ขอต้อนรับ ผู้มาเยือน กรุณา ล็อกอิน หรือ สมัครสมาชิก
Did you miss your activation email?

ล็อกอินด้วยชื่อผู้ใช้ รหัสผ่่าน และระยะเวลาใช้งาน

มีน้ำใจ ไม่อวดตัว มั่วไม่ทำ
 
Advanced search

39901 Posts in 5852 Topics- by 4491 Members - Latest Member: GarethBale
Pages: 1   Go Down
Print
Author Topic: 101 ปีแห่งการค้นพบ Superconductor  (Read 4055 times)
0 Members and 1 Guest are viewing this topic.
NiG
Administrator
SuperHelper
*****
Offline Offline

Posts: 1222


no one knows everything, and you don’t have to.


WWW
« on: April 12, 2012, 04:50:31 PM »

พี่ FogRit ส่งหลังไมค์มาบอกว่า เมื่อประมาณ 4-5 วันที่แล้วเป็นวันที่ครบรอบ 101 ปีการค้นพบ superconductor ผมเลยอยากจะลองเขียนอะไรเกี่ยวกับเรื่องนี้ซักหน่อยครับ เพราะคิดว่าหลายคนคงจะเคยได้ยินชื่อ แต่อาจจะยังไม่รู้ว่ามันคืออะไร แล้วทำไมคนถึงสนใจ แล้วตอนนี้ยังเป็นเรื่องที่ active อยู่รึเปล่า

การค้นพบ Superconductor

Superconductor เป็นเหมือนปรากฎการณ์ด้าน condensed matter อีกหลายอันที่ค้นพบจากการทดลองก่อน แล้วถึงจะสามารถสร้างโมเดลทางทฤษฎีมาอธิบายได้ทีหลัง ผู้ค้นพบปรากฎการณ์ที่ ปรอท (liquid mercury)มีความต้านทานเป็น 0 ที่อุณหภูมิประมาณ 4 K คือ Heike Kamerlingh Onnes นักฟิสิกส์ชาวดัทช์แห่งมหาวิทลัย Leiden เมื่อวันที่ 8 เมษายน ปี 1911 สองปีต่อจากนั้น Onnes ได้รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากการค้นพบอันนี้ครับ และปัจจุบันนักฟิสิกส์พบว่าโลหะหลายๆชนิดก็สามารถทำให้มีคุณสมบัติลักษณะนี้ (หรือที่เรียกว่าเป็น superconductor) ได้เช่นกัน (ดูรูป 1 )

แน่นอนว่าตอนนั้นยังไม่มีใครสามารถที่จะอธิบายได้ว่าปรากฎการณ์นี้เกิดขึ้นได้ยังไง แต่ถ้าเราจำได้ช่วงราวๆนี้เป็นช่วงเวลาแห่งการเปลี่ยนแปลงสำหรับวงการฟิสิกส์จากการค้นพบทฤษฎีสัมพัทธภาพและทฤษฎีควอนตัม สิ่งที่สำคัญที่เกิดขึ้นตอนปี 1924 Satyendra Nath Bose ได้สร้างโมเดลสำหรับกลศาสตร์สถิติสำหรับของอุณหภูมิตำ่ ซึ่งในโมเดลนี้สามารถเกิดปรากฎการที่เรียกว่า Bose-Einstein Condensation (หาอ่านได้ใน http://mpec.sc.mahidol.ac.th/forums/index.php/topic,5431.0.html) ซึ่งอนุภาคเกือบทั้งหมดมากองรวมกันอยู่ที่ระดับพลังงานต่ำสุด (ground state) ทั้งกลศาสตร์ควอนตัม และ ความเป็นไปได้ที่จะเกิด Bose - Einstein condensation ของอีเล็คตรอนในโลหะ ดูเป็นความหวังที่จะเอามาอธิบายปรากฎการณ์ superconductor ได้

ปัญหาที่ติดอยู่คือ กลศาสตร์แบบ Bose-Einstein ใช้ได้สำหรับอนุภาคที่เรียกกันตอนหลังว่า Boson (มีสปินเป็น จำนวนเต็ม) ในขณะที่อีเล็คตรอนเป็นอนุภาคที่เรียกว่า Fermion ซึ่งมีคุณสมบัติในทางกลศาสตร์สถิติต่างออกไป ซึ่งกว่าปัญหานี้จะแก้ได้ ก็ใช้เวลาสามสิบกว่าปีหลังจากที่ Bose เสนอกลศาสตร์แบบ Bose-Einstein (ซึ่งก็หลังจากที่ค้นพบ superconductor ในห้องแล็บสิบกว่าปี)

รูปของธาตุที่สามารถเป็น superconductor ได้จาก lecture note วิชา Quantum Theory of Matter ของ Derek Lee ที่อิมพีเรียลครับ


* Picture 1.png (119.92 KB, 621x298 - viewed 412 times.)

* Heike Kamerlingh Onnes who discover superconductor.jpg (3.72 KB, 120x137 - viewed 415 times.)
« Last Edit: June 04, 2012, 01:08:57 AM by NiG » Logged

ผมไม่เชื่อในอัจฉริยะ แต่ผมเชื่อในความขยัน อดทน ไม่ท้อแท้

กระทู้ แนะนำหนังสือฟิสิกส์
http://mpec.sc.mahidol.ac.th/forums/index.php/topic,154.0.html

4 สุดยอดบทเรียนสำหรับผู้ที่กำลังจะเป็นนักฟิสิกส์
http://mpec.sc.mahidol.ac.th/forums/index.php/topic,5270.msg34148.html#msg34148
NiG
Administrator
SuperHelper
*****
Offline Offline

Posts: 1222


no one knows everything, and you don’t have to.


WWW
« Reply #1 on: April 12, 2012, 05:24:33 PM »

Meissner Effect - การดีดสนามแม่เหล็กออกจาก Superconductor

Landmark อันต่อไปของ superconductor ก็ยังคงห่างไกลจากการสร้างโมเดลทางทฤษฎีที่สมบูรณ์มาอธิบายปรากฎการณ์ superconductor ได้แต่กลับยิ่งทำให้ superconductor ยิ่งน่าพิศวงและน่าสนใจยิ่งขึ้นไปอีก

ย้อนกลับไปตอนปี 1933 เป็นเวลา 22 ปีหลังการค้นพบ superconductor นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Walther Meissner และ Robert Ochsenfeld แห่งมหาวิทยาลัย Physikalisch-Technische Bundesanstalt ได้ค้นพบ (ในห้องทดลอง) ปรากฎการณ์ที่ superconductor ดีดสนามแม่เหล็กที่ผ่านตัวมันก่อนที่จะเปลี่ยนไปเป็น superconductor ออกไปรอบๆ ทันทีที่เปลี่ยนจากโลหะธรรมดาไปเป็น superconductor ซึ่งสำหรับคนที่มีพื้นฐานเรื่องแม่เหล็กไฟฟ้าคงจะเข้าใจได้ว่า ภายใน superconductor เกิดการ induce กระแสไฟฟ้าเพื่อมาหักล้างสนามแม่เหล็กข้างในตัวเอง ในทางทั่วๆไปเรียกว่า diamagnetism และเฉพาะในกรณีนี้เราเรียกมันว่า Meissner effect

ปรากฎการ Meissner ยังทำให้เราค้นพบสิ่งที่เรียกว่า Quantum Levitation ซึ่งมันคืออะไร? ลองดูในคลิปนี้จะเห็นภาพกว่าครับ http://www.youtube.com/watch?v=Ws6AAhTw7RA

ส่วนคลื่นแม่แม่เหล็กไฟฟ้าที่สนามแม่เหล็กวางตัวในแนวที่ขนานกับ plane ของ superconductor (คนละแบบกับในรูปข้างล่าง) สามารถทะลุเข้าไปใน superconductor ได้ครับ แต่ไม่มากเพราะความเข้มของสนามแม่เหล็กจะลดลงแบบ exponential decay

ปรากฎการณ์นี้ได้รับการตีความโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันอีกสองคน คือสองพี่น้อง Fritz และ Heinze London ว่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทะลุเข้าไปใน superconductor ทำตัวเหมือนกับคลื่นที่ใช้บรรยายอนุภาคที่มีมวล ?!?!

ถ้าเกิดว่าตรงนี้งง แต่เคยได้ยินตำนานของพวกฟิสิกส์อนุภาคมาก่อน ลองนึกถึงเคสที่แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน มีระยะที่จะ interact ได้สั้นๆเนื่องจาก W,Z boson ซึ่งเป็นอนุภาคที่นำพาแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนมีมวลครับ (และปรากฎการณ์ที่ W,Z boson เกิดมวลนี้เราเรียกว่า Higgs Mechanism)
 
สองพี่น้อง London ยังได้อธิบายอีกด้วยว่าการที่ superconductor ดีดสนามแม่เหล็กออกไปนั้นเพื่อเป็นการทำให้ Free energy ของมันมีค่าน้อยที่สุดซึ่งถือว่าเป็นความสำเร็จครั้งใหญ่ในขณะนั้นครับเพราะเป็นครั้งแรกที่เราได้หลักการพื้นฐาน ที่เป็นพื้นฐานมากๆมาอธิบายปรากฎการณ์ใน superconductor  แต่การที่โฟตอนมีมวลข้างใน superconductor หรือการที่มันดีดสนามแม่เหล็กออก ก็ยังไม่สามารถอธิบายได้อย่างสมบูรณ์อยู่ดี นี่ยังไม่ได้พูดถึงว่าในสมัยนั้นคนก็ยังไม่เข้าใจว่าโลหะกลายไปเป็น superconductor ได้ยังไงนะครับ

รูปข้างล่างนี้ก็จาก lecture note ของ Derek Lee อีกเหมือนกันนะครับ


* Picture 2.png (35.43 KB, 595x203 - viewed 421 times.)
« Last Edit: June 03, 2012, 03:36:08 AM by NiG » Logged

ผมไม่เชื่อในอัจฉริยะ แต่ผมเชื่อในความขยัน อดทน ไม่ท้อแท้

กระทู้ แนะนำหนังสือฟิสิกส์
http://mpec.sc.mahidol.ac.th/forums/index.php/topic,154.0.html

4 สุดยอดบทเรียนสำหรับผู้ที่กำลังจะเป็นนักฟิสิกส์
http://mpec.sc.mahidol.ac.th/forums/index.php/topic,5270.msg34148.html#msg34148
NiG
Administrator
SuperHelper
*****
Offline Offline

Posts: 1222


no one knows everything, and you don’t have to.


WWW
« Reply #2 on: April 12, 2012, 05:30:06 PM »

การเปลี่ยนสถานะ Order - Disorder phase 
ก่อนจะกลับเข้ามาในเรื่องผมขออธิบาย side story ที่ต้องเล่าถ้าเกิดจะให้อินในเรื่องนี้ก่อนนะครับ

เวลาสสารเปลี่ยนสถานะ(phase)นี่ ตัวอย่างเช่น สารแม่เหล็ก ลองนึกภาพว่าเวลาเราเอาแม่เหล็กไปเผาจนมันร้อนขึ้นมาถึงอุณหภูมินึงที่เราเรียกว่า Critical temperature หรือ Curie temperature มันจะเสียสภาพความเป็นแม่เหล็กไฟ ในทางกลับกับถ้าเราเอาแม่เหล็กที่ร้อนๆมาทำให้มันเย็นลง พอถึง Curie temperature T_c ปุ้ป มันก็จะเกิดความเป็นแม่เหล็กในตัวเองทันที ไม่ใช่ค่อยๆเกิดนะครับ คือลงมาต่ำกว่าT_c 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 T_c 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


* Disorder vs Order phase.jpg (45.98 KB, 681x326 - viewed 396 times.)

* Abrikosov vortices.jpg (48.15 KB, 300x260 - viewed 386 times.)
« Last Edit: June 04, 2012, 04:13:55 AM by NiG » Logged

ผมไม่เชื่อในอัจฉริยะ แต่ผมเชื่อในความขยัน อดทน ไม่ท้อแท้

กระทู้ แนะนำหนังสือฟิสิกส์
http://mpec.sc.mahidol.ac.th/forums/index.php/topic,154.0.html

4 สุดยอดบทเรียนสำหรับผู้ที่กำลังจะเป็นนักฟิสิกส์
http://mpec.sc.mahidol.ac.th/forums/index.php/topic,5270.msg34148.html#msg34148
FogRit
SuperHelper
*****
Offline Offline

Posts: 899


มีอะไร ใช้อย่างนั้น


« Reply #3 on: April 12, 2012, 09:07:17 PM »

ปู่เสื่อนั่งรอ Grin
Logged

อดทนและทำงานอย่างสอดคล้องกับธรรมชาติ

Our greatest glory is not in never falling but in rising every time we fall. ----Confucius
NiG
Administrator
SuperHelper
*****
Offline Offline

Posts: 1222


no one knows everything, and you don’t have to.


WWW
« Reply #4 on: June 01, 2012, 11:50:24 PM »

Cooper pair และ BCS wavefunction คำตอบแรกของ Superconductor

ไม่กี่ปีหลังจาก Ginzburg-Landau theory ได้ตีพิมพ์ออกมาและได้รับการตอบรับอย่างกว้างขวาง

Leon Cooper นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน ซึ่งในขณะนั้นอยู่ที่ University of Illinois at Urbana-Champaign ได้เสนอกระบวนการที่อีเล็คตรอนสองตัวในระบบที่มีอุณหภูมิต่ำมากๆและมีแรงดูดกันอ่อนๆเวลาอยู่ใกล้ๆกัน (ซึ่งในโมเดลของ Cooper ยังไม่รู้ว่าเป็นแรงที่เกิดจากอะไร) สามารถดูดกัน และฟอร์มเป็นคู่ของอีเล็คตรอนซึ่งมีสปินรวมเป็น 0 เรียกว่า Cooper pair ซึ่งอย่างที่เรารู้กันว่าของที่มีสปิน 0 จะมีคุณสมบัติเป็นโบซอน และสามารถเกิดปรากฎการณ์ Bose-Einstein condensate ได้อย่างที่เกริ่นๆไว้ในกระทู้ก่อนหน้านี้ครับ กระบวนการนี้เรียกว่า Cooper Instability ซึ่งดูเป็นความหวังว่าจะสามารถอธิบายการเกิด superconductor ได้(ซักที)

ปัญหาคือ แรงที่ว่านี้เป็นแรงอะไร

ในปี 1957 John Bardeen นักฟิสิกส์จาก University of Illinois at Urbana-Champaign ผู้ได้รับรางวัลโนเบลจากการคิดค้น Transistor ในปี 1956, Leon Cooper เจ้าเก่า และ John Robert Schrieffer ซึ่งขณะนั้นเป็นลูกศิษย์ปริญญาเอกของ Bardeen ได้อธิบายว่าแรงที่ดูดอีเล็คตรอนเข้าด้วยกัน เกิดจาก mode การสั่นของโมเลกุลของโลหะที่เรียกว่า Phonon สามสหาย BCS ยังแสดงให้เห็นว่าสภาวะที่พลังงานต่ำสุด(ground state )ของโลหะที่อุณหภูมิต่ำๆภายใต้ interaction ระหว่างอีเล็คตรอนและโฟนอน คือสภาวะที่เกิด superconductor เรียกว่า BCS ground state ครับ

เรื่องนี้เป็นการค้นพบที่ยิ่งใหญ่จริงๆครับ นี่เป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ที่เราสามารถจะเข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้นในโลหะที่กลายไปเป็น superconductor สำหรับ Bardeen, Cooper และ Schriffer สามสหายได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากการค้นพบนี้ในปี 1972 และทำให้ John Bardeen เป็นนักฟิสิกส์หนึ่งเดียวที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ถึงสองครั้ง

ตอนนี้ถือเป็นไคลแม็กซ์สำหรับประวัติศาสตร์ของ Superconductor จริงๆครับ เพราะฉะนั้นผมจะลองอธิบายคร่าวๆว่าเกิดอะไรขึ้นกับอีเล็คตรอนใน superconductor? หรือเอาง่ายๆคือ มันดูดกันได้ยังไง? ทำไมการสั่นของโมเลกุลถึงดูดอีเล็คตรอนเข้ามาหากันได้

ลองดูรูปที่ผมแนบมาด้วยนะครับ (จาก lecture note ของ Derek Lee เหมือนเดิมครับ) จุดสีน้ำเงินคือโมเลกุลของโลหะ และจุดสีแดงคือ free electron ในโลหะครับ

ลองดูรูปทางซ้ายมือนะครับ
อย่างที่เรารู้กันว่าโมเลกุลมีแรงผลักกัน และสามารถเกิดการสั่นได้ การที่อีเล็คตรอนวิ่งผ่านโมเลกุลเหล่านี้ แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะดูดโมเลกุลเข้ามาด้วยกัน ทำให้บริเวณที่อีเล็คตรอนอยู่นั้นมีความหนาแน่นของประจุบวกมากกว่าที่อื่นๆ คลื่นการอัดของโมเลกุลแบบนี้แหละครับที่เรียกว่าโฟนอน

แต่...อีเล็คตรอนวิ่งไปเร็วกว่าโฟนอนพอสมควรครับ และเมื่ออีเล็คตรอนตัวเดิมวิ่งออกไปแล้ว โฟนอนสามารถที่จะดูดอีเล็คตรอนตัวอื่นๆที่อยู่ใกล้ๆเข้ามาหาจุดที่ความหนาแน่นของประจุบวกสูงได้ (ซึ่งก็อยู่ใกล้ๆกับอีเล็ตรอนตัวเดิม) อย่างที่เห็นในรูปทางขวาครับ

คิดว่าพอจะเห็นภาพกันแล้วนะครับ เป็นภาพของการที่อีเล็คตรอนดูดกันที่ง่ายจนเหลื่อเชื่อ แต่การคำนวณไม่ง่ายอย่างงี้นะครับแล้วกว่าจะมาถึงจุดนี้ได้นักฟิสิกส์ใช้เวลา 40 กว่าปีเลย




* Picture 1.png (37.54 KB, 616x271 - viewed 272 times.)
« Last Edit: June 04, 2012, 01:43:35 AM by NiG » Logged

ผมไม่เชื่อในอัจฉริยะ แต่ผมเชื่อในความขยัน อดทน ไม่ท้อแท้

กระทู้ แนะนำหนังสือฟิสิกส์
http://mpec.sc.mahidol.ac.th/forums/index.php/topic,154.0.html

4 สุดยอดบทเรียนสำหรับผู้ที่กำลังจะเป็นนักฟิสิกส์
http://mpec.sc.mahidol.ac.th/forums/index.php/topic,5270.msg34148.html#msg34148
NiG
Administrator
SuperHelper
*****
Offline Offline

Posts: 1222


no one knows everything, and you don’t have to.


WWW
« Reply #5 on: June 04, 2012, 02:57:49 AM »

จบแล้ว? เรื่องมันง่ายแค่นี้เองหรอ?

ถ้าคิดยังงั้นเรียกว่าผิดถนัดเลยครับ ผมจะลองเกริ่นคร่าวๆว่า superconductor ได้เปิดประตูอะไรให้เราบ้าง และตอนนี้ยังมีปัญหาอะไรที่ยังคงเป็นปัญหาปลายเปิดอยู่ และ superconductor มีบทบาทอะไรในการค้นพบของศตวรรษนี้ครับ

Superconductor & Quantum Tunnelling

ในปี 1961 นักเรียนปริญญาเอกทางด้าน Condensed Matter จากเคมบริดจ์ Brian Josephson ได้ตีพิมพ์ผลงานทำนายว่า หากเอา Superconductor สองอัน ที่มีกระแสวิ่งอยู่ในตัว superconductor ไม่เท่ากัน(ข้างใน superconductor จะเกิดกระแสไฟฟ้าที่เป็น superflow ของ Cooper pair อยู่) เอามาวางไว้ใกล้ๆกันแต่กั้นไว้ด้วยฉนวนไฟฟ้า (insulator) จะเกิดปรากฎการณ์ที่ Cooper pair สามารถทะลุผ่าน insulator จากฝั่งหนึ่งไปยังอีกฝั่งหนึ่งได้ (ซึ่งไม่เกิดขึ้นกับโลหะปกติ) และเราสามารถจะวัดกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนี้ได้ในการทดลอง Josephson อธิบายว่ากระแสนี้เกิดจาก quantum tunneling ครับ

หนึ่งปีต่อมาปรากฎการณ์นี้ได้รับยืนยันโดยการทดลอง ทำให้ Josephson โด่งดังเป็นพลุแตกและได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1973 หลังจากสามสหาย BCS แค่ปีเดียวครับ (อธิบายศัพท์ทางเทคนิคเล็กๆ คือ ปรากฎการณ์นี้เรียกว่า Josephson effect และระบบที่ Josephson พูดถึงเรียกว่า Superconductor-Insulator-Superconductor หรือ SIS junction ครับ)

ความเจ๋งของปรากฎการณ์ที่เรียกว่า Josephson effect มันคืออะไร? อย่างแรกเราต้องมาทบทวนกันก่อนว่าปรากฎการณ์ทางควอนตัมไม่ใช่หากันเจอง่ายๆครับ และ Quantum Tunneling ก็เป็นหนึ่งในปรากฎการณ์ที่หาชมได้ยาก ยิ่งหาในห้องแล็ปยิ่งยากครับ การค้นพบของ Josephson เปิดโอกาสให้นักฟิสิกส์สามารถศึกษา Quantum Tunneling ได้ง่ายๆเพียงแค่คุณมี superconductor

จากการศึกษาระบบของ SIS junction ในปี 1981 นักฟิสิกส์สองคนจาก University of Sussex ประเทศอังกฤษได้แก่ Amir Caldeira และ Anthony Leggett ประสบความสำเร็จในการอธิบายว่า Quantum Tunneling ที่เกิดขึ้นใน SIS junction นั้นเกิดจากการที่ Cooper pair เสียพลังงานออกไปเป็นพลังงานในการสั่นของโมเลกุลรอบๆ ซึ่งเป็นภาพของ Quantum Tunneling ที่ชัดเจนมากๆครับ

Anthony Leggett เป็นนักฟิสิกส์ชื่อดังของอังกฤษอีกคนนึงครับ เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2003 พร้อมกับ Vitaly Ginzburg และ Alexei Abrikosov ที่ผมเล่าถึงในคอมเมนต์ก่อนหน้านี้ครับ

Superconductor & Quantum Computing


Superconductor สามารถเกิดขึ้นได้กับโลหะที่เป็นสารประกอบเช่นกันครับ Superconductor ที่เกิดขึ้นกับสารประกอบบางชนิด มีสมบัติที่เรียกว่า p+ip pairing system (ซึ่งผมขอไม่ลงในรายละเอียดในที่นี้นะครับ เพราะยังไม่เข้าใจดีพอ) และ topological invariance ซึ่งเป็นหนึ่งใน candidate ของการสร้าง fault - tolerance quantum computer ได้ครับ ซึ่งเรื่องนี้ผมจะอธิบายไว้ในบทความใหม่ที่กำลังจะคลอดเร็วๆนี้ครับ

ภาพข้างล่างนี้เป็นระบบของ SIS junction ที่เรียกว่า Superconductor Quantum Interferometry Device หรือ SQUID ซึ่งเป็นระบบที่ Caldeira กับ Leggett ใช้ในการอธิบาย Quantum Tunneling ครับ


* Picture 2.png (37.79 KB, 619x237 - viewed 274 times.)
Logged

ผมไม่เชื่อในอัจฉริยะ แต่ผมเชื่อในความขยัน อดทน ไม่ท้อแท้

กระทู้ แนะนำหนังสือฟิสิกส์
http://mpec.sc.mahidol.ac.th/forums/index.php/topic,154.0.html

4 สุดยอดบทเรียนสำหรับผู้ที่กำลังจะเป็นนักฟิสิกส์
http://mpec.sc.mahidol.ac.th/forums/index.php/topic,5270.msg34148.html#msg34148
NiG
Administrator
SuperHelper
*****
Offline Offline

Posts: 1222


no one knows everything, and you don’t have to.


WWW
« Reply #6 on: June 04, 2012, 04:02:42 AM »

Strange Metal & Unconventional Superconductor

อย่างที่ผมบอกไปในคอมเม้นต์ที่แล้วครับ BCS theory เป็นความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่อย่างไม่มีข้อโต้แย้ง แต่เรื่องมันไม่ได้จบแค่นี้ครับ

เงื่อนไขของ BCS theory นั้นคือ superconductor จะเกิดที่อุณหภูมิต่ำมากๆ ประมาณ 10 Kelvin แต่ทว่า...ในปี 1986 ได้มีการค้นพบสารประกอบจำพวก ceramic ว่าสามารถกลายเป็น superconductor ได้ที่อุณหภูมิราวๆ 30 K ต่อจากนั้นมาจนถึงปี 2009 ก็ค้นพบ superconductor ชนิดใหม่ๆที่อุณหภูมิสูงขึ้นเรื่อยๆ ล่าสุด อุณหภูมิสูงสุดของ superconductor ที่ค้นพบคือราวๆ 150 K ซึ่งสามารถใช้แค่ ไนโตรเจนเหลวในการให้ความเย็นเพื่อให้เกิด superconductor ครับ

แน่นอนว่า superconductor เหล่านี้ไม่สามารถจะใช้ BCS theory ในการอธิบายได้ครับ และปัจจุบันเราก็ยังไม่รู้ว่าเกิดอะไรขึ้นใน superconductor เหล่านี้ มีความพยายามมากมายที่จะอธิบาย superconductor ประเภทนี้ เรียกว่านี่เป็นหนึ่งในปัญหาที่ hot ที่สุดของยุคนี้เลยทีเดียวครับ

รูปข้างล่างนี้เป็นรูปของสารประกอบที่เกิดสภาพเป็น superconductor ได้ที่อุณหภูมิสูงครับ ผมเสิชเอาจากคำว่า high temperature superconductor ครับ

ก็...จบแล้วนะครับสำหรับซีรี่ชุดนี้ ขอบคุณทุกท่านที่ติดตามอ่านมาจนถึงบรรทัดนี้นะครับ ถ้ามีตรงไหนที่ผิดพลาดช่วยท้วงติงเข้ามาด้วยนะครับเพราะผมเองก็เป็นแค่นักเรียนฟิสิกส์ระดับกลางๆคนนึงที่งานผมก็ไม่ได้อยู่ในสายของ superconductor ตรงๆ แค่เคยอ่านแล้วก็เข้าเลคเชอร์เกี่ยวกับ superconductor มาบ้าง หวังว่าจะได้รับคำชี้แนะจากผู้รู้ที่เข้ามาอ่านครับ

Acknowledgement & Reference

- Powii, for a lot of intensive discussions
- D.K.K. Lee, Lecture Note in Quantum Theory of Matter course, Imperial College London, 2010
- J. Annett, Superconductivity, Superfluids and Condensates, Oxford (2004)
- A. Altland & B.D. Simon, Condensed Matter Field theory 2nd edition, Cambridge 2010  
- A. Zee,Quantum Field Theory in a Nutshell 2nd edition,Princeton 2010
- A.O. Caldeira, A.A. Leggett, Physics Review Letter, 4, 46 (1980)
- C. Nayak, S.H. Simon, A. Stern, M. Freedman, S. Das Sarma, Rev. Mod. Phys. 80, 1083 (2008)
- A lot of wikipedia pages of many people mentioned in the article


* ybco.jpg (55.75 KB, 500x523 - viewed 453 times.)
« Last Edit: June 04, 2012, 04:14:36 AM by NiG » Logged

ผมไม่เชื่อในอัจฉริยะ แต่ผมเชื่อในความขยัน อดทน ไม่ท้อแท้

กระทู้ แนะนำหนังสือฟิสิกส์
http://mpec.sc.mahidol.ac.th/forums/index.php/topic,154.0.html

4 สุดยอดบทเรียนสำหรับผู้ที่กำลังจะเป็นนักฟิสิกส์
http://mpec.sc.mahidol.ac.th/forums/index.php/topic,5270.msg34148.html#msg34148
ปิยพงษ์ - Head Admin
Administrator
SuperHelper
*****
Offline Offline

Posts: 5836


มีน้ำใจ ไม่อวดตัว มั่วไม่ทำ


WWW
« Reply #7 on: June 04, 2012, 09:01:31 AM »

ขอบคุณ  smitten
Logged

มีน้ำใจ ไม่อวดตัว มั่วไม่ทำ
FogRit
SuperHelper
*****
Offline Offline

Posts: 899


มีอะไร ใช้อย่างนั้น


« Reply #8 on: June 12, 2012, 11:54:04 PM »

ขอบคุณครับ
 smitten
Logged

อดทนและทำงานอย่างสอดคล้องกับธรรมชาติ

Our greatest glory is not in never falling but in rising every time we fall. ----Confucius
Pages: 1   Go Up
Print
Jump to:  

คุณสมบัติของเด็กดี

ไม่ฟังเวลามีการนินทากัน ไม่มองหาข้อด้อยของผู้อื่น ไม่พูดนินทาเหยีบบย่ำผู้อื่น