Chất siêu dẫn là gì?

Lịch sử nghiên cứu chất siêu dẫn

Người đầu tiên khám phá ra chất siêu dẫn là nhà vật lý người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes. Năm 1911, Onnes đang nghiên cứu tính chất điện của thủy ngân trong phòng thí nghiệm của ông tại Đại học Leiden ở Hà Lan thì phát hiện ra điện trở trong thủy ngân biến mất hoàn toàn khi ông hạ nhiệt độ xuống dưới 4,2 Kelvin (tương đương -268,95 độ C).

Để xác nhận kết quả này, Onnes cho dòng điện qua một mẫu thủy ngân siêu lạnh, sau đó ngắt kết nối pin. Ông phát hiện ra rằng, dòng điện vẫn tồn tại trong thủy ngân mà không suy giảm, xác nhận sự thiếu điện trở trong thủy ngân.

Đây được xem là đặc tính riêng thứ nhất của chất siêu dẫn, nếu đưa dòng điện vào mạch điện làm bằng chất siêu dẫn, năng lượng điện sẽ không bị tiêu hao trong quá trình truyền tải do không có trở kháng, mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng mới để giảm tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải.

Sau đó, các nhà vật lý đã dành nhiều thập kỷ cố gắng tìm hiểu bản chất của chất siêu dẫn và nguyên nhân gây ra nó. Họ phát hiện ra rằng, có nhiều nguyên tố và vật liệu, nhưng không phải tất cả, trở nên siêu dẫn khi được làm lạnh dưới một nhiệt độ tới hạn nhất định.

Năm 1933, các nhà vật lý Walther Meissner và Robert Ochsenfeld phát hiện ra một trong những tính chất kỳ lạ của chất siêu dẫn, khi chúng được đặt trong một từ trường. Ở nhiệt độ cao trên nhiệt độ chuyển tiếp và từ trường mạnh, các đường sức từ đi xuyên qua vật liệu như quy luật thông thường. Tuy nhiên, khi vật liệu đạt được siêu dẫn ở điều kiện làm lạnh xuống dưới nhiệt độ chuyển tiếp thì các đường sức từ bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn, nghĩa là từ trường yếu không thể thâm nhập sâu vào bên trong chất siêu dẫn. Đây được xem là đặc tính riêng thứ hai của chất siêu dẫn.

Năm 1957, các nhà vật lý John Bardeen, Leon N. Cooper và Robert Schrieffer đã phát triển một lý thuyết vi mô hoàn chỉnh về tính siêu dẫn, được gọi là lý thuyết BCS (Bardeen, Cooper và Schrieffer), mà họ đã công bố trên tạp chí Physical Review Letters. Lý thuyết BCS chứng minh nguyên nhân vật liệu trở nên siêu dẫn, do ở điều kiện nhiệt độ rất thấp, cho phép các điện tử tự do có thể bắt cặp với nhau và sắp xếp tạo thành chuỗi nối tiếp. Các điện tử chuyển động định hướng bên trong chất siêu dẫn mà không còn trở kháng, tức là dòng điện có thể chạy qua kim loại một cách hoàn hảo.

Tuy nhiên, điều này chỉ hoạt động ở nhiệt độ thấp. Khi kim loại trở nên quá nóng, các electron có đủ năng lượng để phá vỡ liên kết của các cặp Cooper và quay trở lại tạo ra điện trở. Đó là lý do tại sao Onnes, trong các thí nghiệm đầu tiên của ông, đã phát hiện ra rằng thủy ngân trở thành chất siêu dẫn ở nhiệt độ 4,19 K, chứ không phải 4,2 K.

Ứng dụng của chất siêu dẫn

Rất có thể bạn đã gặp phải chất siêu dẫn mà không nhận ra. Chất siêu dẫn có nhiều ứng dụng hằng ngày, như chế tạo cáp điện để truyền tải điện, đoàn tàu chạy trên đệm từ, máy chụp MRI dùng trong y tế, chế tạo máy gia tốc mạnh, chế tạo máy tính lượng tử…

Tàu đệm từ di chuyển với tốc độ cao đã trở thành ứng dụng tiêu biểu của vật liệu siêu dẫn. Nhật Bản, Đức là hai quốc gia đầu tiên trên thế giới thành công với dự án tàu đệm từ sử dụng công nghệ siêu dẫn từ những năm 1970. Việc sử dụng những nam châm siêu dẫn, tạo ra lực từ cho phép tàu đệm từ được nâng lên nhằm giảm thiểu ma sát trong quá trình trượt trên đường ray, giúp tàu di chuyển tốc độ nhanh hơn.

Trong chụp cộng hưởng từ MRI, thành phần quan trọng nhất là thỏi nam châm và được sử dụng nhiều nhất hiện nay là nam châm có tính siêu dẫn (superconducting magnet) để tạo ra từ trường mạnh.

Phân loại chất siêu dẫn

Chất siêu dẫn được chia thành hai loại chính: chất siêu dẫn nhiệt độ thấp (low-temperature superconductors - LTS) và chất siêu dẫn nhiệt độ cao (high-temperature superconductors - HTS). LTS có thể được mô tả bằng lý thuyết BCS để giải thích cách các electron hình thành các cặp Cooper, trong khi HTS sử dụng các phương pháp vi mô khác để đạt được điện trở bằng không.

Hầu hết các nghiên cứu lịch sử về tính siêu dẫn đều theo hướng LTS, bởi vì những chất siêu dẫn đó dễ khám phá và nghiên cứu nhiều hơn. Hầu như các ứng dụng của tính siêu dẫn đều liên quan đến LTS.

Ngược lại, nguồn gốc của HTS là một trong những vấn đề lớn chưa được giải quyết của vật lý hiện đại. Bất cứ thứ gì hoạt động như chất siêu dẫn trên 70 K thường được coi là HTS.

Thông thường, tính siêu dẫn chỉ có thể đạt được ở nhiệt độ rất lạnh. Các nhà nghiên cứu hiện đang cố gắng tìm kiếm và phát triển các chất siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, điều này sẽ cách mạng hóa việc vận chuyển và lưu trữ năng lượng.