โบอาซ อัลมอก (Boaz Almog) : ตัวนำยิ่งยวดที่ลอยตัวได้

แผ่นดิสก์ขนาดสามนิ้วบางเฉียบ สามารถยกน้ำหนักกว่า 70,000 เท่าของตัวเองได้อย่างไร ในการสาธิตที่น่าตื่นตาตื่นใจ โบอาซ อัลมอก แสดงปรากฎการณ์ที่เรียกว่าการยึดตัวควอนตัม ที่ทำให้ตัวนำยิ่งยวดลอยตัวเหนือรางแม่เหล็ก และเคลื่อนที่ได้โดยไร้แรงเสียดทานและการสูญเสียพลังงาน

ปรากฎการณ์ที่คุณได้เห็นเมื่อครู่นี้

เรียกกันว่าการลอยตัวควอนตัม และการยึดตัวควอนตัม

และวัตถุที่ลอยตัวอยู่นี้

เรียกว่า ตัวนำยิ่งยวด (superconductor)

สภาวะตัวนำยิ่งยวด เป็นสภาวะของสารในระดับเล็กมากๆ

และจะเกิดขึ้นภายใต้อุณหภูมิที่ต่ำถึงจุดหนึ่งเท่านั้น

นั่นเป็นปรากฎการณ์ที่ค่อนข้างเก่าแล้ว

มันถูกค้นพบเมื่อ 100 ปีที่แล้ว

อย่างไรก็ตาม เพิ่งจะเมื่อไม่นานมานี้เอง

ที่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีหลายๆ อย่าง

ทำให้เราสามารถสาธิตปรากฎการณ์นี้ให้ชมได้

นั่นคือ การลอยตัวควอนตัม และการยึดตัวควอนตัม

สารตัวนำยิ่งยวด จะมีลักษณะสำคัญสองอย่าง

อย่างแรกคือ สภาวะความต้านทานกระแสไฟฟ้าเป็นศูนย์

อย่างที่สองคือ การผลักดันสนามแม่เหล็กจากภายในตัวนำยิ่งยวด

ฟังดูยุ่งยากใช่มั้ยครับ?

ความต้านทานกระแสไฟฟ้าคืออะไร?

กระแสไฟฟ้า ก็คือการไหลของอิเล็กตรอนภายในสสาร

และในระหว่างที่อิเล็กตรอนไหลไปมานี้

มันจะชนเข้ากับอะตอมต่างๆ และจากการชนนี้เอง

มันจะสูญเสียพลังงานไปบางส่วน

พลังงานที่เสียไปจะกระจายตัวไปในรูปของความร้อน ซึ่งคุณคงจะเคยเห็นผลแล้ว

ภายในสารตัวนำยิ่งยวด จะไม่มีการชนกันของอิเล็กตรอนเลย

จึงไม่มีการสูญเสียพลังงานไป

นั่นเป็นเรื่องที่ยอดเยี่ยมมาก

ในฟิสิกส์สมัยก่อน มักจะต้องมีแรงต้านอยู่เสมอ มีการสูญเสียพลังงาน

แต่ปรากฎการณ์นี้เป็นผลในระดับควอนตัม จึงไม่เกิดขึ้น

ไม่ใช่แค่นั้น เพราะสารตัวนำยิ่งยวด ไม่ชอบสนามแม่เหล็ก

มันจึงพยายามที่จะผลักสนามแม่เหล็กออกจากตัว

และทำอย่างนั้นโดยการดันกระแสออกไปเป็นวง

การรวมตัวกันของปรากฎการณ์ทั้งสอง

การผลักสนามแม่เหล็ก และภาวะแรงต้านทานเป็นศูนย์นี้

รวมกันเรียกได้ว่า ตัวนำยิ่งยวด

แต่คุณก็รู้ว่า บางทีอะไรๆ ก็ไม่ได้สมบูรณ์แบบไปเสียหมด

บางครั้งก็ยังคงมีสนามแม่เหล็กหลงเหลืออยู่ ภายในตัวนำยิ่งยวด

ภายใต้ภาวะบางอย่าง ที่เรามีอยู่ในตอนนี้

สนามแม่เหล็กที่หลงเหลืออยู่นี้ สามารถที่จะถูกกักขังอยู่ภายในตัวนำยิ่งยวดได้

และสนามแม่เหล็กตกค้างเหล่านี้

จะมีปริมาณแน่นอนอยู่จำนวนหนึ่ง

ทำไมหรือ ก็เพราะนี่เป็นปรากฎการณ์ระดับควอนตัม เป็นควอนตัมฟิสิกส์

และกลายเป็นว่า สนามแม่เหล็กก็ทำตัวเป็นอนุภาคควอนตัมด้วย

ในคลิปนี้ คุณจะเห็นได้ว่า มันเคลื่อนที่ทีละก้อน

สิ่งเหล่านี้คือสนามแม่เหล็กที่เหลืออยู่ ไม่ใช่อนุภาคนะครับ

แต่มันทำตัวเหมือนกับเป็นอนุภาค

และนี่คือสาเหตุที่เราเรียกมันว่า
การลอยตัวควอนตัมและการยึดตัวควอนตัม

จะเกิดอะไรขึ้นกับตัวนำยิ่งยวด
ถ้าเราเอามันไปอยู่ในสนามแม่เหล็ก

อย่างแรกเลยคือ มันมีสนามแม่เหล็กหลงเหลืออยู่ภายใน

และตัวนำยิ่งยวดไม่ชอบให้มันเคลื่อนที่ไปมา

เพราะการเคลื่อนไหวจะทำให้สูญเสียพลังงาน

และทำให้เสียสภาวะตัวนำยิ่งยวดไป

ดังนั้น มันจึงทำการยึดสนามแม่เหล็กพวกนั้นไว้

สนามแม่เหล็กตกค้างในตัวนำยิ่งยวดนี้ เรียกกันว่า ฟลักซอน

ฟลักซอนพวกนี้จะถูกยึดไว้อยู่กับที่

ทำไมน่ะหรือ ก็เพราะว่าการเคลื่อนที่

ของสารตัวนำยิ่งยวดจะทำให้มันเปลี่ยนสภาพไป

ดังนั้นเราจึงได้การยึดตัวควอนตัม ผมจะแสดงให้คุณดู

ผมมีตัวนำยิ่งยวดอยู่ชิ้นหนึ่ง ห่อไว้เพื่อจะคงความเย็นได้นาน

เมื่อผมวางมันลงบนแม่เหล็กธรรมดา

มันจะถูกยึดตัวลอยค้างกลางอากาศ

(ปรบมือ)

มันไม่ใช่แค่การลอยตัวธรรมดา ไม่ใช่แค่แรงผลักเท่านั้น

ผมสามารถจัดเรียงฟลักซอนใหม่ และมันจะถูกยึดตัวไว้ในรูปแบบใหม่

แบบนี้ หรือย้ายมันไปทางซ้ายหรือขวา

และนี่คือการยึดตัวควอนตัม
ซึ่งเป็นการล็อกสามมิติของตัวนำยิ่งยวด

แน่นอน ผมสามารถคว่ำมันแบบนี้

และมันจะยังคงถูกยึดอยู่

ตอนนี้เราเข้าใจแล้วว่า สิ่งที่เรียกว่า การลอยตัวนั้น ความจริงคือการยึดตัว

ครับ เราเข้าใจแล้ว

และคุณจะไม่ประหลาดใจถ้าผมจะใช้แม่เหล็กเป็นวงแบบนี้

ซึ่งมีสนามแม่เหล็กลักษณะเดียวกันทั้งวง

ทำให้ตัวนำยิ่งยวดสามารถหมุนรอบแกนแม่เหล็กได้อย่างอิสระ

นั่นเป็นเพราะว่า ยังมีการยึดตัวอยู่ ในระหว่างที่มันกำลังหมุนเป็นวง

เห็นไหมครับ ผมสามารถที่จะปรับมุม และทำให้ตัวนำยิ่งยวดหมุนต่อไปได้

เป็นการเคลื่อนตัวที่ไร้แรงเสียดทาน ยังคงลอยตัวอยู่ แต่ก็เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ

เรามีการยึดตัวควอนตัม และทำให้มันลอยตัวอยู่เหนือแม่เหล็กนี้

แต่มันมีฟลักซอนอยู่มากแค่ไหนละ มีสนามแม่เหล็กตกค้างอยู่แค่ไหนในแผ่นแค่นี้

เราสามารถคำนวณได้ครับ และมันก็มีอยู่เป็นจำนวนมาก

มีจำนวนถึงหนึ่งแสนล้าน "ก้อน" ของแม่เหล็กในแผ่นขนาดสามนิ้วนี้

แต่นั่นยังไม่น่าประหลาดใจนักครับ ยังมีสิ่งที่ผมยังไม่ได้บอกคุณอยู่

ที่เจ๋งก็คือ ตัวนำยิ่งยวดที่คุณเห็นอยู่นี้

หนาเพียงแค่ครึ่งไมครอนเท่านั้น มันบางมากจริงๆ

และชั้นบางๆ นี้สามารถยกน้ำหนักให้ลอยตัวได้ถึง
70,000 เท่าของน้ำหนัก

เป็นปรากฎการณ์ที่เหลือเชื่อ มันแข็งแรงมาก

ผมสามารถที่จะยืดขยายแม่เหล็กวงกลมนี้

และทำให้มันเป็นรางอย่างที่ผมต้องการ

ตัวอย่างเช่น ผมสามารถสร้างรางวงกลมขนาดใหญ่

และเมื่อวางแผ่นตัวนำยิ่งยวดลงไปบนราง

มันจะเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ

(ปรบมือ)

ไม่ใช่แค่นั้นนะครับ ผมสามารถที่จะปรับตำแหน่งของมัน อย่างนี้ แล้วก็หมุน

มันจะเคลื่อนที่ไปได้ในตำแหน่งใหม่

ผมสามารถลองทำสิ่งใหม่ๆ ได้ ลองทำอย่างนี้ดูกันดีกว่า

ผมสามารถเอาแผ่นตัวนำ วางไว้อย่างนี้

แล้วในขณะที่มันยังอยู่แบบนี้ อย่าไปไหนนะ

ผมจะลองย้ายตัวรางดู

และหวังว่า ถ้าผมทำมันได้ถูกต้อง

มันจะยังคงลอยค้างอยู่ได้

(ปรบมือ)

คุณเห็นแล้วใช่มั้ยครับ มันเป็นการยึดตัวควอนตัม ไม่ใช่การลอยตัว

ตอนนี้ ระหว่างที่ให้มันวนเป็นวงอยู่นี้

ผมจะเล่าให้คุณฟังเพิ่มเติมเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวด

เอาละ (หัวเราะ)

เรารู้แล้วว่า ตัวนำยิ่งยวดสามารถนำไฟฟ้าได้จำนวนมาก

และเราสามารถใช้มันสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงได้

แบบที่ต้องใช้ในเครื่องเอ็มอาร์ไอ หรือเครื่องเร่งอนุภาค

แต่เรายังสามารถที่จะเก็บพลังงานไว้ได้โดยใช้ตัวนำยิ่งยวด

เพราะมันไม่มีการศูนย์เสียพลังงาน

เราสามารถสร้างสายไฟฟ้า เพื่อส่งไฟฟ้าปริมาณมากระหว่างโรงไฟฟ้า

ลองนึกภาพดูว่า คุณสามารถสำรองไฟฟ้าสำหรับโรงไฟฟ้าได้โดยใช้สายไฟจากตัวนำยิ่งยวดเพียงเส้นเดียว

แล้วอะไรคืออนาคตของการลอยตัวควอนตัมและการยึดตัวควอนตัม

ผมอยากตอบคำถามนี้ด้วยตัวอย่างอันนี้

ลองนึกภาพดูว่าคุณมีแผ่นดิสก์ ลักษณะคล้ายกับที่ผมมีอยู่ในมือ

เส้นผ่าศูนย์กลางสามนิ้ว แตกต่างกันอย่างเดียวคือ

ชั้นตัวนำยิ่งยวด แทนที่จะหนาเพียงแค่ครึ่งไมครอน

แต่หนาซักสองมิลลิเมตร ซึ่งก็ยังบางมากอยู่

ชั้นตัวนำยิ่งยวดที่หนาสองมิลลิเมตรนี้ จะสามารถยกน้ำหนักได้ถึง 1000 กิโลกร้ม เท่ารถเล็กๆ คันหนึ่ง บนมือของผม

น่าทึ่งมาก ขอบคุณครับ

(ปรบมือ)