การเปลี่ยนสถานะ Order - Disorder phase ก่อนจะกลับเข้ามาในเรื่องผมขออธิบาย side story ที่ต้องเล่าถ้าเกิดจะให้อินในเรื่องนี้ก่อนนะครับ
เวลาสสารเปลี่ยนสถานะ(phase)นี่ ตัวอย่างเช่น สารแม่เหล็ก ลองนึกภาพว่าเวลาเราเอาแม่เหล็กไปเผาจนมันร้อนขึ้นมาถึงอุณหภูมินึงที่เราเรียกว่า Critical temperature หรือ Curie temperature มันจะเสียสภาพความเป็นแม่เหล็กไฟ ในทางกลับกับถ้าเราเอาแม่เหล็กที่ร้อนๆมาทำให้มันเย็นลง พอถึง Curie temperature
ปุ้ป มันก็จะเกิดความเป็นแม่เหล็กในตัวเองทันที ไม่ใช่ค่อยๆเกิดนะครับ คือลงมาต่ำกว่า
ปุ้ปกลายเป็นแม่เหล็กปั้ปเลย (ในทางเทคนิคเราจะเรียกในกรณีที่ยังไม่เป็นแม่เหล็กว่า disorder phase และตอนเป็นแม่เหล็กแล้วเรียกว่า order phase ครับ)
ซึ่งกระบวนการแบบนี้เกิดได้สองแบบนะครับคือ เราใส่สนามแม่เหล็กไปกระตุ้นให้มันเกิดความเป็นแม่เหล็ก หรือแค่ลดอุณหภูมิเฉยๆ
ตามคอมมอนเซนส์ ถ้าเราเอาแม่เหล็กแรงๆไปจ่อสารแม่เหล็ก มันก็จะกลายเป็นแม่เหล็ก ซึ่งทิศของ magnetic dipole เกือบทั้งหมดก็จะชี้ไปในทิศเดียวกับแม่เหล็กที่เอามากระตุ้น เราเรียกการเปลี่ยนเฟสแบบนี้ว่า discontinuous phase transition หรือ 1st order phase transition ซึ่งก็น่าสนใจแต่ไม่ใช่ในเคสนี้ครับ
ที่น่าสนใจมากกว่ามากๆคือการเปลี่ยนเฟสแบบที่เราแค่ลดอุณหภูมิลงไปเรื่อยๆ แบบไม่ต้องมีสนามแม่เหล็กภายนอกเลย แต่สารแม่เหล็กก็ทำตัวเป็นแม่เหล็กเอง แล้วก็เลือกทิศของมันเองว่าจะชี้ไปทิศไหน(ได้ไง?) เราเรียกอันนี้ว่า continuous phase transition ครับ
ซึ่งการเปลี่ยนเฟสแบบนี้ไม่ได้เกิดขึ้นแค่ในสารแม่เหล็กแต่เกิดขึ้นกับระบบทางควอนตัมอย่าง superfluid หรือ superconductor ด้วยเช่นกันครับ อย่าง superconductor ก็คือ ถ้าเราลดอุณหภูมิมันลงไปให้ต่ำลงเรื่อยๆ พอลงไปต่ำกว่า
ปุ้ปมันก็จะเปลี่ยนเป็น superconductor เลยต่อให้เราจะค่อยๆเลี้ยงอุณหภูมิให้ลดลงช้าๆก็ตามครับ ฟังดูประหลาดดีใช่มั้ยครับ นี่ก็เป็นปัญหาโลกแตกอีกเรื่องนึงในยุคนั้นเหมือนกันครับ
มาถึงช่วงสำคัญแล้วครับ
จนกระทั่งตอนปี 1950 Vitaly Ginzburg และ Lev Landau ได้สร้างทฤษฎีที่สามารถอธิบาย secondary phase transition ได้โดยอาศัยหลักการที่ว่าระบบจะเลือกอยู่ในสถานมี Free energy น้อยที่สุดและระหว่างการเปลี่ยนเฟส Free energy จะต้องเป็น analytic function โดยทฤษฎีนี้ไม่ต้องสนใจ microscopical details ของระบบที่เราสนใจ ซึ่งก็คือ Ginzburg-Landau theory อันโด่งดังครับ ทฤษฎี Ginzburg-Landau แม้ว่าจะมีข้อจำกัดพอสมควร แต่ก็ประสบความสำเร็จสุดๆในการอธิบายปรากฎการณ์การเปลี่ยนสถานะของ superfluid (ระบบของ condensate interacting boson) และการเปลี่ยน phase จาก conductor เป็น superconductor ได้เป็นผลสำเร็จหลังจากการค้นพบ superconductor เป็นเวลาถึงเกือบ 40ปี (เย้ๆ)
แต่ยังครับยัง อย่างที่ผมบอกไปว่าทฤษฎี Ginzburg-Landau เป็นทฤษฎีที่ไม่สนใจรายละเอียดของอีเล็คตรอนใน superconductor แม้ว่ามันจะสามารถทำนายการเปลี่ยนสถานะไปเป็น superconductor ได้แต่ปัญหาอีกเยอะๆก็ยังคงเป็นปริศนาครับ ถ้าเราลองทบทวนไปจะเห็นว่ามีปัญหาอีกเยอะอย่างเช่น
- ถ้าเกิดว่าการเป็น superconductor คือ Bose-Einstein condensation คืออีเล็คตรอนจริงๆ มันจะเป็นไปได้ยังไง
- แล้วจริงๆแล้วอีเล็คตรอนทำตัวยังไงกันแน่ตอนมันกลายเป็น superconductor
นอกจากนี้ในปี 1952 Alexei Abrikosov นักฟิสิกส์ชาวรัสเซียอีกคนยังได้ทำนายว่า จากทฤษฎี Ginzburg-Landau ใน superconductor ว่าภายใต้เงื่อนไขบางอย่างสนามแม่เหล็ก (ดูในรูปของคอมเมนต์ที่แล้วนะครับ) สามารถทะลุเข้าไปใน superconductor ได้ (อ้าว...) แต่จะโดนบีบเข้าไปกลายเป็นท่อเล็กๆ ที่เรียกกับว่า flux tube หรือ Abrikosov vortex ซึ่งพิสูจน์โดยการทดลองได้ภายในเวลาอันรวดเร็วครับ
อืมม...เอาแล้วไงครับ เรื่องเก่ายังเคลียร์ไม่หมดเลย มีของใหม่ๆเข้ามาอีกแล้ว สรุปว่าเกิดอะไรขึ้นกันแน่ใน superconductor เราลองไปดูในคอมเม้นต่อไปเลยครับ
* ผมเคยเขียนประวัติของ Landau เอาไว้ในนี้ครับ
http://mpec.sc.mahidol.ac.th/forums/index.php/topic,5425.msg34777.html#msg34777**รูปข้างล่างสองรูปผมเสิร์ชในกูเกิ้ลเอานะครับ รูปแรกใช้คำว่า spontaneous magnetisation ส่วนรูปที่สองใช้คำว่า Abrikosov vortex ครับ
ฟิสิกส์ร่วมสมัยจนถึงปัจจุบัน
