ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง

การค้นพบสภาพนำยวดยิ่งในเซรามิกคอปเปอร์ออกไซด์ที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจนเหลวได้พลิกความคาดหมายและเผยให้เห็นกลไกการจับคู่ที่ไม่เป็นไปตามแบบแผน ซึ่งทฤษฎี BCS ไม่สามารถอธิบายได้

Definition

ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงคือวัสดุ โดยหลักคือเซรามิกคอปเปอร์ออกไซด์ (คิวเพรต) ที่แสดงสภาพนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิสูงกว่าขีดจำกัดทั่วไปมาก โดยเกิดขึ้นจากการเจือสารในฉนวนมอตต์แบบต้านเฟอร์โรแมกเนติก แสดงการจับคู่แบบ d-wave และเชื่อว่าเกิดจากกลไกทางอิเล็กทรอนิกส์ ไม่ใช่กลไกโฟนอนแบบง่าย ซึ่งยังไม่สามารถอธิบายได้

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงคิวเพรตและตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงที่เกี่ยวข้อง: โครงสร้างคอปเปอร์ออกไซด์แบบชั้น, สารตั้งต้นที่เป็นฉนวนมอตต์แบบต้านเฟอร์โรแมกเนติก, แผนภาพเฟสที่มีการเจือสารรวมถึงช่องว่างหลอก (pseudogap) และโดมสภาพนำยวดยิ่ง, สมมาตรการจับคู่แบบ d-wave, และปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขของกลไกการจับคู่ นอกจากนี้ยังกล่าวถึงตัวนำยิ่งยวดที่ใช้เหล็กเป็นหลักและไฮไดรด์ภายใต้ความดันสูง โดยเปรียบเทียบตัวนำยิ่งยวดที่ไม่เป็นไปตามแบบแผนเหล่านี้กับภาพ BCS แบบดั้งเดิมของหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• คุณสมบัติเชิงโครงสร้างและอิเล็กทรอนิกส์ใดที่ทำให้ตัวนำยิ่งยวดคิวเพรตแตกต่างจากโลหะทั่วไป?
• สถานะสภาพนำยวดยิ่งเกิดขึ้นได้อย่างไรจากการเจือสารในฉนวนมอตต์แบบต้านเฟอร์โรแมกเนติก?
• ช่องว่างหลอก (pseudogap) คืออะไร และแผนภาพเฟสจัดระเบียบสารคิวเพรตอย่างไร?
• เหตุใดทฤษฎี BCS แบบดั้งเดิมจึงไม่สามารถอธิบายสภาพนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้?

Key concepts

• ชั้นคอปเปอร์ออกไซด์ของคิวเพรต
• สารตั้งต้นฉนวนมอตต์แบบต้านเฟอร์โรแมกเนติกที่ถูกเจือสาร
• แผนภาพเฟส, ช่องว่างหลอก (pseudogap), และโดมสภาพนำยวดยิ่ง
• สมมาตรการจับคู่แบบ d-wave
• ตัวนำยิ่งยวดที่ใช้เหล็กเป็นหลักและไฮไดรด์

Clinical relevance

ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงสามารถทำงานได้ด้วยการหล่อเย็นด้วยไนโตรเจนเหลวซึ่งมีราคาไม่แพง ทำให้สามารถนำไปใช้กับสายเคเบิลส่งกำลัง, ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร, และแม่เหล็กสนามสูงได้ การทำความเข้าใจกลไกของมันยังเป็นหนึ่งในปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขที่ลึกซึ้งที่สุดในฟิสิกส์ ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของทฤษฎีอิเล็กตรอนที่มีความสัมพันธ์กันอย่างแน่นหนา

History

เบดนอร์ซและมุลเลอร์ค้นพบสภาพนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิใกล้ 35 K ในแลนทานัมคิวเพรตในปี 1986 และได้รับรางวัลโนเบลในปีถัดมา การค้นพบ YBa2Cu3O7 ในปี 1987 ที่มีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะ 93 K ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิไนโตรเจนเหลว ได้กระตุ้นให้เกิดการวิจัยอย่างกว้างขวางซึ่งยังคงดำเนินต่อไป

Debates

กลไกการจับคู่ของคิวเพรต

หลายทศวรรษหลังจากการค้นพบ ยังไม่มีข้อสรุปที่เป็นเอกฉันท์ว่าอะไรเป็นตัวยึดเหนี่ยวอิเล็กตรอนในตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง สถานการณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความสัมพันธ์กันอย่างแน่นหนา เช่น การผันผวนของสปิน, พันธะวาเลนซ์แบบเรโซแนนซ์ และอื่นๆ กำลังแข่งขันกัน และบทบาทของช่องว่างหลอก (pseudogap) ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่

Key figures

• Johannes Georg Bednorz
• Karl Alexander Müller
• Philip Warren Anderson

Seminal works

• bednorz1986
• wu1987

Frequently asked questions

เหตุใดสภาพนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจึงถือว่าไม่เป็นไปตามแบบแผน?

สารคิวเพรตแสดงสภาพนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิสูงกว่าที่การจับคู่โฟนอนของ BCS เคยคิดว่าจะทำได้มาก โดยเกิดขึ้นจากสารตั้งต้นแม่เหล็กที่เป็นฉนวนมากกว่าโลหะที่ดี และมีการจับคู่แบบ d-wave แทนที่จะเป็น s-wave ดังนั้นกลไกของมันจึงดูเหมือนจะเป็นอิเล็กทรอนิกส์มากกว่ากลไกการสั่นของโครงสร้างผลึกแบบดั้งเดิม

กลไกของสภาพนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้รับการแก้ไขแล้วหรือยัง?

ยังไม่ได้รับการแก้ไข แม้จะมีความพยายามอย่างมาก แต่กลไกการจับคู่ของคิวเพรตยังคงเป็นปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไข ซึ่งได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นหนึ่งในปัญหาที่สำคัญที่สุดที่ยังเปิดอยู่ในการศึกษาฟิสิกส์สสารควบแน่น