ทำความเข้าใจเกี่ยวกับความเป็นตัวนำยิ่งยวดและการประยุกต์
ความเป็นตัวนำยิ่งยวดเป็นปรากฏการณ์ที่วัสดุบางชนิดสามารถนำไฟฟ้าได้โดยมีความต้านทานเป็นศูนย์เมื่อถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำมาก ซึ่งหมายความว่าวัสดุสามารถนำกระแสไฟฟ้าได้โดยไม่สูญเสียพลังงาน ซึ่งทำให้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย เช่น การทดลองฟิสิกส์พลังงานสูง การสร้างภาพทางการแพทย์ และการประมวลผลความเร็วสูง แนวคิดเรื่องความเป็นตัวนำยิ่งยวดเป็นอันดับแรก ค้นพบในปี 1911 โดยนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ Heike Kamerlingh Onnes ซึ่งสังเกตเห็นว่าความต้านทานของสารปรอทลดลงอย่างกะทันหันจนเหลือศูนย์เมื่อถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิ 4.2 K (-269°C) ตั้งแต่นั้นมา นักวิจัยได้พบว่าวัสดุอื่นๆ จำนวนมากสามารถแสดงความเป็นตัวนำยิ่งยวดได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการ
กลไกที่แน่นอนเบื้องหลังความเป็นตัวนำยิ่งยวดยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ แต่เชื่อกันว่าเกี่ยวข้องกับการก่อตัวของคู่คูเปอร์ ซึ่งเป็นคู่ของอิเล็กตรอนที่ถูกผูกไว้ด้วยกัน โดยการแลกเปลี่ยนโฟนันส์ (คลื่นเสียงเชิงปริมาณ) เมื่อวัสดุถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติ (Tc) คูเปอร์จะจับคู่คอนเดนเสทเป็นสถานะควอนตัมเดียว ส่งผลให้ความต้านทานไฟฟ้าหายไป ตัวนำยิ่งยวดมีหลายประเภท รวมถึง:
1 ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิต่ำ: เป็นวัสดุที่แสดงความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำกว่าประมาณ 30 K (-243°C) ตัวอย่าง ได้แก่ ไนโอเบียมไนไตรด์ (NbN), ไนโอเบียมดีบุก (Nb3Sn) และอิตเทรียมแบเรียมคอปเปอร์ออกไซด์ (YBCO)
2 ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง: วัสดุเหล่านี้เป็นวัสดุที่แสดงความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 30 เคลวิน ตัวอย่างได้แก่ คัพเรต เช่น อิตเทรียมแบเรียมคอปเปอร์ออกไซด์ (YBCO) และแบเรียมปรอท แคลเซียม คอปเปอร์ ออกไซด์ (HgBa2Ca2Cu3O8+x).
3 ตัวนำยิ่งยวดอินทรีย์: เป็นวัสดุที่มีอะตอมของคาร์บอนและมีคุณสมบัติเป็นตัวนำยิ่งยวด ตัวอย่าง ได้แก่ โพลีพาราเฟนิลีนซัลไฟด์ (PPS) และโพลีฟลูออรีนไวนิลลีน (PFV)
4 เส้นลวดนาโนที่เป็นตัวนำยิ่งยวด: เป็นสายไฟที่บางมากซึ่งมีความเป็นตัวนำยิ่งยวด พวกมันมีการใช้งานที่เป็นไปได้ในการคำนวณควอนตัมและเทคโนโลยีเกิดใหม่อื่นๆ ตัวนำยิ่งยวดมีการใช้งานที่มีศักยภาพมากมาย รวมถึง:
1 การทดลองทางฟิสิกส์พลังงานสูง: แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดใช้ในการบังคับทิศทางและโฟกัสลำแสงอนุภาคในเครื่องเร่งปฏิกิริยา เช่น เครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC)
2 การถ่ายภาพทางการแพทย์: แม่เหล็กยิ่งยวดถูกนำมาใช้ในเครื่อง MRI เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กแรงสูงที่สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ ในเนื้อเยื่อของร่างกายได้3 การประมวลผลความเร็วสูง: วงจรตัวนำยิ่งยวดสามารถใช้เพื่อสร้างคอมพิวเตอร์ที่มีความเร็วเป็นพิเศษซึ่งสามารถทำการคำนวณที่ซับซ้อนที่ความเร็วสูงถึง 100 GHz.
4 การจัดเก็บและการส่งพลังงาน: ตัวนำยิ่งยวดสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างโครงข่ายไฟฟ้าและระบบกักเก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
5 การประมวลผลควอนตัม: คิวบิตตัวนำยิ่งยวด (ควอนตัมบิต) กำลังถูกสำรวจว่าเป็นโซลูชันที่มีศักยภาพสำหรับการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ปรับขนาดได้
ฉันชอบวิดีโอนี้
ฉันไม่ชอบวิดีโอนี้
รายงานข้อผิดพลาดของเนื้อหา
share
