การเดินทางของการสร้างตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิห้อง ตอนที่ 2
12-03-2021 อ่าน 1,930
จากในการเดินทางของการสร้างตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิห้อง ตอนที่ 1 เริ่มต้นจากการค้นพบสภาพนำยวดยิ่งของปรอทที่อุณหภูมิวิกฤตประมาณ 4.2 K ใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ โดยออนเนสในปี 1911 จนถึงตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงของ พอล ชู โดยเป็นตัวนำยวดยิ่งสารประกอบ Y-Ba-Cu-O ที่มีอุณหภูมิวิกฤตประมาณ 92 K ทั้งหมดนี้เกิดจากาการลดอุณหภูมิเพื่อให้แสดงสภาพนำยวดยิ่งในตอนที่แล้ว นอกจากนี้ยังมีอีกหนึ่งวิธีการ คือ การเพิ่มความดันเพื่อช่วยให้ตัวนำยวดยิ่งมีอุณหภูมิวิกฤตเพิ่มขึ้นซึ่งเป็นอีกหนึ่งแนวทางสำคัญของการเดินทางของการสร้างตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิห้อง
รูปที่ 1 อุปกรณ์ที่ใส่สภาพนำยวดยิ่งสารประกอบคาร์บอนเนตซัลเฟอร์ไฮไดรด์ภายในความดันสูงโดยทั่งเพชร Credit picture: J. Adam Fenster / University of Rochester
เริ่มต้นในปี 1935 จากการศึกษาความเป็นไปได้ของการเปลี่ยนสถานะของไฮโดรเจนไปเป็นโลหะโดย ยูจีน วิกเนอร์ (Eugene Winger) และ ฮิลลารด์ ฮันติงตัน (Hillard Huntington) ได้ตีความผ่านทฤษฏีทางฟิสิกส์พบว่ามีการเปลี่ยนสถานะภายใต้ความดันมากกว่า 25 GPa หรือ 25×109 Pa ในช่วงเวลานั้นยังไม่มีเทคนิคในการทดลองที่จะเพิ่มความดันให้กับระบบได้สูงถึงระดับจิกะพาสศัล (GigaPa) จากนั้นในปี 1968 นีล แอซครอฟต์ (Neil Ashcroft) จากการพัฒนาทฤษฎี BCS ได้พบว่า การเปลี่ยนสถานะโลหะจากไฮโดรเจนยังมีสมบัติเป็นตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจากงานวิจัยนี้เป็นผลทำให้ภายหลังมีการค้นพบ hydrogen-rich solid ในหลายกลุ่มสารประกอบที่สามารถแสดงสมบัติสภาพนำยวดยิ่งได้ ในปี 2014 ในวารสาร Scientific Report เรื่อง Pressure-induced metallization of dense (H2 S)2 H2 with high-Tc superconductivity ได้ใช้การคำนวณ ab initio Density Functional Theory (DFT) พบว่าโครงสร้างสารประกอบ(H2 S)2 H2 ภายใต้ความดัน 111 GPa เปลี่ยนสถานะเป็นโลหะ (metallization) และพบสภาพนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิวิกฤตอยู่ในช่วง 191 ถึง 204 K ที่ความดัน 200 GPa
รูปที่ 2 (A) ไฮโดรเจนภายใต้ความดัน 205 GPa (B) ไฮโดรเจนภายใต้ความดัน 415 GPa (C) ไฮโดรเจนภายใต้ความ ดัน 495 GPa Credit Picture : Dias, R. P. & Silvera, I. F. Observation of the Wigner–Huntington transition to metallic hydrogen. Science 355, 715–718 (2017).
ในปี 2011 จากการคาดการณ์โดยการคำนวณเชิงตัวเลขของแม็คมาฮอน (Mcmahon) และ ซีเปอร์เลย์ (Ceperley) พบว่า โลหะไฮโดรเจนสามารถแสดงสภาพนำยวดยิ่งเมื่ออยู่ภายใต้ความดัน 500 GPa ถึง 3.5 TPa โดยมีอุณหภูมิวิกฤต 356 K ที่ความดันใกล้ 500 GPa ทำให้มีนักวิทยาศาสตร์หลายๆ คนพยายามทำการทดลองว่าเป็นไปตามการคาดการณ์หรือไม่ จนกระทั่งในปี 2017 ในวารสาร Science เรื่อง Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen โดย รังกา ดีแอซ (Ranga Dias) และไอแซค ซิลวีร่า (Isaac Sivera) สามารถทำให้เกิดโลหะไฮโดรเจน (metallic hydrogen) ได้ จากการใช้ทั่งเพชร (diamond anvil) ซึ่งกดไฮโดรเจนที่อยู่ระหว่างปลายเพชรทั้ง 2 ก้อนบีบให้เกิดความดันและใช้แสง LED (light emitting diode) ส่องเพื่อตรวจสอบสถานะที่เปลี่ยนไปของไฮโดรเจน จากการทดลองเมื่อความดันอยู่ที่ 205 GPa ไฮโดรเจนมีลักษณะโปร่งแสง (transparent H2) ซึ่งแสง LED สามารถส่องผ่านได้ ดังรูปที่ 2 (A) จากนั้นเมื่อเพิ่มความดันไปถึง 415 GPa ไฮโดรเจนมีลักษณะทึบแสง (opaque H2) ซึ่งแสง LED ไม่สามารถส่องผ่านได้ทำให้เป็นสีดำ ดังรูปที่ 2 (B) และเมื่อเพิ่มความดันถึง 495 GPa ไฮโดรเจนได้เปลี่ยนเป็นสถานะโลหะไฮโดรเจนแสดงลักษณะอย่างหนึ่งของโลหะ คือ มีความแวววาวซึ่งสะท้อนแสงและไม่โปร่งแสง ดังรูปที่ 2 (C) สิ่งที่น่าเสียดายที่สุดในการทดลองนี้ คือ ไม่สามารถวัดสมบัติอื่นๆ ของโลหะไฮโดรเจนนี้ได้ เนื่องจากเมื่อเอาโลหะไฮโดรเจนออกจากทั่งเพชรทำให้ความดันลดลงทำให้เป็นไฮโดรเจนธรรมดา แต่ก็เพียงพอทำให้เกิดประโยชน์ต่อการเตรียมการทดลองความดันสูงๆและอาจเป็นส่วนสำคัญในการสร้างตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิห้อง
นอกจากนี้ยังมีการคำนวณและทำนายจากทฤษฏีต่างๆเพื่อหาสารประกอบที่คาดว่าจะได้ตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิวิกฤตมีค่าสูงๆ โดยมีการค้นพบจากการคำนวณที่สำคัญ ในปี 2015 พบสภาพนำยวดยิ่งใน H3S มีอุณหภูมิวิกฤตประมาณ 203 K ภายใต้ความดันประมาณ 90 GPa โดยมีอันตรกิริยาของอิเล็กตรอนโฟนอนตามทฤษฏี BCS เป็นกลไกสำคัญของการเกิดสภาพนำยวดยิ่ง นอกจากนี้ยังการคำนวณได้ทำนายว่า สภาพนำยวดยิ่งในสารประกอบYH6 จะมีอุณหภูมิวิกฤตประมาณ 251 K ภายใต้ความดันประมาณ 120 GPa ในปี 2019 จากการคำนวณ Density Functional Theory (DFT) มีการค้นพบสภาพนำยวดยิ่งใน LaH10 มีอุณหภูมิวิกฤตประมาณ 250 K ภายใต้ความดันประมาณ 170 GPa โดยมีอันตรกิริยาของอิเล็กตรอนโฟนอนสอดคล้องกับปรากฏการณ์ไอโซโทปตามทฤษฏี BCS ในปีเดียวกันนี้ได้มีการค้นพบสภาพนำยวดยิ่งใน (LaH10 Lanthanum super hydride) จากการทดลองภายในความดันสูงโดยทั่งเพชร มีอุณหภูมิวิกฤตประมาณ 250 K (23℃) ภายใต้ความดันประมาณ 190 GPa ซึ่งในครั้งนี้ได้มีเครื่องมือวัดทางไฟฟ้า 4 ด้าน (four-probe electrical transport measurements) ที่สารประกอบภายใต้ความดันสูงสามารถวัดค่าต่างๆ ได้อย่างชัดเจน
ในปี 2020 วารสาร Nature เรื่อง Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride ค้นพบสภาพนำยวดยิ่งของสารประกอบคาร์บอนเนตซัลเฟอร์ไฮไดรด์ มีอุณหภูมิวิกฤต 287±1.2 K หรือประมาณ 15℃ ภายใต้ความดันประมาณ 267 GPa ที่ใช้ทั่งเพชรประกบสารประกอบนี้ ดังรูปที่ 1 ซึ่งเป็นสารประกอบแรกที่สามารถแสดงสภาพนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิวิกฤตได้มากกว่าจุดเยือกแข็งของน้ำหรือ 0℃ จากการงานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่ายังเหลือแค่ 10℃ เท่านั้นเองจึงมีความใกล้เคียงกับอุณหภูมิห้องที่ 25℃ การปรับเปลี่ยนสารประกอบของตัวนำยวดยิ่งและเทคโนโลยีในอนาคตอาจจะช่วยให้การแสดงสภาพนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิห้องและใช้ความดันที่น้อยลง โดยเทคโนโลยีชั้นนำที่มีส่วนสำคัญเป็นตัวนำยวดยิ่ง ได้แก่ ควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่ใช้ตัวนำยวดยิ่งเป็นตัวประมวลผล (programmable superconducting processor) ของกูเกิล (Google) ในปี 2019 ที่ต้องลดอุณหภูมิวงจรตัวนำยวดยิ่งถึง 0.02 K เพื่อให้ตัวนำยวดยิ่งแสดงสมบัติคล้ายคิวบิต (qubit) ได้ ทำให้เกิด quantum supremacy ที่คำนวณได้มากกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันได้หลายล้านเท่า หรือ ตัวนำยวดยิ่งในเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (Large Hadron Collider) ที่ประกอบด้วยตัวนำยวดยิ่งประมาณ 10,000 ตัว โดยต้องลดอุณหภูมิถึง 1.9 K ในการใช้งานจากสองตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่า การดึงศักยภาพของตัวนำยวดยิ่งต้องลดอุณหภูมิจนเกือบถึงศูนย์องศาสัมบูรณ์ทำให้มีต้นทุนสูงเป็นอย่างมากในการทดลองแต่ละครั้ง เนื่องด้วยการค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิห้องจะมีส่วนช่วยที่สำคัญในการลดต้นทุนในการทดลองแต่ละครั้งและอาจลดขนาดของอุปกรณ์ได้ด้วย เป้าหมายการเดินทางเหมือนกับใกล้ถึงเส้นชัยของการค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิห้องซึ่งเป็นหลักสำคัญของฟิสิกส์ แต่ในเส้นทางการหาทฤษฏีทางฟิสิกส์มาอธิบายปราการณ์ของตัวนำยวดยิ่งด้วยความดันยังไม่มีความคลอบคลุมในทุกสารประกอบและอธิบายได้เพียงสมบัติบาง
ประการที่เกิดขึ้นโดยต้องพึ่งพาการคำนวณเชิงตัวเลข (ใช้คอมพิวเตอร์ช่วยคำนวณ) เปรียบเสมือนเดินทางในสายหมอกที่ยังไม่เห็นเส้นทางที่แน่ชัดเหมือนกับหลายปัญหาทางวิทยาศาสตร์ที่ผ่านในแต่ละยุค แต่แล้วในท้ายที่สุดเหล่านักฟิสิกส์ในแต่ยุคก็สามารถหาคำตอบและคำอธิบายที่อยู่เบื้องหลังสายหมอกของปัญหาให้แก่มวลมนุษยชาติได้เสมอมา เราก็คงหวังว่าในอนาคตอันใกล้เหล่านักฟิสิกส์ก็สามารถหาคำอธิบายตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิห้องได้ซึ่งจะนับเป็นการสิ้นสุดการเดินทางนี้อย่างสมบูรณ์
นอกจากนี้ยังมีการคำนวณและทำนายจากทฤษฏีต่างๆเพื่อหาสารประกอบที่คาดว่าจะได้ตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิวิกฤตมีค่าสูงๆ โดยมีการค้นพบจากการคำนวณที่สำคัญ ในปี 2015 พบสภาพนำยวดยิ่งใน H3S มีอุณหภูมิวิกฤตประมาณ 203 K ภายใต้ความดันประมาณ 90 GPa โดยมีอันตรกิริยาของอิเล็กตรอนโฟนอนตามทฤษฏี BCS เป็นกลไกสำคัญของการเกิดสภาพนำยวดยิ่ง นอกจากนี้ยังการคำนวณได้ทำนายว่า สภาพนำยวดยิ่งในสารประกอบYH6 จะมีอุณหภูมิวิกฤตประมาณ 251 K ภายใต้ความดันประมาณ 120 GPa ในปี 2019 จากการคำนวณ Density Functional Theory (DFT) มีการค้นพบสภาพนำยวดยิ่งใน LaH10 มีอุณหภูมิวิกฤตประมาณ 250 K ภายใต้ความดันประมาณ 170 GPa โดยมีอันตรกิริยาของอิเล็กตรอนโฟนอนสอดคล้องกับปรากฏการณ์ไอโซโทปตามทฤษฏี BCS ในปีเดียวกันนี้ได้มีการค้นพบสภาพนำยวดยิ่งใน (LaH10 Lanthanum super hydride) จากการทดลองภายในความดันสูงโดยทั่งเพชร มีอุณหภูมิวิกฤตประมาณ 250 K (23℃) ภายใต้ความดันประมาณ 190 GPa ซึ่งในครั้งนี้ได้มีเครื่องมือวัดทางไฟฟ้า 4 ด้าน (four-probe electrical transport measurements) ที่สารประกอบภายใต้ความดันสูงสามารถวัดค่าต่างๆ ได้อย่างชัดเจน
ในปี 2020 วารสาร Nature เรื่อง Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride ค้นพบสภาพนำยวดยิ่งของสารประกอบคาร์บอนเนตซัลเฟอร์ไฮไดรด์ มีอุณหภูมิวิกฤต 287±1.2 K หรือประมาณ 15℃ ภายใต้ความดันประมาณ 267 GPa ที่ใช้ทั่งเพชรประกบสารประกอบนี้ ดังรูปที่ 1 ซึ่งเป็นสารประกอบแรกที่สามารถแสดงสภาพนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิวิกฤตได้มากกว่าจุดเยือกแข็งของน้ำหรือ 0℃ จากการงานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่ายังเหลือแค่ 10℃ เท่านั้นเองจึงมีความใกล้เคียงกับอุณหภูมิห้องที่ 25℃ การปรับเปลี่ยนสารประกอบของตัวนำยวดยิ่งและเทคโนโลยีในอนาคตอาจจะช่วยให้การแสดงสภาพนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิห้องและใช้ความดันที่น้อยลง โดยเทคโนโลยีชั้นนำที่มีส่วนสำคัญเป็นตัวนำยวดยิ่ง ได้แก่ ควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่ใช้ตัวนำยวดยิ่งเป็นตัวประมวลผล (programmable superconducting processor) ของกูเกิล (Google) ในปี 2019 ที่ต้องลดอุณหภูมิวงจรตัวนำยวดยิ่งถึง 0.02 K เพื่อให้ตัวนำยวดยิ่งแสดงสมบัติคล้ายคิวบิต (qubit) ได้ ทำให้เกิด quantum supremacy ที่คำนวณได้มากกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันได้หลายล้านเท่า หรือ ตัวนำยวดยิ่งในเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (Large Hadron Collider) ที่ประกอบด้วยตัวนำยวดยิ่งประมาณ 10,000 ตัว โดยต้องลดอุณหภูมิถึง 1.9 K ในการใช้งานจากสองตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่า การดึงศักยภาพของตัวนำยวดยิ่งต้องลดอุณหภูมิจนเกือบถึงศูนย์องศาสัมบูรณ์ทำให้มีต้นทุนสูงเป็นอย่างมากในการทดลองแต่ละครั้ง เนื่องด้วยการค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิห้องจะมีส่วนช่วยที่สำคัญในการลดต้นทุนในการทดลองแต่ละครั้งและอาจลดขนาดของอุปกรณ์ได้ด้วย เป้าหมายการเดินทางเหมือนกับใกล้ถึงเส้นชัยของการค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิห้องซึ่งเป็นหลักสำคัญของฟิสิกส์ แต่ในเส้นทางการหาทฤษฏีทางฟิสิกส์มาอธิบายปราการณ์ของตัวนำยวดยิ่งด้วยความดันยังไม่มีความคลอบคลุมในทุกสารประกอบและอธิบายได้เพียงสมบัติบาง
ประการที่เกิดขึ้นโดยต้องพึ่งพาการคำนวณเชิงตัวเลข (ใช้คอมพิวเตอร์ช่วยคำนวณ) เปรียบเสมือนเดินทางในสายหมอกที่ยังไม่เห็นเส้นทางที่แน่ชัดเหมือนกับหลายปัญหาทางวิทยาศาสตร์ที่ผ่านในแต่ละยุค แต่แล้วในท้ายที่สุดเหล่านักฟิสิกส์ในแต่ยุคก็สามารถหาคำตอบและคำอธิบายที่อยู่เบื้องหลังสายหมอกของปัญหาให้แก่มวลมนุษยชาติได้เสมอมา เราก็คงหวังว่าในอนาคตอันใกล้เหล่านักฟิสิกส์ก็สามารถหาคำอธิบายตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิห้องได้ซึ่งจะนับเป็นการสิ้นสุดการเดินทางนี้อย่างสมบูรณ์
บทความโดย
ดร. ธีระวัฒน์ ชัชวาลธีรัตต์
ผู้ช่วยงานวิจัย ภาคฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ
รศ. ดร. พงษ์แก้ว อุดมสมุทรหิรัญ
อาจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ
ดร. ธีระวัฒน์ ชัชวาลธีรัตต์
ผู้ช่วยงานวิจัย ภาคฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ
รศ. ดร. พงษ์แก้ว อุดมสมุทรหิรัญ
อาจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ
อ้างอิง
- [1] หนังสือ ตัวนำยวดยิ่งพื้นฐาน, รองศาสตราจารย์ ดร.พงษ์แก้ว อุดมสมุทรหิรัญ จัดพิมพ์โดยสำนักพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย พิมพ์ครั้งที่ 1 พ.ศ. 2559 ISBN 9789740335221
- [2] https://phys.org/news/2020-10-room-temperature-superconducting-material.html
- [3] Duan, D. et al. Pressure-induced metallization of dense (H2S)2H2 with high-Tc superconductivity. Sci. Rep. 4, 6968 (2014).
- [4] Dias, R. P. & Silvera, I. F. Observation of the Wigner–Huntington transition to metallic hydrogen. Science 355, 715–718 (2017).
- [5] Drozdov, A. P., Eremets, M. I., Troyan, I. A., Ksenofontov, V. & Shylin, S. I. Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system. Nature 525, 73–76 (2015).
- [6] Somayazulu, M. et al. Evidence for superconductivity above 260 K in lanthanum superhydride at megabar pressures. Phys. Rev. Lett. 122, 027001 (2019).
- [7] Drozdov, A. P. et al. Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures. Nature 569, 528–531 (2019).
- [8] Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R. et al. Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature 586, 373–377 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2801-z
- [7] Arute, F., Arya, K., Babbush, R. et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature 574, 505–510 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5
- [8] “Large Hadron Collider” https://en.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider
บทความฟิสิกส์ล่าสุด
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 2
29-02-2024
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 1
09-02-2024
