Hành trìnhhướngđến điện trở bằngkhông - Phần 2 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. >> Xem Phần 1 Tiến tới lí thuyết BCS Tiếnbộ trong việc làmsángtỏ líthuyết cơ sở của sự siêu dẫn diễn ra chậm chạphơn. Năm1935, Fritz và HeinzLondon đề xuất một“điều chỉnh”mang tính hiện tượnghọc cho cácphươngtrình thành phần Maxwell để mang lại khái niệm “chiều sâu xâm nhập”của từ trường bênngoài đặt vào bề mặt chất siêudẫn. Tuy nhiên,mãi cho đếngiữa thập niên1950 thì mạng lưới lí thuyết xung quanhsự siêu dẫn cuốicùng mới được làm sáng tỏ, cónhững nỗ lực đơmhoa kếttrái do một số nhà vật lí xuấtsắc nhấtcủa thế kỉ 20 xây dựng, trong đó có Dirac, Einstein, Feynmanvà Pauli.Thành tựu này cuối cùng đã đạt tới đượcbởi John Bardeen, Leon Cooper và RobertSchrieffer, đưa tới cái ngày nay gọi là lí thuyết BCS, nhờ đó bộ ba tác giả đã cùng chia sẻ Giải thưởngNobelVậtlí năm 1972. Một phát triển quan trọng là sự xác địnhcủa Cooper rằngmộtchất khí electronlà không bền trong sự có mặt của mọi tươngtác hút dù là rất nhỏ, dẫntới các electronghép cặp lại với nhau. Bardeen cùng người học trò của ông,Schrieffer,khi đó nhận ra rằng trạngthái lượng tử thu đượcphảicó bản chấtvĩ mô và thốngkê. Nhưng tươngtác hútđó từ đâu mà có? Vào năm 1950, EmanuelMaxwellở Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Mĩ lưu ý rằng nhiệt độ chuyểnpha của thủy ngân bị dịch chuyển tùy thuộc vào các đồng vị của nó được sử dụngtrong mẫu chất nhất định, cho thấy trong sự siêu dẫn có liên quan đến nhữngdao động mạng, hay“phonon”. Lí thuyết BCS chứngminh, cho trước nhữngđiềukiện thích hợp, rằngnhững dao độngnày – chúng thườnglà nguyên nhân gây ra điện trở bên trong củakim loại – có thể mang lại tươngtác hút chophépmột chất liệu dẫn mà không có điện trở. Khá đơn giản,lí thuyết BCS đượcxếp làmột trongnhững thành tựutao nhã nhất của ngànhvật lí vật chất ngưng tụ. Nói chung,nó môtả sự ghépcặp củahai fermion trungchuyển bởi một trường boson:mọi fermion, ghép bởimọi boson. Tất cả những chất siêudẫn đã biết đềutuân theo công thức chungmà líthuyết BCS đưa ra, dạngcơ bảncủa nó là một biểu thức hết sức đơn giản: T c _ Θ/e 1/λ , trong đó T c là nhiệt độ chuyểnpha, haynhiệt độ tới hạn,nhiệt độ mà dưới đó mộtchất liệu trở nên siêu dẫn,Θ lànhiệt độ đặc trưng của trườngboson(nhiệtđộ Debye nếu nó gồm các phonon),và λ là hằng số kết hợp của trường đó với các fermion (electron và/hoặc lỗ trống trongchất rắn). Mộtchất liệu có giá trị λ lớn thường là một ứngcử viên tốt dùng làm chất siêudẫn, cho dù – hơi phản trực giác mộtchút - nó là một kimloại “nghèo” dướinhữngđiều kiện bình thườngvới những electron liên tục bị nảy khỏi mạng tinh thể đang dao động.Điều này giải thích tại sao sodium (natri),vàng, bạc và đồng,mặcdù là những kimloại tốt, nhưnglại không phải chất siêu dẫn, trong khichì thì lại siêu dẫn (hình 2). Tuy nhiên, BCS là một sự mô tả và định tính, chứ không địnhlượng.Không giống như các phương trìnhNewton hoặc Maxwellhoặccơ sở củalí thuyếtdải khe năng lượngcủachất bán dẫn, cái mà với đó các nhà nghiên cứu cóthể thiết kế ra những cầu nối, mạch điện và chip máy tính, và dám quả quyết chúngsẽ hoạt động như thế nào, lí thuyết BCS rấttệ ở việc chỉ ra nên dùng những chất liệu nàohoặc làm saochế tạo ranhững chấtsiêu dẫn mới. Nói chung, khám phá ra sự siêu dẫnlà một thànhtựu trí tuệ, đúng như lời nhà vật lí gốcĐức BerndtMatthias đã nói, “BCS cho chúng ta biết mọi thứ, nhưng chẳng tìm thấy cho chúngta cái gì cả”. Hình 2. Hơn 100 năm qua, ngày càng có nhiều nguyên tố trong bảng tuần hoàn hóa học được tìm thấy là có tính siêu dẫn. Bảng trên thể hiện những nguyên tố siêu dẫn ở áp suất tùy ý (tô màu vàng/cam), và những nguyên tố chỉ siêu dẫn ở áp suất cao (tô màu tím). Ảnh: Stephen Blundell (Trích, Tìm hiểu Sự siêu dẫn, 2009, NXB Đại học Oxford) Những bước ngoặc muộn sau này Sau sự phát triển của lí thuyết BCS, một trong những bước ngoặcvề nghiên cứu siêu dẫn là dự đoán năm1962 của BrianJosephson tại trườngĐại học Cambridge ở Anhquốcrằngmột dòng điện có thể chui hầm qua giữa haichất siêu dẫn phân cáchnhau bởi một lớp cách điện mỏng hoặc một hàng ràokim loại bình thường. Hiện tượng này,ngày nay gọi là hiệu ứngJosephson,lần đầu tiênđược quan sát thấyvào nămsau đó bởi John Rowell và Philip Anderson ở phòngthí nghiệmBell, và đã manglại sự phát triển của dụng cụ giao thoa lượngtử siêu dẫn, hay SQUID, dụng cụ có thể đo những từ trường rất nhỏ và đồng thờimang lại một chuẩn điện áp dễ dàng nhânbản dùngcho các phòngthí nghiệm đo lường trên khắpthế giới. Tuy nhiên, với bước ngoặc tiếp theo trong nghiên cứu siêu dẫn, chúng ta phải chờ thêmhơn haithập kỉ nữa, cho đến sự quan sáttình cờ của GeorgBednorz và Alex Müller thấy điện trở bằng khôngtại những nhiệtđộ cao hơn30 K ở hợp chất đồngoxidephân lớp. Sự khám phára “chất siêu dẫn nhiệt độ cao” của họ tại phòngthí nghiệm Zurichcủa hãng IBM vào năm 1986khôngchỉ mangvề chocặp đôi tác giả giải thưởng NobelVật lí năm1987, màcòn gây ra một làn sóngbùng nổ nghiêncứu trong lĩnh vực trên. Trongvòng một năm, M K Wu,PaulChu,cùng những cộng sự của họ,tại các trường Đại học Houston và Alabama đã pháthiện thấyhợp chất yttrium–barium–đồng-oxide– YBa 2 Cu 3 O 6.97 , còn gọi là YBCO,mặc dù lượng pháp chính xác lúc đó còn chưa rõ– cóthể siêudẫn ở nhiệtđộ đến 93 K. Vì nhiệt độ này cao hơn 16 Kso với điểm sôi của nitrogenlỏng,cho nên việc khám phá ra nhữngchất liệu này cho phép các nhà nghiên cứu lầnđầu tiên khảosát những ứng dụng của sự siêu dẫn bằng cách sử dụng mộtchất đônglạnh thông dụngvà rẻ tiền.Kỉ lụcnhiệt độ chuyển phađã được chứngminh là ở 138 Kvới chất HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d ở áp suất bất kì (hoặc 166 Kdưới áp suất 23 GPa). Với Bednorz và Müller khăn gói lên đường sang Stockholm nhận giải Nobel cho nghiên cứu củahọ về sự siêu dẫn,đây đúnglà thời khắc tuyệt vời đốivới những aiđangnghiêncứu trong lĩnh vựctrên. Đúnglà đã có hàng nghìn bài báo về sự siêu dẫn đượccông bố trong năm đó, cùng với phần lễ ăn mừng thâu đêm,nay đã trở thành huyền thoại, diễnra tại cuộc họp tháng 3 năm 1987của HộiVật lí Mĩ ở thành phố New Yorknay được đặt tên là “Woodstockcủa ngành vật lí”, tại đó những người thamgia, trong đó có tôi,đã cómột đêm quậy tưng bừng,khó quên. Công nghệ đi trước thời đại của nó Song songvớinhững tiếnbộ này trong ngành khoa học siêu dẫn là vô số những nỗ lực nhằm áp dụnghiệntượng trên để cải tiến công nghệ cũ và sángtạo ra những côngnghệ mới – chúngphong phú đủ loại,từ cái rất nhỏ (dùng cho máy vi tínhcực nhanh)cho đếncái rấtlớn (dùng cho phát điện). Thật vậy, thời kì từ thậpniên 1970 đến giữa thập niên 1980đã chứng kiến một số minhchứng kĩ thuật khá thành công của sự áp dụng siêu dẫn ở Mĩ, châu Âu và Nhật Bản.Trong lĩnh vựcnăng lượng,có lẽ nổi trội nhất là sự phát triển giữa năm 1975và 1985 của một đường cáp điện xoaychiều siêu dẫn tại Phòng thí nghiệmquốc gia Brookhavenở Mĩ, do Bộ Nănglượng Mĩ và Công ti Điện lực Philadelphia tài trợ. Thôi thúc trước viễn cảnh nhữngcụm lớn các nhà máy điệnhạt nhân đòi hỏi khả năng truyền tải lớn để phân phối điện năngphát ra của chúng, dây cáp siêu dẫn đã thu hútrất nhiều sự chú ý. Mặcdù tuyến cáp hoạtđộng, nhưng thật đáng tiếc, hóa ra nó không cần thiếtkhi mà nước Mĩ tiếp tục đốt than đá và bắt đầu chuyển sang đốt khí thiên nhiên. Tươngtự như vậy,ở Nhật Bản,nhiều công ti đã triểnkhai minh chứng của các tuyến cápđiện,máy phát điện, và máy biến áp siêu dẫn, tất cả chúng đều tỏ ra thành công nếu nhìn từ quan điểm kĩ thuật.Những dự ánnày được sự ủng hộ của chínhphủ Nhật Bản,vì lúcấy nướcnày chịu sự áp lực lớn về nhucầu điện năngdo sự bùngnổ dân số. Tuynhiên,những dự án đó đã không thành hiện thực,và tôi biết không códự án minhchứng siêu dẫn quantrọngnào ở Nhật Bản ngày nay, ngoại trừ tuyến đường thử nghiệm lựcnâng từ Yamanashi hoạt động hồi giữanhững năm 1970, sử dụngchất siêu dẫn niobium–titanium. Năm 1996,tôi cócôngbố một bài báo mangtựa đề “Sự siêu dẫn và sự cấp điện: hứahẹn,hứa hẹn quá khứ, hiện tại và tương lai”(IEEE Trans. Appl. Supercond. 7 1053), trong đó tôi đã nhìn thấy trước mộttương lai sáng sủacho sự siêu dẫn nhiệt độ cao.Một số lượnglớn các minhchứng thiết bị điện thành công đã xuấthiện sau đó, với nhiều công ti pháttriển cáp điện, máyphátđiện, máy điều điện (máy biến áp và ổnáp) siêu dẫn, tấtcả chúng đều tỏ ra thành công.Mặc dù một số trong những minhchứng này đã được biến thành những sản phẩm hoạt độngđược, nhưng córất nhiều công nghệ siêu dẫn tiêntiến hiệnvẫn đangnằm trên giá chờ tương lai đến,nếunhư cần thiết. Thật đáng tiếc, cho đến nay nóchẳng có nhiều tác độnggì lênngành công nghiệpđiện, lĩnh vực chịu sự chiphối lớn bởi chínhtrị vàsự thôngqua công chúng vì nó là công nghệ thiết yếu với cuộc sống hàng ngày. Trái lại, với ngành côngnghiệp điện tử, thì giáthành và hiệu quả - thí dụ như của laptophay điện thoại thông minhđời mớinhất – là tất cả. Một câu chuyệncó phầntương tự đi cùng với việc áp dụng sự siêu dẫn cho điện tử học, một thí dụ tuyệtvời là việc các máy vi tínhhoạt động trên “tiếp xúc Josephson”, cái hứa hẹn manglại tốc độ CPU nhanhhơn, tiêu hao nhiệt ít hơnso với công nghệ silicon lưỡng cựcđã thống trị từ thập niên1960 cho đến đầu thập niên1980. Hãng IBMvà chính phủ Nhật Bản đã đánh cượcnhiều vào sự thành công của nó, vì nóđã thành côngở góc độ kĩ thuật, nhưng nó đã bị lumờ trước sự xuấthiện của transistorhiệu ứng trườngkim loại oxide-silicon(MOSFET),cái đáp ứng cả hai mụctiêu vàkhông cần nhiệt độ đông lạnh. . Hành trìnhhướngđến điện trở bằngkhông - Phần 2 KỈ NIỆM 100 NĂM KHÁM PHÁ RA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN Paul Michael Grant (Physics World, tháng 4 /20 11) Kể từ khi khám phá ra. minhchứng thiết bị điện thành công đã xuấthiện sau đó, với nhiều công ti pháttriển cáp điện, máyphátđiện, máy điều điện (máy biến áp và ổnáp) siêu dẫn, tấtcả chúng đều tỏ ra thành công.Mặc dù một. thấy điện trở bằng khôngtại những nhiệtđộ cao hơn30 K ở hợp chất đồngoxidephân lớp. Sự khám phára “chất siêu dẫn nhiệt độ cao” của họ tại phòngthí nghiệm Zurichcủa hãng IBM vào năm 1986khôngchỉ