Vật liệu siêu dẫn (Superconducting Material)

Lịch sử

Siêu dẫn được phát hiện vào năm 1911 bởi Heike Kamerlingh Onnes khi ông quan sát thấy điện trở của thủy ngân giảm đột ngột về không ở nhiệt độ 4.2 Kelvin (-268.95°C). Kể từ đó, nhiều vật liệu siêu dẫn khác đã được phát hiện, bao gồm các kim loại, hợp kim, gốm sứ và thậm chí cả một số polymer.

Đặc điểm của vật liệu siêu dẫn

• Điện trở suất bằng không: Dưới nhiệt độ tới hạn $T_c$, điện trở của vật liệu siêu dẫn giảm về không. Điều này có nghĩa là dòng điện có thể chạy trong vật liệu siêu dẫn mà không bị mất năng lượng do nhiệt.
• Hiệu ứng Meissner: Khi một vật liệu siêu dẫn được làm lạnh dưới $T_c$ trong một từ trường yếu, từ trường sẽ bị đẩy ra khỏi vật liệu. Đây là một hiệu ứng khác biệt so với vật liệu dẫn điện hoàn hảo, vốn chỉ duy trì từ thông ban đầu. Hiệu ứng Meissner xảy ra do sự hình thành các dòng điện bề mặt trong vật liệu siêu dẫn, tạo ra từ trường ngược lại với từ trường ngoài, từ đó loại bỏ từ trường ra khỏi vật liệu.
• Nhiệt độ tới hạn ($T_c$): Mỗi vật liệu siêu dẫn có một nhiệt độ tới hạn $T_c$ riêng. Dưới $T_c$, vật liệu thể hiện tính siêu dẫn, còn trên $T_c$, nó hoạt động như một vật liệu dẫn điện thông thường.
• Từ trường tới hạn ($H_c$): Ngoài $T_c$, còn có một từ trường tới hạn $H_c$. Nếu từ trường ngoài vượt quá $H_c$, tính siêu dẫn sẽ bị phá hủy. Một số vật liệu có nhiều hơn một giá trị từ trường tới hạn.
• Dòng điện tới hạn ($J_c$): Mật độ dòng điện tối đa mà vật liệu siêu dẫn có thể mang mà không mất tính siêu dẫn được gọi là dòng điện tới hạn $J_c$.

Phân loại vật liệu siêu dẫn

Vật liệu siêu dẫn được phân loại thành hai loại chính dựa trên lý thuyết BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) và tính chất từ của chúng:

• Siêu dẫn loại I: Thường là các kim loại nguyên chất. Chúng có nhiệt độ tới hạn thấp và từ trường tới hạn nhỏ. Chúng thể hiện hiệu ứng Meissner hoàn toàn (loại bỏ hoàn toàn từ trường).
• Siêu dẫn loại II: Thường là các hợp kim và hợp chất. Chúng có nhiệt độ tới hạn cao hơn và từ trường tới hạn lớn hơn so với loại I. Chúng cho phép một phần từ thông xâm nhập vào vật liệu dưới dạng các xoáy lượng tử (Abrikosov vortices).

Ứng dụng của vật liệu siêu dẫn

Vật liệu siêu dẫn có nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa học và công nghệ, bao gồm:

• Nam châm siêu dẫn: Được sử dụng trong máy cộng hưởng từ hạt nhân (MRI), máy gia tốc hạt, tàu đệm từ, và các ứng dụng khác yêu cầu từ trường mạnh.
• Cáp điện siêu dẫn: Cho phép truyền tải điện năng với hiệu suất cao mà không bị tổn thất do điện trở.
• Thiết bị điện tử siêu dẫn: Sử dụng trong các mạch điện tử tốc độ cao và nhạy cảm, như SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) dùng để đo từ trường cực yếu.
• Máy phát điện và động cơ siêu dẫn: Có tiềm năng tạo ra các máy phát điện và động cơ hiệu suất cao và nhỏ gọn.

Nghiên cứu hiện tại

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc tìm kiếm các vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn cao hơn, lý tưởng là ở nhiệt độ phòng, để mở rộng ứng dụng của siêu dẫn trong cuộc sống hàng ngày. Việc hiểu rõ hơn về cơ chế siêu dẫn cũng là một lĩnh vực nghiên cứu sôi nổi.

Cơ chế siêu dẫn

Lý thuyết được chấp nhận rộng rãi nhất để giải thích siêu dẫn ở nhiệt độ thấp là lý thuyết BCS, được phát triển bởi John Bardeen, Leon Cooper, và John Robert Schrieffer vào năm 1957. Lý thuyết này mô tả sự hình thành các cặp Cooper, là các cặp electron liên kết với nhau thông qua tương tác với mạng tinh thể (phonon). Sự tương tác này tạo ra một lực hút giữa các electron, cho phép chúng di chuyển qua mạng tinh thể mà không bị tán xạ.

Trong siêu dẫn loại I, sự hình thành cặp Cooper dẫn đến một khe năng lượng $2\Delta$ trong phổ năng lượng của vật liệu. Khe năng lượng này ngăn cản sự tán xạ của các electron, dẫn đến điện trở bằng không.

Đối với siêu dẫn loại II, cơ chế phức tạp hơn. Từ trường có thể xâm nhập vào vật liệu dưới dạng các xoáy lượng tử. Mỗi xoáy mang một lượng tử từ thông $\Phi_0 = h/2e$, với $h$ là hằng số Planck và $e$ là điện tích cơ bản.

Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao

Vào cuối những năm 1980, một lớp vật liệu mới gọi là vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (high-$T_c$ superconductors) đã được phát hiện. Những vật liệu này, chủ yếu là các hợp chất cuprate (dựa trên đồng và oxy), có nhiệt độ tới hạn cao hơn đáng kể so với các siêu dẫn thông thường, một số vượt quá nhiệt độ nitơ lỏng (77 K). Cơ chế siêu dẫn trong vật liệu nhiệt độ cao vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn và đang là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực.

Vật liệu siêu dẫn mới

Nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc khám phá các vật liệu siêu dẫn mới, bao gồm:

• Siêu dẫn dựa trên sắt (Iron-based superconductors): Một lớp vật liệu siêu dẫn mới được phát hiện vào năm 2008. Chúng có cấu trúc lớp tương tự như cuprate và thể hiện nhiệt độ tới hạn tương đối cao.
• Hydride kim loại dưới áp suất cao: Dưới áp suất cực cao, một số hydride kim loại đã được chứng minh là thể hiện tính siêu dẫn ở nhiệt độ gần nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, yêu cầu áp suất cao hạn chế tính ứng dụng của chúng.

• J. Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer, “Theory of Superconductivity,” Physical Review, 108, 1175 (1957).
• M. Tinkham, Introduction to Superconductivity, 2nd ed. (Dover Publications, 1996).
• W. Buckel and R. Kleiner, Superconductivity: Fundamentals and Applications, 2nd ed. (Wiley-VCH, 2004).
• J. G. Bednorz and K. A. Müller, “Possible high T$_c$ superconductivity in the Ba−La−Cu−O system,” Zeitschrift für Physik B Condensed Matter, 64, 189 (1986).

Câu hỏi và Giải đáp

Câu 1: Ngoài lý thuyết BCS, còn có những lý thuyết nào khác được đề xuất để giải thích hiện tượng siêu dẫn, đặc biệt là trong vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao?

Trả lời: Mặc dù lý thuyết BCS giải thích tốt siêu dẫn ở nhiệt độ thấp, nó không hoàn toàn áp dụng cho siêu dẫn nhiệt độ cao. Một số lý thuyết khác đã được đề xuất, bao gồm lý thuyết dựa trên spin, lý thuyết sóng mật độ điện tích, và lý thuyết liên quan đến các dao động mạng tinh thể bất thường. Tuy nhiên, chưa có lý thuyết nào được chấp nhận rộng rãi để giải thích đầy đủ siêu dẫn nhiệt độ cao.

Câu 2: Làm thế nào để xác định nhiệt độ tới hạn ($T_c$) của một vật liệu?

Trả lời: $T_c$ được xác định bằng cách đo điện trở của vật liệu khi nhiệt độ giảm dần. Khi vật liệu chuyển sang trạng thái siêu dẫn, điện trở của nó sẽ giảm đột ngột về không. Nhiệt độ tại đó điện trở biến mất được định nghĩa là $T_c$.

Câu 3: Hiệu ứng Meissner có bị ảnh hưởng bởi cường độ của từ trường ngoài không? Nếu có, thì như thế nào?

Trả lời: Có, hiệu ứng Meissner bị ảnh hưởng bởi cường độ của từ trường ngoài. Khi từ trường ngoài vượt quá một giá trị tới hạn $Hc$, vật liệu siêu dẫn sẽ mất tính siêu dẫn và từ trường sẽ xâm nhập vào vật liệu. Đối với siêu dẫn loại II, có hai giá trị tới hạn $H{c1}$ và $H{c2}$. Giữa $H{c1}$ và $H{c2}$, từ trường xâm nhập vào vật liệu dưới dạng các xoáy lượng tử, trong khi ở trên $H{c2}$, vật liệu mất hoàn toàn tính siêu dẫn.

Câu 4: Những thách thức chính trong việc ứng dụng rộng rãi vật liệu siêu dẫn là gì?

Trả lời: Một số thách thức chính bao gồm: (1) Nhiệt độ tới hạn thấp của nhiều vật liệu siêu dẫn đòi hỏi hệ thống làm lạnh phức tạp và tốn kém. (2) Dòng điện tới hạn và từ trường tới hạn cũng giới hạn ứng dụng của một số vật liệu. (3) Tính giòn và khó chế tạo của một số vật liệu siêu dẫn cũng là một vấn đề.

Câu 5: Ngoài các ứng dụng đã đề cập, vật liệu siêu dẫn còn có tiềm năng ứng dụng nào khác trong tương lai?

Trả lời: Vật liệu siêu dẫn có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác, bao gồm: (1) Lưu trữ năng lượng hiệu quả. (2) Cảm biến siêu nhạy. (3) Thiết bị điện tử tốc độ cao và tiêu thụ năng lượng thấp. (4) Hệ thống giao thông vận tải tiên tiến hơn. (5) Ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.