ความรู้เพิ่มเติมเรื่องประวัติการค้นพบปรากฏการณ์สภาพนำยิ่งยวด

ศ.ดร. สุทัศน์ ยกส้าน ผู้เขียน
ลวดไฟฟ้าทุกเส้นที่เราใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าทุกชิ้นมีความต้านทานไฟฟ้าดังนั้นเวลามกระแส
ไฟฟ้าไหลผ่านเส้นลวดจะร้อน พลังงาน ความร้อนนี้เกิดจากการที่อิเล็กตรอนมีการชนกันเอง และชน
กับอิออนในเส้นลวดทำให้มันสูญเสียพลังงาน เมื่อประมาณ 90 ปีก่อนนี้ นักฟิสิกส์ได้พบว่าเมื่อ
อุณหภูมิของลวดบางชนิดลดต่ำลง -250 องศาเซลเซียส ลวดเส้นนั้นจะไร้ความต้านทานไฟฟ้าใดๆ นัก
ฟิสิกส์เรียกปรากฏการณ์ที่สสารสูญเสียความต้านทานไฟฟ้าอย่างสิ้นเชิงว่าสภาพนำยิ่งยวด
(superconductivity)
นักฟิสิกส์คนแรกที่ได้พบเห็นปรากฏการณ์สภาพนำยิ่งยวดคือ HK. Onnes เขาเกิดเมื่อปี พ.ศ.
2396 ที่เมือง Groningen ในประเทศ เนเธอร์แลนด์ บิดาของ Onnes เป็นเจ้าของโรงงานทำกระเบื้อง
มุงหลังคา เมื่อมีอายุได้ 17 ปี เขาได้เข้าศึกษาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Groningen แล้วได้ย้ายไปศึกษาต่อที่
มหาวิทยาลัย Heidelberg ในประเทศเยอรมนี จนสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรี จากนั้นก็ ได้ย้าย
กลับมาศึกษาต่อระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัย Groningen อีก จนจบด้วยผลงานวิทยานิพนธ์เรื่องกลศาสตร์ของลูกตุ้มที่ห้อย แขวนด้วยเชือกสั้น
ในช่วงเวลาที่ Onnes ใกล้จะสำเร็จการศึกษานั้น เขาได้รู้จักกับ Van der Waabs นักฟิสิกส์ผู้
ยิ่งใหญ่แห่งมหาวิทยาลัย Amsterdam ซึ่งมีผลทำให้เขาหันสนใจศึกษาธรรมชาติของก๊าซ ข่าว
ความสำเร็จของ L.P. Cailetet และ R.P. Pictet ในการทำ ก๊าซออกซิเจนและก๊าซไนโตรเจนให้เป็น
ของเหลว ได้ชี้นำให้ Onnes สนใจ นำก๊าซฮีเลียมให้เป็นของเหลวบ้าง แต่ความคิดฝันของ Onnes นี้
ได้รับการดูแลจากนักฟิสิกส์ในสมัยนั้น เพราะทุกคนคิดว่าเป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้และแล้วในเวลาเย็น
ของวันที่ 10 กรกฎาคม พ.ศ. 2451 นั่นเอง เมื่อ Onnes ลดอุณหภูมิของก๊าซฮีเลียมจนถึง -269 องศาเซลเซียส เขาก็เป็นมนุษย์คนแรกของโลกที่ได้เห็นฮีเลียมเหลว เขาจึงนำฮีเลียมเหลวที่เขากลั่นได้นี้ไปใช้
หล่อเลี้ยงสารต่างๆ เพื่อทำให้สารมีอุณหภูมิ ต่ำ แล้วทำการศึกษาคุณสมบัติของสารเหล่านั้นที่อุณหภูมิต่ำ
ทันที และเขาก็ได้พบว่าเวลาเขาผ่านกระแสไฟฟ้าไปในปรอทบริสุทธิ􀃍 หากเขาทำให้อุณหภูมิของปรอท
ลดต่ำ ความต้านทานไฟฟ้าของปรอทก็จะลดลงด้วย แต่เมื่ออุณหภูมิลดถึง -269 องศาเซลเซียส ความ
ต้านทานไฟฟ้าของปรอทก็ยังคงเป็นศูนย์อยู่นั่นเอง ซึ่งนั่นก็หมายความว่ากระแสไฟฟ้าไหลไปในปรอท
ได้อย่างไม่มีการสลายตัว หรือทำให้ปรอทร้อนแต่อย่างใด

Onnes ได้ตรวจพบว่า ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าไม่ได้ลดลงเลยแม้แต่น้อย ตลอดเวลา 2 ปี ที่เขา
ปล่อย ให้กระแสไฟฟ้าไหล เขาจึงสรุปว่า เวลาสสารเปลี่ยนสภาพเป็นตัวนำยิ่งยวด กระแสไฟฟ้า
สามารถไหลในสสารนั้นได้นานเป็นหมื่นล้านปี โดยสารนั้นไม่ร้อนเลย
การค้นพบปรากฏการณ์สภาพนำยิ่งยวด ได้ทำให้ Onnes ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์
ประจำปี พ.ศ. 2456การวิจัยเรื่องนี้ในเวลาต่อมาได้ทำให้นักฟิสิกส์พบว่า นอกจากปรอทแล้วโลหะบริสุทธิ์หลายชนิดเช่น ดีบุก ตะกั่ว อะลูมิเนียม ไนโอเบียม ฯลฯ และโลหะผสมหลายชนิดเช่น ทองแดง-แมงกานีส,ไนโอเบียม-เยอเมเนียม ฯลฯ ก็สามารถเป็นตัวนำยิ่งยวดได้เช่นกัน เฉพาะเวลาอุณหภูมิลดต่ำกว่า -250องศาเซลเซียสเท่านั้น
ประเด็นความต่ำของอุณหภูมิเช่นนี้ ได้ทำให้คนทุกคนคิดว่า การที่จะนำยิ่งยวดมาใช้ในชีวิตประจำวันนั้น
เป็นเรื่องเหลวไหลปรากฏการณ์สภาพนำยิ่งยวดเป็นเหตุการณ์ที่อุบัติเฉพาะในหอคอยงาช้างของนัก
ฟิสิกส์เท่านั้นเอง
แต่ในปี พ.ศ. 2529 นั้นเอง K. Miiller และ J. Bednordz แห่งสถาบันวิจัย IBM ที่เมือง Zurich ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ก็ได้ทำให้โลกตกตะลึง เมื่อเขาทั้งสองประกาศว่า สารประกอบของ barium,
lanthanum, copper และ oxygen สามารถกลายสภาพเป็นตัวนำยิ่งยวด ได้ที่อุณหภูมิ -243 องศาเซลเซียส (ซึ่งสูงกว่าสถิติอุณหภูมิ -250 องศาเซลเซียสถึง 7 องศาเซลเซียส)
ชาวโลกได้ตื่นเต้นกับเหตุการณ์ค้นพบนี้ยิ่งขึ้นไปอีก เมื่อได้มีการพบว่าสารประกอบของ barium,
yttrium, copper และ oxygen เป็นตัวนำยิ่งยวดได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้นไปอีกคือ -181 องศาเซลเซียส ซึ่งนับว่าสูงกว่าอุณหภูมิ -196 องศาเซลเซียส ของไนโตรเจนเหลว ข่าวนี้ได้ทำให้วิศวกรไฟฟ้าและนักเทคโนโลยีทั่วโลกฮือฮามาก เพราะทุกคนตระหนักว่า ในอีกไม่นานโลกจะมีเครื่องจักรกลที่สามารถทำงานได้นานนิรันดร์มีรถไฟเหาะ มีอุปกรณ์เรดาร์ที่มีสมรรถภาพสูงในการค้นหาแหล่งน้ำมัน เรือดำน้ำและเครื่องบิน มีอัลตราซูเปอร์ คอมพิวเตอร์ใช้ และมีลวดไฟฟ้ามีสามารถนำกระแสไฟฟ้าจากเชียงใหม่ถึงนราธิวาสได้ โดยกำลังไฟฟ้าไม่ตกแม้แต่วัตต์เดียว
เวลา 15 ปีที่ผ่านไป นักฟิสิกส์ได้พบตัวนำยิ่งยวดชนิดใหม่อีกมากมาย ซึ่งประกอบด้วยธาตุตั้งแต่ 2, 3,4 และ 5 ชนิดผสมกัน ถึงกระนั้น สถิติอุณหภูมิสูงสุดของตัวนำยิ่งยวดประกอบด้วยซึ่งประกอบด้วย
Mercury, thallium, barium, copper และ oxygen ก็ยัง สูงเพียง -113 องศาเซลเซียสเท่านั้นเอง ซึ่งนับว่ายังต่ำเกินที่จะนำมันมาใช้ในบ้านได้ ดังนั้น คุณประโยชน์ของตัวนำยิ่งยวดที่ Miiller และ
Bednordz พบก็ยังไม่อำนวยประโยชน์ให้มนุษยชาติมากตามที่ทุกคนได้วาดฝันไว้เลย
มาบัดนี ้ วงการฟิสิกส์ก็ได้ตื่นเต้นอีกวาระหนึ่ง เมื่อ J.Akimitsu และคณะแห่งมหาวิทยาลัย Aoyama-Gakuin ที่โตเกียว ในประเทศ ญี่ปุ่น ได้รายงานในวารสาร Nature ฉบับที่ 410 ประจำวันที่ 1 มีนาคม พ.ศ. 2544 ได้พบสารประกอบ magnesium diboride (MgB2) เป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิ -234 องศาเซลเซียส ซึ่งนับว่า "สูง" มาก ทั้งๆ ที่ MgB2 เป็นสารประกอบที่มีโครงสร้างง่าย และเป็นสารอนินทรีย์ที่
นักเคมีได้พบ และใช้ในการเตรียมธาตุ boron มาตั้งแต่ปี พ.ศ.2496 โดยไม่ได้ตระหนักแม้แต่นิดเดียวว่า มันเป็นตัวนำยิ่งยวดได้หากเขาทำให้อุณหภูมิมันลดต่ำถึง -234 องศาเซลเซียส
การมีโครงสร้างง่ายทำให้วิศวกรสามารถนำมันไปทำเป็นเส้นลวดได้ง่ายกว่าสารประกอบพวกเซรามิ
กของ Miiller และ Bodnordz ซึ่งเป็นวิศวกรได้คาดคะเนลวดที่ทำด้วย magnesium diboride สามารถนำกระแสไฟฟ้า 1 ล้านแอมแปร์ได้ โดยลวดไม่ร้อนเลย และอุณหภูมิ -234 องศาเซลเซียส ก็เป็นอุณหภูมิที่ระบบทำความเย็นที่วิเศษสามารถทำได้ นั่นหมายความว่า บ้านไฮเทคในอนาคตจะ สามารถ
ใช้ลวดที่ทำจาก MgB2 นำกระแสไฟฟ้าจากโรงงานมาใช้ในบ้านได้
ณ วันนี้ นักฟิสิกส์ทฤษฎีกำลังสนใจว่า อะไรคือสาเหตุที่ทำให้ MgB2 เป็นตัวนำยิ่งยวด และนักฟิสิกส์
ทดลองก็กำลังสนใจหาวิธีที่จะ ทำให้มันเป็นตัวนำยิ่งยวด และนักฟิสิกส์ทดลองก็กำลังสนใจหาวิธีที่จะ
ทำให้มันเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงกว่า -234 องศาเซลเซียส ครับ