Hiện tượng siêu lỏng Giải Nobel Vật lý 2003 được chia đều cho ba khoa học gia đã có những đóng góp có tính cách cơ bản vào việc khảo cứu hiện tượng Siêu dẫn (Superconductivity) và Siêu lỏng (Superfluidity) Đó là: Alexei A. Abrikosov (sinh năm 1928, quốc tịch Mỹ và Nga) làm việc tại Argonne National Laboratory,Argonne, Illinois, Hoa Kỳ. Vitaly L. Ginzburg (sinh năm 1916, quốc tịch Nga) làm việc tại P.N. Lebedev Physical Institute, Moscow,Nga Anthony J. Leggett (sinhnăm 1938, quốctịch Anh và Mỹ) làm việc tại University of Illinois, Urbana, Illinois,Hoa kỳ. Giải thích hiện tượng Siêu dẫn Một cách đại cương, Siêu dẫn là tình trạng mất tính cản điện (điện trở) của vật chất khi đượcmang đếngần không độ Kelvin (Tuyệt đối).Còn tình trạng Siêu lỏngxẩy ra lúc chất lỏng(như Helium),khi được mangxuốngthật lạnh, đến gần không độ Kelvin, cóthể di chuyển tự do, hầunhư không masát. Các vật lý gia coi Siêu dẫn và Siêu lỏng là một vì chúng đều là là tínhchấtcủa các hạttử khi được mang xuốngmột nhiệt độ thật thấp.Tuy nhiên người ta thích dùngtừ Siêu dẫn để chỉ nhữngluồng hạt tử mang điện như electron. Các khoahọc gia đã khám phá rahiện tượng siêu dẫn từ gần mộtthế kỷ trước đây. Ta hãy theo dõi nhữngcông trình nghiêncứu của họ từ ngày đó đến nay. Năm 1911khi vật lý gia Hòa LanH. K. Onnes dùng Heliumlỏng để hạ nhiệt độ của Thủyngân (Mercury)đến gần khôngđộ Kelvin thì chất này hoàn toànmất tính cản điện, và ônglà người đầutiên dùng từ “Siêudẫn” để gọi hiệntượngnày. Do công trình khảocứu trên ôngđoạt giải Nobel Vật lý năm 1913mặc dù chưathể đưa ra một lýthuyết để giải thích rõràng hiện tượng. Như ta đã biết, dòng điện sinhrado sự chuyển động củacác electron trongdây kim loại. Khi chuyển động vô trật tự các electronnày làm các nguyên tử kimloại dao độngvà sinh nhiệt.Ngoài ra sự chuyển động củacác electroncòn tạo raTừ trường (Magneticfield) và từ đó một dòngđiện ngược chiều đượcsinhra. Tương tác giữa Điện và Từ giữ vaitrò quan trọngtrong quá trìnhtìm hiểu và cải tiến chất siêu dẫn. Năm 1933 hai khoa học gia W. Meissner và R. Ochsenfeld đã khảo sát tính siêu dẫn củaChì(Lead)khi chất nàyđược đặt trong một từ trườngyếu và được làm lạnh từ từ. Khi đượchạ xuống dưới một nhiệt độ khá thấp,thường được gọi là nhiệt độ Tới hạn (Critical Temperature)T, Chì trở thànhsiêu dẫn vàđồng thời có một tínhchấtđặc biệt khác: Từ thông (Flux)bị đẩy hoàn toànra khỏi Chì. Hiệu ứng này mangtên hiệu ứng Meissner-Ochsenfeld và từ đó người ta xác định được các chất Siêu dẫn loại I (1). Đến năm 1962,người ta tìm racác chất Siêu dẫn loại II (2). Năm 1957ba khoa họcgia J. Bardeen, L. Cooper, và J. Schrieffer đưa ý niệm có tính cách vi mô (microscopic) đầu tiên để giải thíchhiện tượngsiêu dẫn.Theo đó, ở 0độ Kelvin, nếu không chịuảnh hưởng của từ trường và không códòng điện, các electronkết hợp thànhtừng cặp, gọi là Cặp Cooper (Cooper pairs),và có thể di chuyển không vachạm trong vật chất để tạo ra dòng điện. Mặc dù chỉ giải thích được sự hoạt động của nhữngchất siêu dẫn loại I, nhờ công trìnhkhảo cứu này họ đã thắng giảiNobel Vật lý năm 1972. Tronglúc đó, A. Abrikosov, từ nhữngnăm của thập niên 1950s,dựa vào những khảo cứu trướcđó của V. Ginzburg, đã đưa ra nhữngkết quả toán học khikhảosát sự tương tác giữa từ trường vàchất siêu dẫn. Từ đó, ôngcó thể giải thích trạng thái Hỗntạp (Mixedstate) của chất siêu dẫn loại II (2).Đó là lýdo hai ôngthắng giảiNobelnăm nay. Chất siêu dẫn loại II,thường là nhữnghợp kim, được đặc biệt chú ý vì chúngcó thể trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ tương đối cao. Ngày nayngười ta đã tìm ra nhiều chất loại nàycó thể trở thành siêu dẫn ở gần nhiệt độ Nitrogenlỏng(khoảng 77độ Kelvin) trong khiđó nhữngchất siêu dẫn loại I thường phải đượcduytrì ở nhiệt độ Helium lỏng [khoảng4.2 độ Kelvin, (4.2K)]. Điềunày rất quantrọng trong kỹ nghệ vì Helium lỏng rất đắt tiền so với Nitrogen lỏng. Một trong nhữngứng dụng quantrọng của chất siêu dẫn là việcchế tạo Namchâm Siêudẫn(Superconducting Magnet).Loại nam châm này có thể tạo một từ trường rất mạnh, đồng nhất, ổn định, và íttốn kém nên được dùng nhiều trongcác phòng thí nghiệm và các máy MRI(MagneticResonanceImaging; Tạo ảnh doCộng hưởng Từ). Bây giờ ta hãy bàn về chất Siêu lỏng. Nếu Heliumlỏng thường được dùng để làm lạnhnhững chất khác như trên đã nói, thì chínhchất này, ở nhiệtđộ thấp có tính chấtđặc biệt: Siêu lỏng.Như ta đã biếtở nhiệtđộ thường Helium làmột khí rấtnhẹ, hayở dạng 4 He(nhân gồm hai proton và haineutron). Một dạng khác,dạng 3 He (chất đồng vị của 4 He ; nhâncóhai protonvà một neutron),rấthiếm, có chừng một phần10 triệu so với 4 He . Tính siêu lỏng của 4 Heđượckhoahọc gia Pyotr Kapitsa và một số người khác khámphá ra từ cuối thậpniên 1930svà vật lýgia Lev Landau, vì có công khiđưa ra giải thích lý thuyết,đã đoạt giải Nobel Vật lý năm1962. 4 He trở thành siêu lỏng ở chừng 2 độ Kelvinvàở tình trạng Cô đọng Bose-Einstein (3). Khi đó, 4 He có tính Đẳnghướng (Isotropy) (4)giống như cặp Cooper của electrontrong chất siêu dẫn. Tuy cùng là Helium, 3 Hekhi ở tình trạng siêu lỏng cótính chất phức tạp hơnnhiều. Lý dochính làvì trong nhâncó ba hạt tử chứ không phải bốn như 4 He. Dođó 3 He tuân theo luật thống kê Fermi-Dirac (3) và ở nhiệtđộ thật thấp cácnguyên tử 3 He có thể kết đôi (pairup)giống như đôi Cooper của electronnhưng cócơ cấu rắc rối hơn. Tính siêu lỏng của 3 Heđượccác khoa học giaD. Lee, D. Osheroff và R. Richardson tìm ranăm 1972, và đoạt giải NobelVật lý năm 1996. Khônggiống như 4 He, 3 He có tính Bất đẳng hướng (Anisotropy) (4),một tính chất mà các vật lý gia đang cố gắng tìmhiểu. Tronglúc đó, A. J. Leggett công bố một công trình có tính cách đột phávề phương diện lý thuyết. Đó là hiện tượng Đồng thời Phá vỡ Đối xứng Nhiều lần (MultipleSimultaneouslyBroken Symetries) (5)của các chấtSiêu lỏng Bất đẳng hướng. Leggett thắnggiải Nobel năm nayvì kết quả khảo cứu của ông có nhiều ứngdụng trong các ngành thiên văn và vậtlý hạt nhân.Thí dụ như khikhảosáttình trạng Hỗn loạn (Turbulence) của 3 He ở trạng thái siêu lỏng,các khoahọc gia có thể biết thêmvề sự chuyển biến từ tình trạng Trật tự sangHỗn độn của các hạt tử, một hiện tượngvật lý từ lâu chưa được giải thích. Chú thích: (1) Ngoài ảnh hưởng củanhiệtđộ,chất siêu dẫnloại I còn chịu ảnh hưởng của từ trường bên ngoài: Khi từ trườngvượt quá trị số Tới hạn B, dù ở dưới nhiệt độ Tới hạn T, chất này cũng mất tính siêu dẫn. (2) Chất siêudẫnloại II có hai từ trường tới hạn: B1 và B2. Khi từ trường bên ngoài có cườngđộ ở giữa trị số B1 vàB2 (và nhiệt độ ở dưới nhiệt độ Tới hạn) thì chất này ở một trạng thái đặc biệt gọi là trạng thái Hỗn tạp(Mixedstate). Lúc đó từ thông qua những sợi nhỏ củachất này tạothành những Từ xoáy (Fluxoidshay Vortices).Mặc dù bên trong từng sợi nhỏ không còn tính siêu dẫn nhưng toàn khối vẫn mất tính cản điện. (3) Những hạt tử ở tìnhtrạng Côđọng Bose-Einsteintuân theo luật Thống kê Bose-Einstein,theo đó haihạttử (thí dụ như quang tử) cóthể hiện diệntrên cùng một mức nănglượng (thường được gọi là Bosons;chúng có số lượngtử spinbằng 0 hoặc một số nguyên). Khi đượclàm lạnh đến khôngđộ Kelvinchúng mất tính cá biệt, tụ tập ở mức năng lượng thấp nhất và có hoạt động đồng phase.Fermionslà những hạt tử (thí dụ như electron) tuân theo luật thốngkê Fermi-Dirac,theo đó hai hạttử khôngthể tồn tạitrên cùng một mức năng lượng. Chúng có số lượngtử spin bằngbội số lẻ của ½. (4) Mộtcách đơn giản, tính Đẳng hướnglà tính giống nhau theo mọi hướngvì hạt tử haycặp hạt tử khôngcó Từ tính. Cặp 3 He có Từ tínhnên làm môi trườngthành Bất đẳng huớng. Ngoài ra 3 He còn có thể tạo phản ứngHợp hạtnhân (Fusion) để cho 4He, protonvàsinh ra năng lượng. Đặc biệt,phản ứng này không gây ô nhiễm và hầu như không tạo chất phế thải phóngxạ. Do đó một số khoahọc giacho 3 Helà nguồnnăng lượngcủa nhân loại trong tương lai. Trái đất có rất ít 3 He nhưng trên mặttrăng có chừng một triệu tấn,đủ cho conngười dùng hằng ngàn năm! (5) Mộtcách tổng quát, một hệ thốngcó tính Đối xứng (Symmetry)nếu hệ đó khôngthay đổi dưới ảnhhưởng củacácTác động(Operations). (6) Nhân của những nguyên tử của mẫu vật phải có Momen từ (Magneticmoment) khác không, thường cómộtsố lẻ proton hay neutron(thí dụ như 1 H, 2 H, 13 C, 31 P). . Hiện tượng siêu lỏng Giải Nobel Vật lý 2003 được chia đều cho ba khoa học gia đã có những đóng góp có tính cách cơ bản vào việc khảo cứu hiện tượng Siêu dẫn (Superconductivity) và Siêu lỏng. kỳ. Giải thích hiện tượng Siêu dẫn Một cách đại cương, Siêu dẫn là tình trạng mất tính cản điện (điện trở) của vật chất khi đượcmang đếngần không độ Kelvin (Tuyệt đối).Còn tình trạng Siêu lỏngxẩy ra. giờ ta hãy bàn về chất Siêu lỏng. Nếu Heliumlỏng thường được dùng để làm lạnhnhững chất khác như trên đã nói, thì chínhchất này, ở nhiệtđộ thấp có tính chấtđặc biệt: Siêu lỏng. Như ta đã biếtở nhiệtđộ