งในการโจมตีปัญหาคือศึกษาสถานะปกติของ YBCO ซึ่งค่อนข้างแปลกในตัวของมันเอง สภาวะปกติประกอบด้วยขั้นตอนที่ซับซ้อนของสสาร ซึ่งแต่ละขั้นตอนมีศักยภาพที่จะช่วยหรือขัดขวางการเปลี่ยนผ่านไปสู่ความเป็นตัวนำยิ่งยวด ซึ่งจะทำให้เกิดการครอบงำและบางครั้งก็ทับซ้อนกัน ยิ่งไปกว่านั้น ในบางช่วงอิเล็กตรอนดูเหมือนจะทำหน้าที่ร่วมกัน ราวกับว่าพวกมันลากเข้าหากัน

เป็นเรื่องที่ยุ่งเหยิงจริงๆ และนักวิจัยหวังว่าการทำความเข้าใจให้ดีขึ้นจะทำให้กระจ่างว่าทำไมวัสดุเหล่านี้จึงกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงกว่าขีดจำกัด ทางทฤษฎีที่คาดการณ์ไว้สำหรับตัวนำยิ่งยวดทั่วไป

เป็นการยากที่จะสำรวจสภาวะปกติที่น่าสนใจเหล่านี้ในอุณหภูมิที่อบอุ่นซึ่งเกิดขึ้น ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์มักจะทำให้ตัวอย่าง YBCO เย็นลงจนถึงจุดที่กลายเป็นตัวนำยิ่งยวด จากนั้นจึงปิดตัวนำยิ่งยวดเพื่อคืนสถานะปกติ

โดยทั่วไปการสลับขั้วทำได้โดยให้วัสดุสัมผัสกับสนามแม่เหล็ก นี่เป็นแนวทางที่นิยมเพราะจะปล่อยให้วัสดุอยู่ในรูปแบบที่เสถียร สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้งาน

“การนำไฟฟ้าผ่านตัวนำยิ่งยวดสามารถหยุดได้ด้วยการทำงานของแสง” Lee กล่าวเสริม สิ่งนี้สร้างสภาวะปกติที่ไม่สมดุลเล็กน้อย ซึ่งสิ่งที่น่าสนใจสามารถเกิดขึ้นได้จากมุมมองทางวิทยาศาสตร์ แต่ความจริงที่ว่ามันไม่เสถียรทำให้นักวิทยาศาสตร์ระวังที่จะสมมติว่าทุกอย่างที่พวกเขาเรียนรู้นั้นสามารถนำไปใช้กับวัสดุที่มีความเสถียรเช่นเดียวกับที่จำเป็นสำหรับการใช้งานจริงได้

คลื่นพลังงานที่สงบนิ่ง

ในการศึกษานี้ Lee และผู้ทำงานร่วมกันได้เปรียบเทียบวิธีการเปลี่ยนทั้งสองแบบ ได้แก่ สนามแม่เหล็กและการทำงานของแสง โดยเน้นที่ผลกระทบเฉพาะของสสารที่เรียกว่าคลื่นความหนาแน่นของประจุหรือ CDW ที่ปรากฏในวัสดุตัวนำยิ่งยวด CDW เป็นรูปแบบคล้ายคลื่นที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงและต่ำ แต่ไม่เหมือนกับคลื่นในมหาสมุทร พวกมันจะไม่เคลื่อนที่ไปรอบๆ

CDW แบบสองมิติถูกค้นพบในปี 2012 และในปี 2015 Lee และผู้ร่วมงานของเขาได้ค้นพบ CDW ประเภท 3 มิติใหม่ ทั้งสองประเภทมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง และสามารถทำหน้าที่เป็นเครื่องหมายของจุดเปลี่ยนผ่านที่เปิดหรือปิดการเป็นตัวนำ

เพื่อเปรียบเทียบว่า CDW มีลักษณะอย่างไรใน YBCO เมื่อปิดตัวนำยิ่งยวดด้วยแสงกับสนามแม่เหล็ก ทีมวิจัยได้ทำการทดลองที่แหล่งกำเนิดแสงเอ็กซ์เรย์สามแหล่ง

ขั้นแรก พวกเขาวัดคุณสมบัติของวัสดุที่ไม่ถูกรบกวน ซึ่งรวมถึงคลื่นความหนาแน่นของประจุที่แหล่งกำเนิดแสงรังสีซินโครตรอนสแตนฟอร์ด (SSRL) ของ SLAC

จากนั้น ตัวอย่างของวัสดุถูกสัมผัสกับสนามแม่เหล็กสูงที่โรงงานซิงโครตรอน SACLA ในญี่ปุ่น และสัมผัสกับแสงเลเซอร์ที่เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ X-ray (PAL-XFEL) ของห้องปฏิบัติการ Pohang Accelerator ในเกาหลี ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงใน CDW ซึ่งสามารถวัดได้

“การทดลองเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการนำตัวอย่างไปสัมผัสกับแม่เหล็กหรือแสงทำให้เกิดรูปแบบ 3 มิติที่คล้ายคลึงกันของ CDWs” Sanghoon Song นักวิทยาศาสตร์และผู้ร่วมวิจัยของ SLAC กล่าว แม้ว่าจะยังไม่เป็นที่เข้าใจว่าทำไมและทำไมถึงเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ขึ้น

แต่เขากล่าวว่าผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าสถานะที่เกิดจากวิธีใดวิธีหนึ่งมีฟิสิกส์พื้นฐานเหมือนกัน และพวกเขาแนะนำว่าแสงเลเซอร์อาจเป็นวิธีที่ดีในการสร้างและสำรวจสภาวะชั่วครู่ที่สามารถทำให้เสถียรสำหรับการใช้งานจริง ซึ่งรวมถึงความเป็นตัวนำยิ่งยวดในอุณหภูมิห้องที่อาจเกิดขึ้น

อ่านเรื่องอื่น