Lý thuyết về siêu dẫn và ứng dụng

MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI PHẦN LÝ THUYẾT I Hiện tưởng siêu dẫn: Khái niệm Nhiệt ộ giới hạn ộ rộng chuyển pha Sự tồn siêu dẫn vật liệu 3.1 Điện trở kim loại Điện trở không II Vật liệu siêu dẫn: .6 Quá trình phát phát triển vật liệu siêu dẫn .6 1.1 Phát 1.2 Phát triển Tính chất từ 2.1 Tính nghịch từ vật dẫn lý tưởng .8 2.2 Vật siêu dẫn không lý tưởng 2.3 Hiệu ứng Meissner 10 2.4 Khái niệm dòng tới hạn từ trường tới hạn 11 Tính chất nhiệt 11 3.1 Sự lan truyền nhiệt chất siêu dẫn .11 3.2 Nhiệt dung chất siêu dẫn: .13 3.3 Độ dẫn nhiệt chất siêu dẫn .14 3.4 Hiệu ứng ồng vị 14 3.5 Các hiệu ứng nhiệt iện 15 III Các lý thuyết liên quan siêu dẫn 15 Entropi trạng thái siêu dẫn trạng thái thường 15 Sự xâm nhập từ trường vào chất siêu dẫn 16 IV Lý thuyết BCS 16 Lý thuyết BCS 16 Cặp Cooper 17 V Chất siêu dẫn nhiệt ộ cao .17 Sơ lược lịch sử phát triển chất siêu dẫn nhiệt ộ cao 17 Lý thuyết liên quan ến siêu dẫn nhiệt ộ cao 19 Một số loại siêu dẫn nhiệt ộ cao iển hình 20 3.1 Vài nét oxit siêu dẫn 20 3.2 Một số loại siêu dẫn nhiệt ộ cao iển hình chứa Cu Oxy 21 3.3 Một số vật liệu siêu dẫn nhiệt ộ cao khác 23 PHẦN ỨNG DỤNG .23 Máy phát iện siêu dẫn .23 Động siêu dẫn 24 Đệm từ (Bearings) 24 Siêu máy tính: 24 Lò phản ứng nhiệt hạch từ: .25 Truyền tải lượng (Electric Power Tranmission): .25 Cộng hưởng từ - MRI: 25 Tàu ệm từ Maglev: .26 LỜI KẾT .27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 LỜI MỞ ĐẦU Thực tế, xã hội ngày phát triển với thiết bị cơng nghệ tiên tiến, thơng minh, hiểu biết lĩnh vực liên quan tới công nghệ ngày phải ược nâng cao Các vấn ề lượng tử, vật lý ại thứ mà nhà khoa học ang ngày phát triển tìm hiểu Họ ang cố hoàn thiện khái niệm trừu tượng nắm rõ ược nguyên lý ể hiểu rõ vấn ề mà vật lý ại ề Chính mà vấn ề vật liệu siêu dẫn ang ề tài ược quan tâm giới khoa học Các nhà nghiên cứu nhà khoa học thấy ược khả phát triển ầy tiềm bí ẩn vật liệu siêu dẫn vơ vàng Đó lý ể chúng tơi lựa chọn siêu dẫn ề tài ể nghiên cứu báo cáo Trong báo cáo này, chúng tơi có trình bày vài nét trình phát triển lịch sử vật liệu siêu dẫn, lý thuyết khái niệm siêu dẫn hiệu ứng liên quan, ặc iểm iển hình tượng siêu dẫn, vật liệu siêu dẫn, cuối phần ứng dụng siêu dẫn ời sống – khoa học Qua ó chúng tơi hy vọng giúp người ọc nhận thức có nhìn cụ thể khái niệm vai trò siêu dẫn sống ại LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Siêu dẫn tượng ặc biệt số vật liệu nhiệt ộ vật liệu nhiệt ộ ịnh (tùy theo chất cấu thành vật liệu) iện trở suất vật liệu không khả dẫn iện vô Hiện tượng siêu dẫn lần ầu ược phát vào năm 1911, vùng nhiệt gần ộ K (≤ K) Ngồi người ta cịn phát ược chất siêu dẫn từ trường bên ln ln khơng có tượng xun ngầm lượng tử… Mãi sau gần thập kỉ người ta lý giải ược tượng kì diệu lý thuyết vi mô Và chất siêu dẫn ược ứng dụng rộng rãi thiết bị iện tử: Các thiết bị có ộ nhạy cao, ộ tin cậy cao ược chế tạo Một ví dụ iển hình máy chụp cộng hưởng từ dùng bệnh viện ngày ể chuẩn ốn xác bệnh tật bệnh nhân ( ược cấu thành từ cuộn dây tạo từ trường dây siêu dẫn) Ngoài vật liệu siêu dẫn nhiệt ộ cao ược nhà khoa học tìm mở giả thuyết rằng: “Có thể có vật liệu ạt trạng thái siêu dẫn nhiệt ộ phòng” Từ ó mở kỷ nguyên vật liệu siêu dẫn Các nhà khoa học miệt mài nghiên cứu ể tìm chứng minh giả thuyết úng Và úng họ ã thành công phần phát vật liệu siêu dẫn nhiệt ộ cao Tuy nhiên việc làm ược họ ã phải sử dụng áp suất vô lớn (sấp xỉ triệu lần áp suất khí quyển) Nhưng nhà khoa học tự tin khẳng ịnh có ngày ó, vật liệu siêu dẫn nhiệt ộ phịng áp suất chấp nhận ược ược tìm thấy Nhận tầm quan trọng vật liệu siêu dẫn khả phát triển tiềm tàng vật liệu siêu dẫn ược ứng dụng rỗng rãi nhiều lĩnh vực khác Các nhà khoa học ưa nhận ịnh việc phát siêu dẫn mang tính ột phá việc phát lượng tử Các vật liệu siêu dẫn ã mang ến nhiều lợi ích thay ổi lớn kĩ thuật, công nghệ kinh tế ời sống Chúng ta thấy ược tượng siêu dẫn ã mang ến cho khoa học ời sống ứng dụng rỗng rãi quan trọng Càng nhiều vấn ề liên quan ến vật liệu siêu dẫn ược tìm thấy ồng thời mở chương cho ngành vật liệu siêu dẫn Các khoa học ã phát vật liệu siêu dẫn nhiệt ộ phòng nhiên vấn ề áp suất ể vật liệu ạt trạng thái siêu dẫn lớn Điều thúc ẩy giấc mơ, hy vọng ngày ó, vật liệu siêu dẫn nhiệt ộ phòng với áp suất chấp nhận ược ược tìm thấy mở thêm nhiều ứng dụng thực tế Lúc vật liệu siêu dẫn ược rộng rãi xã hội ngày phát triển, nghiên cứu, ột phá chưa ược tìm ược phát triển mà vật liệu ược tìm Đấy lý mà nhóm chúng tơi chọn ề tài “Lý thuyết siêu dẫn ứng dụng nó” với mong muốn nâng cao hiểu biết người ọc vấn ề siêu dẫn, nhanh chóng tiếp cận với khoa học ại ứng dụng phát triển sau vật liệu siêu dẫn Hy vọng ề tài tư liệu bổ ích cho bạn sinh viên mong muốn tìm hiểu thêm tượng siêu dẫn PHẦN LÝ THUYẾT I Hiện tưởng siêu dẫn: Khái niệm - Siêu dẫn trạng thái vật lý vật chất phụ thuộc vào nhiệt ộ tới hạn,nó cho phép dịng iện chạy qua trạng thái khơng có iện trở ặt siêu dẫn vào từ trường từ trường bị ẩy khỏi - Đặc trưng chất siêu dẫn khả tải dòng iện chiều khơng có tiêu tốn lượng ẩy từ trường khỏi chất siêu dẫn ược giải thích lý thuyết BCS Trong ó, người ta kết luận chất siêu dẫn có cặp iện tử (cặp Cooper) Các cặp Cooperdi chuyển khơng có va chạm chất siêu dẫn nên khơng có iện trở Lý thuyết BSC ã giải thích thoả mãn cho vật liệu trở thành siêu dẫn nhiệt ộ thấp 240 C mà ngày hay gọi siêu dẫn cổ iển Nhiệt ộ giới hạn ộ rộng chuyển pha - Năm 1911, nhà vật lý Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes ã khảo sát iện trở kim loại khác vùng nhiệt ộ Heli Trong nghiên cứu iện trở thuỷ ngân (Hg), ông phát nhiệt ộ thấp iện trở Hg giảm T < 4K (2690 C) iện trở gần biến (xấp xỉ không) - Như vậy, nhiệt ộ mà ó iện trở hồn tồn biến (dịng iện chạy qua mà khơng gặp cản trở) ược gọi nhiệt ộ tới hạn nhiệt ộ chuyển pha siêu dẫn (kí hiệu TC) Có thể hiểu nhiệt ộ ó chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn Không phải chất có khả chuyển sang trạng thái siêu dẫn, chất ạt ược trạng thái ó ược gọi chất siêu dẫn - Và thực tế khơng có chất ạt tới T=0 K khơng có kim loại nguyên chất hoàn toàn nên iện trở vật dẫn lý tưởng - Khoảng nhiệt ộ từ iện trở bắt ầu suy giảm ột ngột ến ược gọi ộ rộng chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu ΔT) Ví dụ ộ rộng chuyển pha Hg ΔT = 5.10 K Độ rộng chuyển pha ΔT phụ thuộc vào chất vật liệu siêu dẫn Sự tồn siêu dẫn vật liệu - Tính siêu dẫn tồn nhiều kim loại, hợp kim, hợp chất - Trong trình nghiên cứu, người ta nhận thấy số chất không chuyên qua ược siêu dẫn: • Các kim loại hoá trị I • Các kim loại sắt từ phản sắt từ • Các kim loại ất (trừ Lantan) có quỹ ạo khơng lấp ầy - Ngồi ra, ể nhiệt ộ phịng, chất siêu dẫn không dẫn iện tốt kim loại thường Nhiều hợp chất siêu dẫn ược tạo nên từ chất thành phần chất siêu dẫn, - Các iểm chung khác hợp kim siêu dẫn, hợp chất siêu dẫn so với chất siêu dẫn ơn kim loại: • Nhiệt ộ chuyển pha siêu dẫn TC cao • Từ trường tới hạn H c1 H c2 • Khơng biểu hồn tồn úng với hiệu ứng Meissner • Độ rộng chuyển pha ∆T tương ối lớn • Khơng úng với hệ thức Silsbee 3.1 Điện trở kim loại - Bản thân vật dẫn phải có iện trở iện trở tất kim loại hợp kim giảm xuống bị làm lạnh - Trong cấu trúc tinh thể lý tưởng với nguyên tử nằm mạng tuần hoàn kim loại, “các iện tử dẫn” chuyển ộng tự dạng sóng suốt mà khơng tán xạ theo hướng khác Nói cách khác, dịng iện không gặp cản trở Tuy nhiên, mạng tuần hoàn tinh thể tồn khuyết tật làm tán xạ sóng iện từ ó sinh iện trở Hơn hai hiệu ứng gây iện trở: phá vỡ cấu trúc hoàn hảo mạng tinh thể tạp chất dao ộng nhiệt - Như vậy, hạ nhiệt ộ kim loại hay hợp kim, dao ộng nhiệt nguyên tử giảm xuống, ồng thời sóng iện từ tán xạ với tần số Điện trở khơng - Không thể chứng minh ược thực nghiệm iện trở thực tế iện trở chất siêu dẫn nhỏ ộ nhạy thiết bị o Khi ó, cho dịng iện chạy xung quanh xuyến siêu dẫn khép kín, ta nhận thấy dịng iện gần khơng suy giảm sau thời gian dài Giả thiết tự cảm xuyến L, ó thời iểm t = 0, ta bắt ầu cho dòng I(0) chạy vòng quanh xuyến, thời gian muộn t ≠ 0, cường ộ dịng iện chạy qua xuyến theo cơng thức: 𝑅 I(t) = I(0)𝑒(− 𝐿)𝑡 - Ở ây R iện trở xuyến Chúng ta o từ trường tạo dòng iện bao quanh xuyến Phép o từ trường không lấy lượng từ mạch iện mà cho ta khả quan sát dòng iện chuyển dịch khơng thay ổi theo thời gian xác ịnh ược iện trở kim loại siêu dẫn cỡ nhỏ 10-26 𝛺m Giá trị thoả mãn kết luận iện trở kim loại II Vật liệu siêu dẫn: Quá trình phát phát triển vật liệu siêu dẫn 1.1 Phát • Năm 1911, nhà vật lí người Hà Lan– Heike Kamerlingh Onnes ã làm thí nghiệm với thủy ngân nhận thấy phụ thuộc iện trở thủy ngân vào nhiệt ộ khác hẳn phụ thuộc ối với kim loại khác Khi nhiệt ộ thấp, iện trở thủy ngân không phụ thuộc vào nhiệt ộ nữa, phụ thuộc vào nồng ộ tạp chất Nếu tiếp tục hạ nhiệt ộ xuống tới Tc = -269o C (4,1o K), iện trở ột ngột hạ xuống cách nhảy vọt Hiện tượng nói gọi tượng siêu dẫn, Tc nhiệt ộ tới hạn • Việc tìm ược tượng lạ ã mở khám phá quan trọng ngành khoa học kỹ thuật Các nhà khoa học bắt ầu sử dụng chất siêu dẫn ể chế tạo vật chất có từ tính mạnh Với mục ích phục vụ cho lĩnh vực khoa học kỹ thuật sản xuất khác ời sống Tuy nhiên, việc ứng dụng tính siêu dẫn lên kim loại khiết chì, thiếc… lại cho từ trường nhỏ 1.2 Phát triển • Giai oạn năm 1930, nhà khoa học Liên Xô bắt tay vào chế tạo hợp kim siêu dẫn có giới hạn từ trường ạt tesla Hai hợp kim siêu dẫn gọi hợp kim niobi – ziriconi, hợp kim van i – gali Ngồi ra, cịn có số oxit kim loại kiểu cấu trúc A – 15 Ưu iểm vật chất siêu dẫn giai oạn khơng có iện trở, nhờ ó vừa làm giảm tĩnh iện, không gây tổn thất nhiệt, vừa tích nhỏ cơng suất lớn Giai oạn năm 60 kỷ XX, nhà khoa học ã nghiên cứu chế tạo ược loại vật liệu siêu dẫn có từ trường ạt ến 10 tesla Từ ó ược ứng dụng rộng lĩnh vực òi hỏi công nghệ kỹ thuật cao cộng hưởng từ hạt nhân, máy gia tốc, buồng bọt, máy phát iện… Thế nhược iểm vật liệu siêu dẫn hoạt ộng hiệu iều kiện nhiệt ộ thấp Điều khiến kỹ sư ối mặt với nhiều thách thức tốn nhiều chi phí ể tạo nên mơi trường nhiệt ộ thấp Đến tháng 1/1986 Zurich, hai nhà khoa học Alex Muller Georg Bednorz tình cờ phát chất gốm mà yếu tố cấu thành là: Lantan, Đồng, Bari, Oxit kim loại Chất gốm trở nên siêu dẫn nhiệt ộ 35 ộ K Một thời gian ngắn sau, nhà khoa học Mỹ lại phát chất gốm tạo thành chất siêu dẫn nhiệt ộ tới 98 ộ K Điều quan trọng chúng làm lạnh Nitơ hố lỏng Đó thứ rẻ tiền dễ thao tác so với Heli lỏng Người ta gọi ó chất siêu dẫn Kết kích thích nhà khoa học ua i tìm chất gốm có ặc tính siêu dẫn nhiệt ộ K ngày cao ể mang lại thuận tiện ỡ tốn ứng dụng siêu dẫn vào ời sống • Cho ến nay, nhiệt ộ cao ạt ược với chất gốm siêu dẫn 125 ộ K Nhưng thực tế cho thấy, chất gốm ược tạo thành siêu dẫn nhiệt ộ ộ cao 100 ộ K lại tỏ không ược ổn ịnh nhanh chóng i tính siêu dẫn Đây trở ngại lớn ường chinh phục siêu dẫn Sự phá huỷ ặc tính siêu dẫn ảnh hưởng từ trường mạnh ược giải thích sau: Đó "vịng xốy từ" (tức ường từ tính chuyển ộng bên chất liệu, xốy nước i dịng nước), xoáy di chuyển, tạo iện trường ngăn chặn dịng iện di chuyển tự do, sinh tính siêu dẫn vật liệu • Gần ây, nhà khoa học Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg (Người Nga) Anthony Leggett (người Mỹ gốc Anh) ã óng góp nhiều vào lĩnh vực lý thuyết siêu dẫn mở nhiều hướng ứng dụng với công nghệ cao lĩnh vực máy tính, truyền tải iện siêu hiệu Những thành họ ược ánh giá chất siêu dẫn hệ ba nhà khoa học ã ược nhận giải Nobel vạt lý vào năm 2003 • Nói vật liệu siêu dẫn mới, ta không ề cập tới thành cơng ây người Nhật, ó là, nhà khoa học thuộc Trường ại học Aoyama - Gakuin Tokyo ã tìm vật liệu siêu dẫn từ phi kim loại Magie (Mg), Bo (B) Điều làm cho trở nên rẻ tiền chất siêu dẫn làm việc nhiệt ộ -133 ộ C Nghĩa ưu việt Keramik người Mỹ Thành công trân trọng, mở tìm chất bán dẫn từ phi kim loại vật liệu rẻ tiền, mà nhiệt ộ ể tạo thành chất siêu dẫn chấp nhận ược • Mới ây nhất, năm 2015, giới khoa học phát loại chất siêu dẫn nhiệt ộ cao mới, ó sắt selenide dày lớp nguyên tử có khả siêu dẫn 65 ộ K • Ở nước ta, nghiên cứu siêu dẫn ã ược nhà khoa học Trường ại học Tổng hợp Hà Nội trước ây, Đại học Quốc gia Hà Nội thực khoảng gần hai chục năm qua (tác giả viết 15 năm trước ây ã ến thăm phịng thí nghiệm trên) Các nhà khoa học làm lạnh Nitơ lỏng ã tạo ược số vật liệu siêu dẫn thuộc loại rẻ tiền Tuy nhiên, chưa có thị trường, hay úng tiềm tài ất nước cịn hạn hẹp, nên lĩnh vực cơng nghệ cao ta chưa thể tiến xa ược • Sau ây bảng thống kê số chất siêu dẫn iển hình ã ược phát theo thời gian: Tên vật liệu Nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (TC) [K] Năm phát Hg 4.2 1911 Pb 7.2 1913 Nb 9.2 1930 Nb3Sn 18,1 1954 Nb3(Al0.75 Ge0.25) 20-21 1966 Nb3Ga 30.3 1971 Nb3Ge 23.2-23.9 1973 BaPb1-xBixO3 13 1974 La1—xCaxMnO3-Ba-Cu-O 30-40 1986 Y(Re)-Ba-Cu-O 80-90 1987 Bi-Sr-Ca-Cu-O 110-120 1988 TI-Ba-Ca-Cu-O 115-125 1988 KxC 50 18-30 1991 Hg-Ba-Ca-Cu-O 90-161 1993 (NH3)4Na2CsC 60 33 1994 Y-Pd-B-C 23 1994 Ln(Re)-Ni-B-C 13-17 1994 (Ca,Na)2CaCu2O4Cl2 49 1995 Ba-Ca-Cu-O 126 1996 Li2BeH4 1997 Bi-Ba-Ca-CuO 126-130 1997 (CuTI)Ba 2Can-1CunO2n+4-y 121 1998 MgB 39 2000 Tính chất từ 2.1 Tính nghịch từ vật dẫn lý tưởng - Giả thiết rằng: mẫu vật kim loại ược làm lạnh xuống nhiệt ộ chuyển pha trở thành vật dẫn hồn hảo Điện trở vịng quanh oạn ường khép kín tưởng tượng bên kim loại Do ó tổng từ thông bao quanh vật không ổi Trường hợp úng mật ộ từ thông iểm bên kim loại không thay ổi theo thời gian: ⃗𝑑𝐵⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐵⃗⃗⃗⃗⃗ = ( = 0) 𝑑𝑡 - Đó phân bố từ thơng kim loại cần phải ược trì giống trước kim loại iện trở - Giả sử mẫu kim loại bị iện trở khơng có từ trường ngồi tác dụng Vì mật ộ từ thơng kim loại khơng thay ổi, phải chí sau có từ trường ặt vào Trong thực tế, từ trường có tác dụng nên mẫu siêu dẫn gây ta dòng iện chạy quanh bề mặt mẫu vậy, tạo mật ộ từ thơng nơi lịng mẫu, xác ngược chiều với mật ộ từ thông từ trường ngồi Vì dịng khơng biến mất, nên mật ộ từ thông mạng bên vật liệu trì Các dịng mặt I sinh mật ộ bên kim loại Các dòng mặt thơng thường ược gọi dịng chắn - Mật ộ từ thơng tạo nên dịng mặt dư không biến biên mẫu tạo nên, mà ường từ thông tạo thành ường cong khép kín liên tục vịng qua khơng gian bên ngồi mẫu kim loại, mật ộ từ thông nơi bên kim loại nhau, ngược với từ thơng từ trường ngồi sinh - Xét trình tự khác cho việc làm lạnh ối với vật liệu khơng có iện trở Cho từ trường B a ược ặt vào mẫu nhiệt ộ chuyển pha Sau ó mẫu ược làm lạnh ến nhiệt ộ thấp cho iện trở biến Sự biến iện trở khơng gây ảnh hưởng lên ộ từ hóa phân bố từ thơng trì khơng ổi Khi giảm từ trường mật ộ từ thơng bên kim loại có ộ dẫn lý tưởng khơng thể thay ổi dòng bề mặt xuất ể trì từ thơng bên - Qua ó, ta thấy trạng thái từ hóa vật dẫn vật lý tưởng không xác ịnh iều kiện ngồi, mà cịn phụ thuộc vào chuỗi iều kiện vị trí ang tồn 2.2 Vật siêu dẫn khơng lý tưởng - Trong thực tế, khó tồn mẫu hồn hảo chế tạo ược cho chúng thể tính chất gần giống vật liệu lý tưởng Mẫu lý tưởng có từ trường tới hạn sắc nét ường cong từ hóa hồn tồn thuận nghịch Có thể thấy ộ từ hóa khơng thuận nghịch từ trường tăng giảm, ường cong từ hóa biểu khác Ở ây xuất hiện tượng từ trễ Khi từ trường giảm ến cịn sót lại chút ộ từ hóa dương mẫu làm tăng mật ộ từ thơng riêng B ộ từ hóa I r Đó tượng từ thông bị hãm Trong iều kiện này, siêu dẫn giống nam châm vĩnh cửu Như mẫu khơng lý tưởng cho thấy: T + Có ba từ trường giới hạn khác (HC1 , HC2 H C3 ) + Có ường cong từ trường trễ + Có từ thơng bị hãm - Các biểu không cần thiết phải xuất Các sai hỏng bao gồm số lớn nguyên tử hạt vật thể khác sai hỏng mạng, có khả làm tăng tính từ trễ bẫy từ thông Các nguyên tử tạp chất phân bố không ồng ều thành phần mẫu làm giảm ộ sắc nét từ trường tới hạn mẫu không lý tưởng + Tại T < Tc nhiệt dung siêu dẫn giảm mạnh khơng tuyến tính cho ến - Ở nhiệt ộ chuyển pha, entropy trạng thái siêu dẫn trạng thái thường Nói cách khác, iểm chuyển pha, entropy hệ không thay ổi ó ẩn nhiệt Latent Trong trường hợp có từ trường tác dụng (H ≠0), mẫu chuyển pha vùng T ≤ TC trình chuyển pha có kèm theo ẩn nhiệt ó chuyển pha loại I - Sự tăng, giảm entropy q trình chuyển pha siêu dẫn có liên quan trực tiếp ến nhiệt dung 3.3 Độ dẫn nhiệt chất siêu dẫn - Độ dẫn nhiệt (k) kim loại vấn ề phức tạp Đây tốn q trình khơng cân với thành phần a dạng - Ta biết rằng, lượng nhiệt ược truyền kim loại iện tử photon Quá trình truyền nhiệt trình truyền nhiệt va chạm hạt tải với loại ó, với loại hạt tải khác, với sai hỏng mạng biên hạt Cơ chế phụ thuộc nhiệt ộ, nồng ộ, tạp chất vá kích thước mẫu Ở trạng thái siêu dẫn phụ thuộc vào từ trường xốy từ Vì vậy, khó làm sáng tỏ óng góp vào ộ dẫn nhiệt vật trạng thái siêu dẫn, mà xác ịnh ược thành phần tương ối ơn giản ể phân tích trình thực nghiệm - Các kết thực nghiệm cho rằng: Thông thường ộ dẫn nhiệt (k) trạng thái siêu dẫn thấp nhiều so với trạng thái thường Trạng thái siêu dẫn, ộ dẫn nhiệt vật liệu (kSD) giảm mạnh vùng nhiệt ộ T < Tc Về mặt ịnh lượng, giả ịnh mơ hình hai chất lỏng Bản chất là: Khi nhiệt ộ giảm, nồng ộ chất siêu chảy iện tử tăng lên (electron superfluid) Chất siêu chảy iện tử Heli lỏng không mang lượng ộ dẫn nhiệt bị giảm xuống theo nhiệt ộ Trong nhiều chất siêu dẫn T < Tc ộ dẫn nhiệt giảm xuống xấp xỉ - Như vậy, cho iện tử siêu dẫn khơng óng vai trị dẫn nhiệt Tính chất khơng ược áp dụng ể chế tạo công tắc nhiệt siêu dẫn kĩ thuật nhiệt ộ thấp - Trong số hợp kim hợp chất siêu dẫn, người ta quan sát thấy ộ dẫn nhiệt tăng vùng chuyển pha, sau ó giảm theo nhiệt ộ Hiện tượng ược Hulm giải thích là: Trong siêu dẫn loại II, trình chuyển pha siêu dẫn ã có tán xạ nhẹ sóng phonon lên iện tử làm tăng бSD ( ộ dẫn nhiệt) Các sóng dần theo giảm nhiệt trạng thái siêu dẫn 3.4 Hiệu ứng ồng vị - Kinh nghiêm cho thấy nhiệt ộ tới hạn chất siêu dẫn (TC) thay ổi theo khối lượng ồng vị Maxwell, Regnols ồng nghiệp lần ầu tiên ã tiến hành thí nghiệm chứng minh vấn ề Một số kết ã ươc kiểm ịnh ồng vị Pb Hg, nhiệt ộ chuyển pha (TC) thay ổi theo khối lượng ồng vị như: o TC = 4,185 K khối lượng ồng vị M 199,5 TC = 4,146 K M 203,4 - Các kết thực nghiệm thu ươc thỏa mãn hệ thức sau: 𝑀𝛼𝑇 𝑐 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 𝑣ớ𝑖 𝛼 = - Trong dãy ồng vị, tỷ lệ nhiệt dộ tới hạn (TC) niệt ộ Debye (θ ) số: D 𝑇𝑐 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 Ө𝐷 - - Một số giá trị thực nghiệm xác ịnh α ược ghi bảng: Vật liệu α Vật liệu α Zu 0.45±0.05 Ru 0.00±0.05 Cd 0.32±0.07 Os 0.15±0.05 Su 0.47±0.02 Mo 0.33±0.00 Hg 0.50±0.03 Nb3 Su 0.08±0.02 Pb 0.49±0.02 Zr 0.00± 0.05 Từ phụ thuộc nhiệt ộ TC vào khối lượng ồng vị cho thấy tác dụng quan trọng dao ộng mạng ến chất siêu dẫn ó tương tác iện tử mạng quan trọng trạng thái siêu dẫn Đây phát minh Bản chất hiệu ứng ồng vị là: nhiệt ộ chuyển pha siêu dẫn TC phụ thuộc vào số nơtron hạt nhân 3.5 Các hiệu ứng nhiệt iện - Cả lý thuyết thực nghiệm ều cho thấy hiệu ứng nhiệt iện không suất chất siêu dẫn - Tuy nhiên hiệu ứng nhiệt xuất số chất siêu d ẫn loại II III Các lý thuyết liên quan siêu dẫn Entropi trạng thái siêu dẫn trạng thái thường - Ta tính hiệu entropi trạng thài siêu dẫn trạng thái thường thuyết nhiệt ộng lực học, có kết từ trường không ổi là: ∆𝑆 = 𝑆𝑁 −𝑆𝑆 = −1 𝐻𝐶 𝑑𝑇 𝑑𝐻𝐶 4𝜋 - Từ trường tới hạn giảm nhiệt ộ tăng nên dHCdT luôn âm, nghĩa vế bên phải phương trình ln dương - Như ∆S > nghĩa entropi trạng thái siêu dẫn nhỏ trạng thái thường lý thuyết nhiệt ộng học ta ẽ tìm tính chất giảm entropi trạng thái siêu dẫn ã quan sát ược thực nghiệm Sự xâm nhập từ trường vào chất siêu dẫn - Khi giải thích hiệu ứng Meissner từ thơng bị ẩy khỏi chất siêu dẫn (B=0), người ta cần giả ịnh chất siêu dẫn nghịch từ lý tưởng Giả ịnh úng cho chất siêu dẫn lý tưởng (siêu dẫn loại I) khơng tính ến vấn ề từ thơng thấm sâu vào vật liệu siêu dẫn loại II - Lý thuyết London ã thiết lập ược phương trình biến ổi từ phương trình nhiệt ộng lực ể nhận lại hiệu ứng Meissner Như lý thuyết London ã chứng minh ược tồn hiệu ứng Meissner chất siêu dẫn - Phương trình London: 𝑗 = − 𝑐.𝐴 𝟐 (2) 4𝜋𝝀𝑳 - Biểu diễn phương trình London thành dạng liên quan ến từ trường bên chất siêu dẫn, ó cảm ứng từ 𝐵⃗⃗⃗⃗⃗ = 𝑟𝑜𝑡𝐴 - Lấy rot hai vế phương trình (2) sử dụng phương trình Maxwell iện ộng lực học: 𝑟𝑜𝑡𝐵⃗⃗⃗⃗⃗ = 𝜋𝑗 𝑐 Thực biến ổi toán học ta ược phương trình: ⃗ 𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗ 𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗ 𝟐 𝝀𝑳 - Phương trình có nghiệm B=0 từ trường ồng khơng thể tồn chất siêu dẫn B=const Ở ây L số o ộ dài thẩm sâu từ trường vào chất siêu dẫn ược gọi ộ thẩm sâu London  Kết luận: kết mô tả úng với hiệu ứng Meissner lòng chất siêu dẫn mà thực nghiệm qua sát thấy dù úng hoàn toàn cho chất siêu dẫn loại I IV Lý thuyết BCS Lý thuyết BCS - Ba nhà khoa học Bardeen, Cooper Schrieffer ưa lý thuyết BCS vào năm 1957 ã giải thích thỏa tất kết thực nghiệm mà lý thuyết trước ó khơng làm ược Chúng ta xem xét sơ lược lý thuyết theo quan iểm lượng tử + Có hai kết thực nghiệm ể kiểm tra lý thuyết ó là: Nhiều lý thuyết trước ây ều dựa sở iện tử tương tác trực tiếp lẫn thông qua tương tác ẩy Coulomb • Hiệu ứng ồng vị (isotop) cho biết rằng, khối lượng hạt nhân nguyên tử (số neutron) óng vai trò việc ịnh giá trị nhiệt ộ TC Vậy là, tượng siêu dẫn có vai trò dao ộng mạng chuyển ộng hạt nhân nguyên tử Như vậy, lý thuyết BCS không dựa ặc trưng tương tác ẩy Coulomb iện tử, mà dựa tương tác hút electron – photon Thực nghiệm cho thấy trạng thái bản, phổ lượng kích thích iện tử kim loại có trạng thái (trạng thái thường) thay ổi liên tục bắt ầu từ cho ến ạt ược giá trị 2Δ trạng thái siêu dẫn (ví dụ siêu dẫn chì (Pb) là: 2Δ m ≈ 3kB TC) Giá trị khe lượng 2Δ ược gọi khe lượng Như khe lượng ược sinh vùng bị kích thích Ý nghĩa là: Các trị iện tử trạng thái siêu dẫn ã tạo thành cặp liên kết phải cần lượng úng giá trị khe (2Δ) làm tách chúng ược Cặp Cooper - Cách xử lý ối với siêu dẫn gợi ý hai electron ược ghép cặp với khoảng cách cỡ hàng trăm nano mét, gấp hàng nghìn lần khoảng cách phân tử mạng tinh thể - Sự kết hợp cặp electron sở lý thuyết siêu dẫn BCS Ảnh hưởng sức hút mạng lưới electron thường ẩy thành cặp lượng liên kết có bậc cỡ MeV ủ sức liên kết chúng thành cặp nhiệt ộ thấp + Một electron tương tác với mạng tinh thể gây sóng xung ộng ường i + Một electron khác di chuyển ngược chiều tương tác khoảng cách ó - Mơ hình cặp Cooper: V Chất siêu dẫn nhiệt ộ cao Sơ lược lịch sử phát triển chất siêu dẫn nhiệt ộ cao - Siêu dẫn nhiệt ộ cao vật lý học, nói ến tượng siêu dẫn mà có nhiệt ộ chuyển pha siêu dẫn từ vài chục Kelvin trở lên Các tượng ược khám phá từ năm 70, 80 kỉ 19 lý thuyết BCS giải thích ược thành cơng với chất siêu dẫn cổ iển ược tìm thấy trước ó - Cột mốc lịch sử ược ý vào năm 1974, vật liệu gốm siêu dẫn ược phát với hợp chất BaPb1-x Bix O3 (x = 0.25) có TC cực ại cỡ 13 K (≈-260o C) Mặc dù chuyển pha hợp chất không cao mở hướng khai thác mới: o Có thể tìm kiếm vật liệu siêu dẫn hợp chất gốm, kim loại hay phi kim - Heli với nhiệt ộ chuyển pha siêu dẫn TC khơng q 24 K vịng 75 năm (1911 – 1985) môi trường ể nguyên cứu vật liệu siêu dẫn Việc tồn tính siêu dẫn vùng nhiệt ộ Heli hạn chế lớ việc nghiên cứu ứng dụng ối với nhiều phịng thí nghiệm giới, vấn ề tạo Heli lỏng trình phức tạp tốn - Ngày 27 tháng 01 năm 1986, hai nhà vật lý K.A.Müller J.G.Bednorz làm việc phịng thí nghiệm hãng IBM Zurich (Thụy Sĩ) ã cơng bố tạp chí “Zeitschrift Fur Physik” Đức rằng: “Hợp chất gốm Ba0,75 La4,25Cu5O4(3-y) có iện trở giảm mạnh vùng 30 - 35K trở không 12 K Phát minh làm chấn ộng dư luận toàn giới Một lần nhà khoa học ã quay lại với phát siêu dẫn có hợp chất gốm (1974) Phát minh Müller Bednorz mở chân trời ầy hy vọng, có sức hấp dẫn lôi a số nhà vật lý tồn giới, phát súng ại bác mở ầu cho công mạnh mẽ vào lĩnh vực khoa học hoàn toàn mới: “lĩnh vực siêu dẫn nhiệt ộ cao” - Tiếp sau phát minh Müller Bednorz, năm 1986 nhóm TOKYO ã xác inh ược (La0.85 Ba0.15)2 CuO4−δ có cấu trúc Perovkite loại K NiF4 TC cỡ 30 K Nhóm Houston ã nghiên cứu hiệu ứng áp suất cao hợp chất gốm tìm thấy TC tăng cỡ 1K/kbar, ồng thời xác ịnh ược nhiệt ộ bắt ầu chuyển pha cỡ 57 K áp suất 12 kbar - Sau kết nhóm Houston- 39 Alabamad ã thay lượng nhỏ Ba Sr ã xác ịnh ược nhiệt ộ bắt ầu chuyển pha siêu dẫn TC 42,5K hợp chất (La0.85 Ba0.15)2 CuO4−δ áp suất thường Nhiều phịng thí nghiệm khác nghiên cứu siêu dẫn nhiệt ộ cao giới A&T.Bell, Beijing, Belcore, Argone, Naval Research Laboratory khẳng ịnh kết ược nghiên cứu ây - Cho ến năm 1991,một số nhà khoa học ã tìm siêu dẫn cịn có hợp chất hữu K x C60 với nhiệt ộ chuyển pha lên ến 28 K Một phát quan trọng vào năm ó nhà khoa học AT&T ã tìm thấy siêu dẫn hữu chất C60Rb3 có nhiệt ộ TC cỡ 30 K Kết ngạc nhiên lớn cho nhà khoa học, khơng ngạc nhiên siêu dẫn thực tồn trrong chât hữu mà chế siêu dẫn nhiệt ộ cao gây lớp Cu-O vật liệu ã trở nên khơng cịn ý nghĩa Phải chăng, hướng trrong siêu dẫn nhiệt ộ cao cần ược hình thành ể giải thích cho tồn siêu dẫn hợp chất ược gọi “Fullerence” - Một phát quan tâm ngày 20/01/1994 nhóm tác giả R.J.Cava ã cơng bố tìm thấy siêu dẫn hợp chất Intermetallic-LnNi B C (Ln=Y, Tm, Er, Ho, Lu) có nhiệt ộ TC = 13-17 K Mặc dù TC hợp chất không cao ây phát minh quan trọng mở ường tìm kiếm vật liệu siêu dẫn hợp kim liên kim loại (Intermetallic) vật liệu từ - vấn ề mà từ trước ến người ta cho khơng có khả tồn siêu dẫn - Vào năm 2015, nhà nghiên cứu Mikhail Eremets Viện Hóa học Max Planck dẫn ầu ã báo cáo tạp chí Nature họ ã phát hiện tượng siêu dẫn 203 ộ K H S (một hợp chất hydro lưu huỳnh) ược nén 155 gigapascal (GPa), gấp triệu lần áp suất khí Trái ất Trong năm tiếp theo, Eremets người khác ã tăng TC lên ến 250 ộ K hợp chất giàu hydro có chứa lanthanum Nhưng giải phóng áp suất, tất hợp chất ó tan rã - Dias ồng nghiệp ơng nghĩ họ ẩy TC lên cao cách thêm nguyên tố thứ ba: carbon - nguyên tố tạo liên kết bền chặt với nguyên tử lân cận - Họ nạp hạt rắn nhỏ carbon lưu huỳnh ược trộn với vào tế bào e kim cương, sau ó ưa thêm vào ba loại khí: hydro, hydro sulfide methane Sau ó, họ chiếu tia laser màu xanh lục xun qua viên kim cương, kích hoạt phản ứng hóa học biến hỗn hợp thành tinh thể suốt - Sau ó, họ tăng áp suất lên 148 GPa kiểm tra ộ dẫn iện mẫu qua dây dẫn iện, họ phát tinh thể trở nên siêu dẫn 147 ộ K Bằng cách tăng áp suất lên 267 GPa, nhóm nghiên cứu ã ạt ược TC 287 ộ K, nhiệt ộ phòng lạnh hầm rượu Các phép o từ trường cho thấy mẫu ã trở nên siêu dẫn, Dias ồng nghiệp ông báo cáo tuần tạp chí Nature - "Các kết tin cậy," Erements nói Tuy nhiên, ơng lưu ý nhóm Rochester chưa thể xác ịnh cấu trúc xác hợp chất siêu dẫn Các nhà nghiên cứu sớm bắt tay vào giải câu hỏi ó họ bắt ầu thay nguyên tố khác hỗn hợp ba thành phần với hy vọng tạo chất siêu dẫn nhiệt ộ cao - Đây tiền ề ể nhà khoa học nghiên cứu thêm tìm chất siêu dẫn nhiệt ộ phòng ổn ịnh kể giải phóng áp suất Lý thuyết liên quan ến siêu dẫn nhiệt ộ cao - Do ặc iểm vật liệu siêu dẫn nhiệt ộ cao ều có cấu trúc gồm mặt tinh thể oxit ồng, nên mơ hình lý thuyết thường tập trung vào giải toán mạng tinh thể oxit ồng khơng gian hai chiều Mơ hình lý thuyết ơn giản ược ề mơ hình Hubbard hai chiều nhằm mơ tả cấu trúc tinh thể - Cũng giống tượng siêu dẫn nhiệt ộ thấp, nhà vật lý lý thuyết cho nguyên nhân tượng siêu dẫn xuất "cặp iện tử Cooper" Các cặp iện tử khơng cịn tn theo ngun lý loại trừ Pauli tạm hiểu hai iện tử ược liên kết tạo thành dạng phân tử Bose Do ó cặp iện tử ngưng tụ lại trạng thái lượng tử nhiệt ộ thấp nhiệt ộ chuyển pha ó, gần giống tượng ngưng tụ Bose vật lý nguyên tử lạnh Chúng tạo trạng thái lượng tử ồng pha nguyên nhân tượng siêu dẫn Tuy nhiên, ể tạo cặp iện tử Cooper ta cần tương tác hút hiệu dụng iện tử, tương tự tương tác " iện tử với phonon" lý thuyết BCS Cho ến nguyên nhân tương tác ó chưa ược tìm chưa ược tất nhà khoa học ồng tình - Từ phát tính chất vật liệu siêu dẫn nhiệt ộ cao trạng thái không siêu dẫn, hướng nghiên cứu ược quan tâm xuất phát từ trạng thái hệ oxit ồng chưa ược cấy nguyên tử lạ "chất cách iện Mott" Ví dụ lý thuyết RVB Philip Anderson ( oạt giải thưởng Nobel vật lý năm 1977) vào năm 1987, 1988 nhằm giải thích siêu dẫn nhiệt ộ cao Lý thuyết ề trạng thái RVB cộng 41 hưởng (hay chồng chập) tất trạng thái mà ó có liên kết hóa trị iện tử nút tinh thể kề Sau người ta ã chứng minh trạng thái trạng thái hệ không cấy nguyên tử lạ Nhưng năm cuối thập kỉ 1990, Philip Anderson ã hoàn thiện lý thuyết cho nồng ộ chất ược cấy ghép vào hệ oxit ồng nguyên nhân khiến trạng thái RVB trở nên bền - Tuy nhiên cho ến chưa lý thuyết ủ hồn thiện ể giải thích ầy ủ tính chất cấu trúc vật liệu Ngồi tính tốn lý thuyết, phương pháp mơ số óng vai trị quan trọng Hiện phương pháp DMFTvà phiên mở rộng C-DMFT ang cho kết phù hợp với thực nghiệm *DMFT: lý thuyết trường trung bình ược bắt ầu giới thiệu phát triển từ ầu năm 1990 hai nhà vật lý Antoine Georges (Pháp) Gabriel Kotliar (Mỹ) Cho ến nay, lý thuyết ang ược dần hoàn chỉnh với phiên CDMFT (Cluster-DMFT) Một số loại siêu dẫn nhiệt ộ cao iển hình 3.1 Vài nét oxit siêu dẫn - Dấu ấn ầu tiên lịch sử phát siêu dẫn có oxit ó chất SrTiO Schooley, Hooler Cohen tìm thấy năm 1964 với nhiệt ộ chuyển pha TC 0.25 K hạt tải iện tử n = 3.1019/cm3 Hiện tượng không nằm khuôn khổ lý thuyết BCS Mười bảy năm sau người ta ã pha tạp Nb SrTiO3 ã nâng ược nồng ộ iện tử lên n = 1021/cm3 nhiệt ộ chuyển pha TC 1,3 K Chín tháng sau, nhóm Matthias ã tìm thấy siêu dẫn Nax WO3 với x = 0,3; n = 1022/cm3 TC 0,57 K Như tượng siêu dẫn ã xuất trrong nhiều loại ôxit khác với nồng ộ electron ủ lớn - Năm 1965 tượng siêu dẫn ược tìm thấy TiO NbO với nhiệt ộ chuyển pha tương ứng 0,65 K 1,25 K - Năm 1973, Johnston ồng nghiệp ã tìm siêu dẫn có LiTi2 O4 với TC = 11 K - Năm 1975, Sleight ồng nghiệp ã tìm siêu dẫn có hệ perovskite BaPb x BixO3 Với x = 0,25 nồng ộ hạt tải n = 2,4.1021/cm3 TC = 11,2 K Điều cho phép dự ốn tìm thấy siêu dẫn nhiều oxit khác Sau ó người ta thay K+1 vào Ba+2 chất cách iện BaBiO tìm thấy TC 30 K hợp chất Ba-K-Bi-O - Vậy từ năm 1986 trở trước người ta tìm ược siêu dẫn tồn nhiều oxit kim loại hợp chất chứa oxit ồng 3.2 Một số loại siêu dẫn nhiệt ộ cao iển hình chứa Cu Oxy - Từ năm 1988 ến nay, hàng loạt oxit siêu dẫn chứa Cu ược phát ngồi La(R)214 Y(R)-123 cịn có họ hợp chất siêu dẫn nhiệt ộ cao iển hình sau ây: + Bi2 Sr2 Can-1 Cun O2n+4 (gọi tắt Bi-22(n-1)n với n=1,2,3…) + Ti2 Ba2 Can-1 Cun O2n+4 (gọi tắt Tl-22(n-1)n với n=1,2,3…) + HgBa2 Can-1 CunO2n+4 (gọi tắt Hg-12(n-1)n với n= 1,2,3…) + CuBa2 Can-1 Cun O2n+4 (gọi tắt Cu-12(n-1)n với n=1,2,3…) - Các vật liệu siêu dẫn có nhiệt ộ chuyển pha ã vượt 120 K cấu trúc chúng ặc biệt hơn, lưu ý nét ặc trưng riêng số loại iển hình phận siêu dẫn nêu Hệ Bi-22(n-1)n - Vật liệu Maeda ồng nghiệp phát vào tháng 1/1988 - Điển hình là: Bi-Sr-Ca-Cu-O (gọi tắt BSCCO system) - Đây loại vật liệu a pha mà TC 105 K Cấu trúc tinh thể gồm ba pha ứng với n=1,2,3 ược xác ịnh cấu trúc lớp theo trật tự ặt: BiO -SrO-CuO -(Ca)- CuO …-(Ca)CuO -SrO, với n lớp CuO ược ngăn (n-1) lớp Ca Ứng với n=1,2 TC có giá trị cỡ 22 K, 80 K 110 K, ây ã có tăng nhiệt ộ chuyển pha theo thư tự tăng số lớp n Hệ Tl-22(n-1)n - Do Shung Herman công bố vào cuối năm 1987 - Khi thay nguyên tố phi từ, hóa trị (Tl) cho (R)-123 (TlBa2 Cu3 Ox ) nhận thấy nhiệt ộ chuyển pha hợp chất ã tăng lên xấp xỉ 90 K Tháng năm 1988, Shung Herman ã thay phần Ca Ba ược hợp chất Tl-Ba-Ca-Cu-O hay (TBCCO), hợp chất có cấu trúc giống siêu dẫn Bi-2223 với hai lớp kép (TlO ) có TC =90 K, 110 K 125 K n=1,2,3 Hệ Hg-12-(n-1)n - Năm 1991 người ta thay Hg cho Cu sau ó Putilin ồng nghiệp tạo hợp chất HgBa2 CuO 4+ δ (n=1) với TC=94 K Schilling ồng nghiệp thay n=2,3 Hg12(n1)n ã làm tăng TC =133 K – 134 K áp suất cao 16 Gpa 164 K 30 Gpa - Cấu trúc ược ặt là: HgOd-BaO-CuO -(Ca)-CuO 2-…- (Ca)-(CuO )-BO Với n lớp CuO ược ngăn cách (n - 1) lớp Ca, cấu trúc giống với cấu trúc TlBa2 Can Cun O 2n+ δ Hệ CuBa2 Can-1 CunO2n+2+δ - Công thức chung: A mX Can-1CunO2n+m+2+δ với m=1 2, X=Ba Sr, n=1,2,3 tăng theo thay ổi A bảng hệ thống tuần hồn Từ nhóm VB (Bi), nhóm IIIB (Tl) ến nhóm IIB (Hg) bảng hệ thống tuần hồn, có khả làm tăng TC cách thay ổi A liên tiếp ến nhóm IB Au Ag TC ạt ược 124 K hệ Chất siêu dẫn MgB - Chẳng chất siêu dẫn magnesium diboride (MgB2) ược ứng dụng rộng rãi nhờ kỹ thuật nhà nghiên cứu Mỹ phát triển Kỹ thuật giúp họ biến MgB2 thành màng cực mỏng - Năm ngoái, nhà nghiên cứu vơ sửng sốt MgB dẫn iện nhiệt ộ 2340 C, cao so với chất siêu dẫn tương tự Tuy nhiên, khó khăn biến chúng thành màng mỏng ể sử dụng mạch iện tử siêu dẫn Hiện trở ngại ã ược Thiếu Hạnh Tề ồng nghiệp thuộc ại học Pennsylvania State khắc phục - Nhóm nghiên cứu vừa tìm phương pháp ơn giản rẻ tiền ể tạo màng mỏng MgB2 chất lượng cao Theo nguyên tắc, mạch tích hợp làm chất bán dẫn hoạt ộng với hiệu suất cao mạch bán dẫn silicon, mở ường cho công nghệ thông tin tốc ộ nhanh Một cơng nghệ ó thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (superconducting quantum interference devices - SQUIDs) Nó ược sử dụng ể dị từ trường nhỏ, chẳng hạn kỹ thuật hình ảnh cộng hưởng từ (magnetic resonance imaging - MRI) - Thật không may mạch thiết bị hoạt ộng nhiệt ộ cực thấp Chẳng hạn SQUIDs ược chế tạo từ niobium, hợp kim phải 45 ược làm lạnh helium lỏng tới khoảng - 2690 C Các ặc tính siêu dẫn bị nhiệt ộ cao Do ó, nhà nghiên cứu ln muốn tìm vật liệu trì khả siêu dẫn nhiệt ộ cao Vật liệu gốm có tên oxide ồng TC siêu dẫn nhiệt ộ cao MgB2 vài ộ, song giá thành lại cao MgB - Trước ây có phương pháp sản xuất màng siêu dẫn MgB2 Phương pháp thứ nung nóng màng boron iều kiện có magnesium, tạo cho màng boron có ặc tính siêu dẫn, song lại có bề mặt thô ráp Các thiết bị SQUIDS thường cần nhiều lớp màng chồng lên Vì vậy, bề mặt thô ráp khiếm khuyết nghiêm trọng Phương pháp thứ hai ồng thời ngưng tụ magnesium boron, tạo màng nhẵn song siêu dẫn nhiệt ộ thấp Nhóm nghiên cứu ông Tề làm bốc cục magnesium khoảng 7000 C Hơi magnesium sau ó kết hợp với diborane, loại hợp chất dạng khí bao gồm boron hydrogen, mơi trường khí hydrogen áp suất cao Màng MgB2 mỏng hình thành ĩa làm vật liệu cứng sapphire hay silicon carbide Chìa khố ây hydrogen Nó ngăn khơng cho magnesium oxide ảnh hưởng tới màng khả siêu dẫn chúng 3.3 Một số vật liệu siêu dẫn nhiệt ộ cao khác - Nhóm nhà khoa học dẫn ầu Artem Oganov Skoltech (Học viện Khoa học kỹ thuật Skolkovo) Viện Vật lý Công nghệ Moscow (MIPT), Ivan Troyan thuộc Viện Tinh thể học thuộc Viện Hàn lâm Nga (RAS) ã thành công việc tổng hợp thorium decahydride (ThH 10 ), vật liệu siêu dẫn nhiệt ộ cao, 161 K, tức -1120 C - Một tính chất thực ý vật liệu lượng tử siêu dẫn hoàn toàn iện trở iều kiện cụ thể khắc nghiệt Mặc dù có tiềm to lớn cho máy tính lượng tử máy dị có ộ nhạy cao, việc ứng dụng chất siêu dẫn bị cản trở ặc tính có giá trị chúng thường có iều kiện nhiệt ộ thấp áp suất cực cao - Anthanum decahydride, LaH 10 , ã lập kỷ lục −130 C, gần với nhiệt ộ phịng Thật khơng may, chất siêu dẫn òi hỏi áp lực tiếp cận tới triệu atm (atmospheres – ơn vị o áp suất), khó trì ứng dụng thực tế Do ó, nhà khoa học tiếp tục hành trình tìm kiếm chất siêu dẫn giữ lại thuộc tính iều kiện tiêu chuẩn - Vào năm 2018, Alexander Kvashnin, nhà nghiên cứu phịng thí nghiệm Oganov, ã dự ốn vật liệu thorium polyhydride, hay ThH 10 , ạt siêu dẫn với nhiệt ộ tới −320 C, ổn ịnh với áp suất triệu atm Trong nghiên cứu gần ây, nhà nghiên cứu từ Skoltech, MIPT, Viện tinh thể Viện Vật lý Lebedev Viện Hàn lâm Khoa học Nga (RAS) ã thu ược thành cơng ThH 10 nghiên cứu tính chất truyền dẫn siêu dẫn - Phát nhóm ã chứng thực dự oán lý thuyết, chứng minh ThH 10 tồn áp suất 0,85 triệu atm thể tính siêu dẫn nhiệt ộ cao kinh ngạc Các nhà khoa học xác ịnh nhiệt ộ tới hạn 0,7 triệu atm thấy nhiệt ộ 1120 C, phù hợp với dự oán lý thuyết cho giá trị áp suất ó Điều làm cho ThH 10 trở thành chất siêu dẫn nhiệt ộ cao kỷ lục PHẦN ỨNG DỤNG Máy phát iện siêu dẫn - Máy phát iện siêu dẫn có hình dáng, iều khiển, hoạt ộng giống tuabin thông thường mặt nguyên lý Sự khác motor siêu dẫn ược ặt buồng chân không quay tròn Chất lỏng Heli (hoặc nitơ lỏng) ược bơm vào buồng chân khơng lực hướng tâm nhằm trì nhiệt ộ motor trạng thái siêu dẫn - Máy phát iện siêu dẫn ã chứng tỏ tính tốt, hiệu suất cao (tăng lên 99%), giá thành rẻ so với máy phát iện thông thường 300MW Hơn nữa, chúng có kích thước nửa so với máy phát iện thường - Ví dụ dự án EcoSwing triển khai Đan Mạch, ây máy phát iện siêu dẫn ầu tiên truyền ộng trực tiếp cho tuabin gió giới + So với vật liệu dẫn iện ồng mật ộ cuộn dây siêu dẫn lớn gấp 100 lần, em lại khả truyền tải mạnh tổn thất lượng + Thiết kế Ecoswing dẫn ến việc giảm ường kính máy phát xuống cịn mét so với 5,4 mét máy phát iện nam châm vĩnh cửu tiêu chuẩn Khối lượng vỏ nhẹ 25% so với máy phát iện nam châm vĩnh cửu có kích thước, khối lượng máy phát iện siêu dẫn giảm ến 40%, ộ ồn giảm ến 25% + Máy phát iện siêu dẫn Ecoswing có cơng suất 3MW ạt 650 vận hành Động siêu dẫn - Người ta chế tạo motor siêu dẫn dựa sở hiệu ứng Messner Tính chất motor siêu dẫn gây nên ẩy ường từ thông Khi nam châm trở thành gần ến trạng thái siêu dẫn, chất siêu dẫn ẩy Sức ẩy sử dụng ể lái rotor motor iện Các motor siêu dẫn rắn có kích thước cỡ 1/3 kích thước motor thường Sự mát dịng motor siêu dẫn ước tính giảm i cỡ 50% so với motor thường Motor siêu dẫn có nhiều ứng dụng công nghiệp sản xuất ôtô, loại bom, quạt, máy thổi, máy khí, máy nghiền nhiều phương tiện khác Đệm từ (Bearings) - Trên sở hiệu ứng Meissner, người ta sử dụng chất siêu dẫn ể làm ệm từ vi mạch iện tử (MEMS – Dùng mơ tả xác hoạt ộng thiết bị học, chip với kích cỡ vài micro mét Nhờ hiệu ứng Meissner, ệm từ ẩy từ ường sức từ xa xung quanh Vì vật khơng có ma sát khơng có va chạm thành phần với nên ệm từ ạt ược tốc ộ quay cao Đệm từ siêu dẫn tự iều chỉnh cân khơng cần nguồn ni Siêu máy tính: - Một siêu máy tính máy tính vượt trội khả tốc ộ xử lý Thuật ngữ Siêu Tính Toán ược dùng lần ầu báo New York World vào năm 1920 ể nói ến bảng tính (tabulators) lớn IBM làm cho trường Đại học Columbia Siêu máy tính có tốc ộ xử lý hàng nghìn teraflop (một teraflop tương ương với hiệu suất nghìn tỷ phép tính/giây) hay tổng hiệu suất 6.000 máy tính ại gộp lại (một máy có tốc ộ khoảng từ 33,8 gigaflop) - Các máy tính sử dụng linh kiện chất siêu dẫn có ưu iểm: nhỏ, nhẹ, nhanh, cấu hình mạnh Các mạch iện óng mở nhanh tích nhỏ Trong máy tính siêu dẫn ường truyền vi mạch siêu dẫn nối với thiết bị bán dẫn Ví dụ tiếp xúc Josephson, cơng tắc siêu dẫn óng mở pico giây (nhanh gấp 10 lần công tắc bán dẫn) - Siêu máy tính mạnh ó Fugaku Nhật Bản Được xây dựng Fujitsu, Fugaku ược lắp ặt Trung tâm Khoa học Máy tính RIKEN (R-CCS) Kobe, Nhật Bản Với phần cứng bổ sung, hệ thống ã ạt ược kỷ lục giới với kết 442 petaflop HPL, vượt gấp lần so với hệ thống thứ hai danh sách - Giám ốc RIKEN, Satoshi Matsuoka, cho biết “cuối ã sử dụng tồn cỗ máy thay phần nhỏ nó” Lị phản ứng nhiệt hạch từ: - Để sử dụng cho thí nghiệm với lị phản ứng nấu chảy từ Nam châm siêu dẫn nhiệt ộ thấp sản sinh từ trường lên ến 11 tesla Trạng thái plasma khí gas nóng ược ưa vào bên từ trường Phản ứng nóng chảy tự xuất plassma nóng lên ngưng ọng lại Sử dụng chất siêu dẫn nhiệt ộ cao làm giảm tổng lượng cần thiết ể làm lạnh nam châm ơn giản hóa hệ thống làm lạnh - Lị phản ứng siêu dẫn Tokamak Trung Quốc (EAST) số thiết bị nghiên cứu phản ứng tổng hợp hạt nhân ầy hứa hẹn giới, chúng ạt ược số bước tiến ấn tượng vài năm qua Các nhà khoa học Trung Quốc ã ạt ược kỷ lục giới trì nhiệt ộ plasma 120 triệu ộ C 101 giây lần thử nghiệm nhất, tiến gần ến mục tiêu họ theo uổi lâu sở hữu nguồn lượng vô hạn - Các nhà khoa học Trung Quốc lập kỷ lục giới ạt ược nhiệt ộ plasma 120 triệu ộ C cho 101 giây thí nghiệm ngày 28.5.2021, Tân Hoa Xã ưa tin Truyền tải lượng (Electric Power Tranmission): - Nhờ iện trở không tượng siêu dẫn, nên tải iện cáp siêu dẫn có dịng lớn khơng bị hao phí tỏa nhiệt q trình truyền tải - Ví dụ: Dây siêu dẫn làm từ sợi tinh thể sapphire bao phủ hỗn hợp gốm Mỗi sợi dây dày sợi tóc người có khả truyền tải iện lớn Cụ thể khả truyền tải iện gấp 40 lần so với dây ồng truyền thống - Cáp siêu dẫn tải lượng ịa nhiệt, lượng iện hydro lượng mặt trời, lượng lấy từ than lượng hạt nhân từ nguồn ến trung tâm dân cư sử dụng nơi tiêu thụ Cộng hưởng từ - MRI: - Đây loại máy sử dụng từ trường siêu mạnh nam châm siêu dẫn ể kích thích nguyên tử hidro (chủ yếu có nước chất béo thể người) ể tăng lên mức lượng Từ ó thu lại thông tin phản hồi thiết bị ặc biết ể khám mô thể người - Về phần nguyên tử hidro: Vì hidro nguyên tử ặc biệt có proton nên mơmen từ lớn Hoạt ộng từ nguyên tử hydro ược ghi nhận lại phân bố nước mơ (vì hidro cấu tạo nên nước) Ở mơ bị tổn thương có phân bố nước khác với mơ lành Từ ó, ta dễ dàng phân biệt chúng Tàu ệm từ Maglev: - Bằng cách gắn nam châm siêu dẫn hai bên thân tàu, có dịng iện chạy qua nam châm ó tạo từ trường cực lớn khoảng 4.23 Tesla Khi ó, tàu ược nâng bổng lên khoảng 10cm ường ray chữ U nhờ lực hút lực ẩy xen kẽ hai cực Nam - Bắc nam châm iện hai bên thành ray sinh nhờ tượng cảm ứng iện từ Cơ chế tương tự, thay nâng tàu lên, lực từ giúp ẩy ồn tàu tiến phía trước ồn tàu ược cung cấp vận tốc ban ầu ịnh Điều khiển tốc ộ nhờ iều chỉnh biến ổi tần số dòng iện cuộn dây từ ến 50 Hz iều chỉnh tốc ộ từ xa trung tâm iều khiển - Nhờ việc không tiếp xúc với ường ray nên không sinh ma sát tàu hỏa truyển thống, từ ó giới hạn vận tốc ược xóa bỏ Ví dụ: Tàu ệm từ i từ Bắc Kinh ến Thượng Hải có vận tốc lên ến 600km/h (gần vận tốc máy bay) - Hiện nay, tàu ệm từ ã ược áp dụng nước tiên tiến giới Mỹ, Nhật, Trung Quốc LỜI KẾT Hiện tượng siêu dẫn dù nhiều khuyết iểm việc yêu cầu lớn nhiệt ọ vật liệu môi trường xung quanh Song, phủ nhận ứng dụng rộng rãi vật liệu siêu dẫn em lại Siêu dẫn môn học lớn, thời gian nguồn kiến thức thức sơ sài chúng tơi nên cịn nhiều vấn ề chưa ề cập ến thiếu sót mặt kiến thức Nhưng qua báo cáo người ọc hiểu thêm kiến thức ứng dụng tượng thú vị Chúng chân thành cảm ơn thầy Đỗ Sỹ Hiếu ã giúp tiếp xúc với ề tài thú vị TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Huy Sinh (1994) Vật lý siêu dẫn, NXB Giáo dục, Hà Nội [2] Diễn àn Hội Vật lí Việt Nam: https://vpshvl.org.vn/vi/news/khoa-hoc-cong-nghe/vat-lieusieu dan-va-ung-dung-76.html [3] Heike Kamerlingh Onnes Facts: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1913/onnes/facts/ [4] https://khoahoc.tv/tuong-lai-se-co-chat-sieu-dan-hoat-dong-trong-dieu-kien-nhiet-dophong65530 [5] https://ansinhmed.com/mri-la-gi-co-so-ly-thuyet-cau-tao-va-ung-dung-cua-may-chupconghuong-tu-3197.htm [7] https://nhandan.vn/khoa-hoc/cac-nha-vat-ly-tim-ra-chat-sieu-dan-o-nhiet-do-cao-moi376306/?fbclid=IwAR2NWOu8DerfXux-A260uDPn_EJXbXKZ21X4LYebncu9tQzSC9gHcDe30 [8] Superconducting generators for wind turbines: Design considerations tác giả: Nenad Mijatovic, A Abrahamsen, Chresten Træholt [9] 210405-ETIPWind-workshop-circularity-Marcos Byrne-Supernode.pdf [10] Winkler_2019_IOP_Conf._Ser. Mater._Sci._Eng._502_012004 ... Các lý thuyết liên quan siêu dẫn 15 Entropi trạng thái siêu dẫn trạng thái thường 15 Sự xâm nhập từ trường vào chất siêu dẫn 16 IV Lý thuyết BCS 16 Lý thuyết. .. liệu siêu dẫn vơ vàng Đó lý ể lựa chọn siêu dẫn ề tài ể nghiên cứu báo cáo Trong báo cáo này, chúng tơi có trình bày vài nét trình phát triển lịch sử vật liệu siêu dẫn, lý thuyết khái niệm siêu dẫn. .. hợp chất siêu dẫn ược tạo nên từ chất thành phần chất siêu dẫn, - Các iểm chung khác hợp kim siêu dẫn, hợp chất siêu dẫn so với chất siêu dẫn ơn kim loại: • Nhiệt ộ chuyển pha siêu dẫn TC cao