นักวิจัย突破ขีดจำกัดความเร็วของซุปเปอร์คอนดักเตอร์ สำรวจปรากฏการณ์การแยกคู่ของ Cooper

ทีมวิจัยจากสถาบันวิจัยโครงสร้างและพลศาสตร์ของวัสดุแห่งแม็กซ์ แพลงค์ ประเทศเยอรมนี สถาบันไมโครซิสเต็มส์และเทคโนโลยีสารสนเทศแห่งเซี่ยงไฮ้ ประเทศจีน สถาบันเทคโนโลยีแห่งสหพันธ์ซูริค ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ และมหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด ประเทศอังกฤษ ได้ทำการ突破 "ขีดจำกัดความเร็ว" ของซุปเปอร์คอนดักเตอร์ และประสบความสำเร็จในการสำรวจปรากฏการณ์การแยกคู่ของอิเล็กตรอน (หรือที่เรียกว่า Cooper pair) ปรากฏการณ์ซุปเปอร์คอนดักเตอร์คือวัสดุที่สามารถนำไฟฟ้าได้โดยไม่มีความต้านทานและสร้างสนามแม่เหล็กเมื่ออยู่ต่ำกว่าความร้อนที่กำหนด คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์เหล่านี้ทำให้เทคโนโลยีในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น เครื่องชนอนุภาคและการถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (MRI) เป็นไปได้ ซึ่งในอดีตเมื่อหนึ่งศตวรรษที่แล้วดูเหมือนจะเป็นเรื่องของนิยายวิทยาศาสตร์

แม้ว่าเราจะประสบความสำเร็จในการสร้างสถานะซุปเปอร์คอนดักเตอร์ในวัสดุหลายชนิด แต่เหล่านักวิทยาศาสตร์ก็ทราบดีถึงความเปราะบางของระบบเหล่านี้ การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิหรือการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสามารถทำให้วัสดุสูญเสียสถานะซุปเปอร์คอนดักเตอร์ได้

ความท้าทายของปรากฏการณ์การแยกซุปเปอร์คอนดักเตอร์

ปรากฏการณ์การแยกซุปเปอร์คอนดักเตอร์ แม้ว่าสนามแม่เหล็กและกระแสไฟฟ้าสามารถวัดได้ แต่ยังมีขีดจำกัดอีกประการที่ยากต่อการวัด เนื่องจากอาจเกิดการรบกวนภายในระยะเวลาเพียงหนึ่งในพันล้านวินาที นั่นคือขีดจำกัดการแยกคู่ ในขีดจำกัดนี้ คู่ของอิเล็กตรอน (หรือ Cooper pair) จะถูกฉีกขาด ส่งผลให้สูญเสียคุณสมบัติซุปเปอร์คอนดักเตอร์ทันที เนื่องจากการรบกวนที่เกิดจากการข้ามขีดจำกัดการแยกคู่มีความเร็วสูงมาก นักวิทยาศาสตร์จึงจำเป็นต้องทำการตรวจสอบอย่างรวดเร็วเพื่อค้นหาว่าได้ข้ามขีดจำกัดนี้ไปแล้วหรือไม่ ทีมวิจัยได้ค้นพบวิธีใหม่ที่คล้ายกับการ突破ขีดจำกัดความเร็วเมื่อข้ามขีดจำกัดนี้ ซุปเปอร์คอนดักเตอร์ประเภทที่สองถูกใช้อย่างกว้างขวางในหลายแอปพลิเคชัน และถือเป็นการประนีประนอมทางฟิสิกส์

แตกต่างจากซุปเปอร์คอนดักเตอร์ประเภทแรกที่มีขีดจำกัดแม่เหล็กที่เปราะบาง ซุปเปอร์คอนดักเตอร์ประเภทที่สองมีขีดจำกัดที่สูงกว่า เนื่องจากมีสนามแม่เหล็กภายใน (หรือที่เรียกว่า quantum vortex) ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าสามารถไหลได้แม้ในสภาวะสุดขีดและยังคงคุณสมบัติซุปเปอร์คอนดักเตอร์

พฤติกรรมซุปเปอร์คอนดักเตอร์ของวัสดุที่แตกต่างกัน

กระแสไฟฟ้าที่แรงสามารถฉีกขาด quantum vortex เหล่านี้และสร้างความต้านทานในวัสดุ ทำให้สูญเสียคุณสมบัติซุปเปอร์คอนดักเตอร์ ดังนั้น ทีมวิจัยจึงตัดสินใจใช้ข้อมูลเหล่านี้เพื่อทำความเข้าใจขีดจำกัดการแยกคู่ให้ดียิ่งขึ้น โดยการ突破ขีดจำกัดความเร็ว ทีมได้ใช้วัสดุซุปเปอร์คอนดักเตอร์สองชนิด ได้แก่ ไนไตรด์แทนเนียม (NbN) และวัสดุในกลุ่มออกไซด์ทองแดงแบเรียม (YBCO) ซึ่งทั้งสองแสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติซุปเปอร์คอนดักเตอร์ที่อุณหภูมิสูง NbN มีความสมมาตรของช่องว่างแบบ s-wave ในขณะที่ YBCO มีความสมมาตรของช่องว่างแบบ d-wave ซึ่งกำหนดความยากง่ายในการฉีกขาดคุณสมบัติซุปเปอร์คอนดักเตอร์

เพื่อที่จะเกินกระบวนการควอนตัมที่เกิดขึ้นในระยะเวลาเพียงหนึ่งในพันล้านวินาที ทีมได้สร้างวงจรไฟฟ้าแสงที่มีความเร็วสูงกว่าการเคลื่อนที่ของ quantum vortex หลายสิบกิโลเมตรต่อวินาที นักวิจัยพบว่า NbN รักษาคุณสมบัติซุปเปอร์คอนดักเตอร์ไว้ก่อนที่จะมีการใช้กระแสไฟฟ้าที่ถึงค่าจำกัด จากนั้นจึงสูญเสียคุณสมบัติซุปเปอร์คอนดักเตอร์อย่างกะทันหัน ในขณะที่วัสดุ YBCO สูญเสียคุณสมบัติซุปเปอร์คอนดักเตอร์อย่างค่อยเป็นค่อยไป ทีมได้อธิบายความแตกต่างนี้ว่าเกิดจากความสมมาตรของช่องว่างพลังงานของวัสดุทั้งสอง ซึ่ง NbN มีช่องว่างพลังงานที่เหมือนกันในทุกทิศทาง ในขณะที่วัสดุ YBCO มีช่องว่างพลังงานที่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญ จึงไม่สามารถดับได้ในครั้งเดียว

ความแตกต่างในพฤติกรรมของวัสดุทั้งสองทำให้นักวิจัยมีความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับคุณสมบัติซุปเปอร์คอนดักเตอร์ ซึ่งสุดท้ายสามารถสรุปได้ว่าเกี่ยวข้องกับคู่ของ Cooper และความเสถียรของมัน การเกินขีดจำกัดความเร็วของวัสดุซุปเปอร์คอนดักเตอร์ทำให้นักวิจัยสามารถศึกษาและเข้าใจคุณสมบัติเหล่านี้ในรูปแบบใหม่ในอนาคต ผลการวิจัยได้ถูกเผยแพร่ในวารสาร Nature Physics

ทิศทางใหม่ในการศึกษาซุปเปอร์คอนดักเตอร์

การ突破ของทีมวิจัยในด้านซุปเปอร์คอนดักเตอร์ไม่เพียงแต่เปิดเผยถึงความเปราะบางของคู่ของอิเล็กตรอน แต่ยังมอบมุมมองใหม่ในการศึกษาวัสดุซุปเปอร์คอนดักเตอร์ในอนาคต ปรากฏการณ์การแยกซุปเปอร์คอนดักเตอร์ที่เกิดการรบกวนอย่างรวดเร็วทำให้ความเสถียรของวัสดุกลายเป็นสิ่งสำคัญ ซึ่งมีความสำคัญต่อการพัฒนาแอปพลิเคชันจริง เช่น เครื่องชนอนุภาคและอุปกรณ์ทางการแพทย์ การศึกษาวัสดุที่แตกต่างกันอย่างลึกซึ้งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจคุณสมบัติซุปเปอร์คอนดักเตอร์ได้ดียิ่งขึ้น และผลักดันนวัตกรรมและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง