KỈ NIỆM 100 NĂM KHÁM PHÁ RA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN
Paul Michael Grant (Physics World, tháng 4/2011)
Kể từ khi khám phá ra nó cách đây 100 năm trước, kiến thức của chúng ta về sự siêu dẫn đã phát triển qua một chặng đường chẳng êm ái gì cho lắm. Paul Michael Grant giải thích tại sao hiện tượng đẹp đẽ, tao nhã, và sáng giá này tiếp tục ngáng chân và làm tiêu tan hi vọng của các nhà vật lí vật chất ngưng tụ ngày nay.
Làm lạnh mẫu chất
Tháng 1 năm 2001, đúng một năm sau bình minh của thiên niên kỉ mới, Jun Akimitsu thuộc trường Đại học Aoyama-Gakuin ở Nhật Bản đã công bố tại một hội nghị về các oxide kim loại chuyển tiếp việc khám phá ra sự siêu dẫn ở magnesium diboride (MgB2) – một chất liệu đã được tổng hợp thành công lần đầu tiên gần 50 trước đó tại Viện Công nghệ California. Thật ra, Akimitsu và các đồng nghiệp đang tìm kiếm một cái khác – sự phản sắt từ - trong chất liệu này, nhưng bất ngờ tìm thấy MgB2, chất có cấu trúc xếp lớp lục giác và có thể chế tạo ở dạng vi tinh thể, trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ cao bất ngờ là 39 K. Khám phá trên đã thôi thúc nhiều nhà nghiên cứu khác bắt tay vào khảo sát chất liệu đơn giản này và, trong thập kỉ vừa qua, các dây MgB2 hiệu suất cao đã được người ta chế tạo ra. Thật vậy, MgB2 có từ trường tới hạn (giá trị mà trên đó sự siêu dẫn loại II biến mất) cao nhất trong bất kì chất liệu nào, trừ YBCO, với những tính toán cho thấy nó vẫn là chất siêu dẫn ở 4,2 K ngay cả khi chịu sự tác động của từ trường khủng khiếp cường độ 200 T.
Hình 3. Các chất siêu dẫn có thể tìm thấy trong mọi loại ứng dụng, một trong những ứng dụng nổi tiếngnhaats là trong các nam châm lưỡng cực tại Máy Va chạm Hadron Lớn ở CERN. Cỗ máy va chạm trên có 1232 nam châm như vậy, mỗi nam châm dài 15 m, gồm những cuộn dây niobium–titanium siêu dẫn được làm lạnh xuống tới 1,9 K bằng helium lỏng. Mang dòng điện 13.000 A, những nam châm này tạo ra từ trường cực cao có cường độ 8,3 T, giúp lái các proton đi vòng quanh cỗ máy va chạm chu vi đến 27 km. (Ảnh: CERN)
Tuy nhiên, còn có một bước ngoặc thú vị trong câu chuyện trên. Năm 1957, các nhà hóa học Robinson Swift và David White tại trường Đại học Syracuse ở New York đã đo nhiệt đặc trưng mạng của MgB2 giữ 18 K và 305 K để xem nó có phụ thuộc vào bình phương của nhiệt độ giống như những cấu trúc phân lớp khác hay không. Kết quả của họ, cho thấy không có sự phụ thuộc vào T2, được công bố trên Tạp chí của Hội Hóa học Mĩ, không thể hiện bằng đồ thị mà thể hiện bằng biểu bảng. Khi dữ liệu của họ được phân tích lại sau sự công bố hồi năm 2001 của Akimitsu và vẽ ở dạng đồ thị, Paul Canfield và Sergei Bud'ko tại trường Đại học Bang Iowa (cũng như tác giả bài viết này, làm việc độc lập nhau), bất ngờ tìm thấy một dị thường nhiệt đặc trưng nhỏ ở gần 38-39 K, cho thấy sự bắt đầu của sự siêu dẫn.
Câu hỏi đặt ra như sau: nếu như các nhà hóa học Syracuse vẽ đồ thị dữ liệu của họ và trình bày nó trước các đồng nghiệp vật lí, thì phải chăng lịch sử của sự siêu dẫn từ giữa thế kỉ 20 đã phát triển theo một lộ trình khác? Theo tôi, có khả năng là mọi kim loại chuyển tiếp niobium, thí dụ như các hợp kim niobium–titanium dùng trong các nam châm siêu dẫn tại Máy Va chạm Hadron Lớn của CERN, sẽ không bao giờ cần thiết, hoặc thậm chí được phát triển đầy đủ (hình 3). Các nam châm từ trường cao sẽ được chế tạo từ MgB2 và có lẽ cả những dây cáp điện siêu dẫn và động cơ quay chế tạo từ chất liệu bình thường này đã được sử dụng ngày nay.
Bài học rút ra thật rõ ràng: nếu bạn nghĩ bạn có một kim loại mới (hoặc cũ) có những tính chất cấu trúc hoặc hóa tính khác thường, như cái Holst, Bednorz và Akimitsu đã làm – bạn hãy làm lạnh nó. Thật vậy, Claude Michel và Bernard Raveau tại trường Đại học Caen ở Pháp đã chế tạo 123 hợp chất đồng oxide trước Chu đến bốn năm, nhưng vì không có thiết bị đông lạnh trong phòng thí nghiệm của họ - và vì do nhận thấy khó mà có được quyền sử dụng những cơ sở khác trong hệ thống ủy ban nghiên cứu quốc gia Pháp – nên họ đã bỏ lỡ cơ hội tự thực hiện các khám phá.
Sự siêu dẫn được xếp vào một trong những cái tối hậu về cái đẹp, tao nhã, và sâu sắc, cả về lí thuyết lẫn thực nghiệm, trong số mọi tiến bộ trong ngành vật lí vật chất ngưng tụ trong thế kỉ 20, mặc dù cho đến nay người ta chỉ tìm thấy vài ba ứng dụng có sự thâm nhập vào cuộc sống. Tuy nhiên, khuôn khổ BVS nền tảng của sự siêu dẫn dường như đã chạm sâu sâu vào phần lõi bên trong của các sao neutron, với sự ghép cặp của các quark fermion tính trong một trường gluon boson tính đang chịu nhiệt độ chuyển tiếp trong ngưỡng 109 K. Một thế kỉ sau Leiden, nói theo lời của Ella Fitzgerald thì “Bạn còn có thể đòi hỏi gì nữa chứ?’
-Hết-
Paul Michael Grant (W2AGZ Technologies, San Jose, California, Mĩ)
>> Phần 1: https://thuvienvatly.com/1407-hanh-trinh-huong-den-dien-tro-bang-khong-phan-1
>> Phần 2: https://thuvienvatly.com/1408-hanh-trinh-huong-den-dien-tro-bang-khong-phan-2
>> Phần 3: https://thuvienvatly.com/1409-hanh-trinh-huong-den-dien-tro-bang-khong-phan-3
