ตัวนำยิ่งยวดคืออะไร และเหตุใดจึงสามารถเปลี่ยนแปลงโลกได้?

ตัวนำยิ่งยวดคืออะไร?

ตัวนำยิ่งยวดเป็นวัสดุที่มีความสามารถเฉพาะตัวในการนำกระแสไฟฟ้าโดยไม่มีความต้านทานใดๆ เลย ส่งผลให้สูญเสียพลังงานเป็นศูนย์ คุณสมบัติอันน่าทึ่งนี้ถูกค้นพบครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ Heike Kamerlingh Onnes ในปี 1911

ตรงกันข้ามกับตัวนำ "ปกติ" โดยสิ้นเชิง ตัวนำยิ่งยวดมีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่ากระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านวัสดุตัวนำยิ่งยวดได้อย่างไม่มีกำหนด โดยไม่ต้องใช้แหล่งพลังงานที่ต่อเนื่อง คุณสมบัตินี้คล้ายกับแม่เหล็กไฟฟ้าหรือพฤติกรรมของแม่เหล็กบริสุทธิ์ ซึ่งสามารถดึงดูดธาตุเหล็กได้โดยไม่จำเป็นต้องมีการเหนี่ยวนำไฟฟ้า

วัสดุตัวนำยิ่งยวดสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก:

1. ประเภท I: วัสดุเหล่านี้ไม่อนุญาตให้สนามแม่เหล็กภายนอกทะลุผ่านได้โดยไม่ต้องใช้พลังงานจำนวนมาก พวกมันสามารถเกิดการเปลี่ยนแปลงกะทันหันไปสู่สถานะที่ไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวดได้หากเกินอุณหภูมิวิกฤติ

2. ประเภท II: หรือที่เรียกว่า "ตัวนำยิ่งยวดที่ไม่สมบูรณ์" วัสดุเหล่านี้ยอมให้สนามแม่เหล็กทะลุผ่านช่องที่เรียกว่า "กระแสน้ำวนของ Abrikosov" หรือ "ฟลักซ์ซอน"

คุณลักษณะที่น่าสนใจอย่างหนึ่งของตัวนำยิ่งยวดคือศักยภาพของพวกมันที่จะมีคุณสมบัติเพิ่มเติม เช่น การลอยตัว คุณลักษณะนี้เปิดโอกาสมากมายสำหรับการใช้งานจริงและนวัตกรรมที่เกี่ยวข้องกับวัสดุเหล่านี้

ปัญหาหลักของตัวนำยิ่งยวด

แม้ว่าแนวคิดของตัวนำยิ่งยวดถือเป็นคำมั่นสัญญาที่ยิ่งใหญ่ แต่ก็มีความท้าทายที่สำคัญที่เกี่ยวข้องกับการใช้งานจริง ปัญหาหลักของตัวนำยิ่งยวด ได้แก่ :

อุณหภูมิ: โดยทั่วไปตัวนำยิ่งยวดต้องการอุณหภูมิที่ต่ำมาก ตั้งแต่ประมาณ -100 ºC ถึงศูนย์สัมบูรณ์ (0 ºK / −273.15 °C / −459.67 °F) เพื่อแสดงคุณสมบัติตัวนำยิ่งยวด ข้อจำกัดนี้ทำให้ไม่สามารถใช้งานได้ในชีวิตประจำวันหลายอย่าง เนื่องจากการรักษาอุณหภูมิที่ต่ำเช่นนี้อาจต้องใช้พลังงานมากและมีราคาแพง

วัดความแรงบีบคั้น: ตัวนำยิ่งยวดบางตัวที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าจำเป็นต้องใช้แรงกดดันที่สูงมากเพื่อให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ นี่อาจเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการใช้งานจริง เนื่องจากการสร้างและรักษาแรงกดดันดังกล่าวอาจเป็นเรื่องท้าทายทางเทคนิคและมีค่าใช้จ่ายสูง ในบางกรณี จำเป็นต้องมีแรงกดดันประมาณ 100,000 บรรยากาศภาคพื้นดิน

ค่าใช้จ่าย: การพัฒนา การผลิต และการใช้ตัวนำยิ่งยวดอย่างมีประสิทธิภาพเป็นกระบวนการที่ช้าและมีราคาแพง วัสดุและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการวิจัยและการประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวดอาจมีค่าใช้จ่ายสูง ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการนำไปใช้อย่างแพร่หลาย

ไม่ต้องสงสัยเลยว่าความท้าทายสำคัญที่สุดที่ต้องจัดการคือข้อกำหนดด้านอุณหภูมิและความดัน การพัฒนาตัวนำยิ่งยวดที่สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิที่สามารถเข้าถึงได้มากขึ้นและภายใต้สภาวะบรรยากาศมาตรฐานจะช่วยลดต้นทุนได้อย่างมากและเปิดการใช้งานที่มีศักยภาพมากมายในอุตสาหกรรมและสภาพแวดล้อมต่างๆ การเอาชนะอุปสรรคเหล่านี้ถือเป็นสิ่งสำคัญในการปลดล็อกศักยภาพของตัวนำยิ่งยวดในการใช้งานจริงและในชีวิตประจำวัน

LK-99 เป็นตัวนำยิ่งยวดขั้นสูงสุดหรือไม่?

ความท้าทายหลักที่ตัวนำยิ่งยวดเผชิญอยู่นั้นอยู่ที่ข้อกำหนดด้านอุณหภูมิและแรงดันในการทำงาน หลังจากผ่านอุปสรรคเหล่านี้ การมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาวิธีการผลิตจำนวนมากและการลดต้นทุนการผลิต

เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมนักวิจัยชาวเกาหลีใต้ได้เปิดเผยตัวเลือกที่มีศักยภาพซึ่งรู้จักกันในชื่อตัวนำยิ่งยวด LK-99 วัสดุนี้เป็นส่วนประกอบของแร่ลานาร์ไคต์และคอปเปอร์ฟอสไฟด์

สิ่งที่ทำให้ LK-99 แตกต่างคือคุณสมบัติตัวนำยิ่งยวดที่โดดเด่น ซึ่งยังคงสภาพเดิมที่อุณหภูมิสูงถึง 127°C และภายใต้ความดันบรรยากาศมาตรฐาน ภายใต้สภาวะปกติเหล่านี้ วัสดุจะมีความต้านทานเป็นศูนย์และยังแสดงการลอยด้วยแม่เหล็กอีกด้วย น่าประหลาดใจที่การบรรลุคุณสมบัติเหล่านี้เกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิตที่ค่อนข้างตรงไปตรงมา

อย่างไรก็ตาม ข้อเสียเปรียบที่สำคัญคือที่อุณหภูมิสูง LK-99 อาจประสบปัญหาในการส่งกระแสไฟฟ้าจำนวนมาก ข้อจำกัดนี้อาจก่อให้เกิดความท้าทายในการใช้งานจริงต่างๆ

ขณะนี้ทีมวิทยาศาสตร์จำนวนมากทั่วโลกกำลังทำงานอย่างขยันขันแข็งเพื่อตรวจสอบการค้นพบที่ก้าวล้ำนี้ สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าการค้นพบที่สำคัญใดๆ จะต้องได้รับการตรวจสอบจากนักวิทยาศาสตร์กลุ่มอื่นๆ ภายใต้เงื่อนไขที่คล้ายคลึงกัน

ในปัจจุบัน ข้อมูลที่มีอยู่ดูเหมือนจะสอดคล้องกัน และการจำลองเบื้องต้นชี้ให้เห็นถึงความถูกต้องของการค้นพบ อย่างไรก็ตาม กลุ่มวิจัยต่างๆ จะต้องสังเคราะห์และทดสอบวัสดุอย่างจริงจัง หากคุณสมบัติของมันได้รับการยืนยัน สิ่งนี้อาจนำไปสู่การได้รับรางวัลโนเบลทันที ดังที่แพทย์ผู้เชี่ยวชาญด้านเคมีอินทรีย์จากมหาวิทยาลัย Duke ในนอร์ธแคโรไลนา ประเทศสหรัฐอเมริกา ระบุไว้ในวารสาร Science

สรุป

ตัวนำยิ่งยวด LK-99 มีศักยภาพในการปฏิวัติโลกของเรา มันสามารถทำให้เกิดแบตเตอรี่ถาวร รถไฟความเร็วสูงที่ลอยอยู่บนรางได้อย่างง่ายดาย และโครงข่ายไฟฟ้าที่มีการสูญเสียน้อยที่สุด นอกจากนี้ ยังอาจนำมาซึ่งความก้าวหน้าที่สำคัญในสาขาต่างๆ เช่น การแพทย์ พลังงานนิวเคลียร์ และคอมพิวเตอร์ควอนตัม และอื่นๆ อีกมากมาย