Hành trình tiến đến điện trở bằng không-phần 1

K NI M 100 N M KHÁM PHÁ RA HI N T N G SIÊU D NỈ Ệ Ă Ệ ƯỢ Ẫ Paul Michael Grant (Physics World, tháng 4/2011) K t khi khám phá ra nó cách ây 100 n m tr c , ki n th c c a chúng ta v s siêu d n ã phát tri n qua m t ch ng n g ch ng êm ái gì cho l m. Paul Michael Grant gi i ể ừ đ ă ướ ế ứ ủ ề ự ẫ đ ể ộ ặ đườ ẳ ắ ả thích t i sao hi n t ng p , tao nhã, và sáng giá này ti p t c ngáng chân và làm tiêu tan hi v ng c a các nhà v t lí v t ch t ng ng t ngày nay.ạ ệ ượ đẹ đẽ ế ụ ọ ủ ậ ậ ấ ư ụ Trong s nh ng khám phá trong ngành v t lí v t ch t ng ng t trong th k th 20, m t s ng i có th g i s siêu d n là “viên ng c sáng giá”. Nh ng ng i khác thì có th nói ố ữ ậ ậ ấ ư ụ ế ỉ ứ ộ ố ườ ể ọ ự ẫ ọ ữ ườ ể r ng vinh d úng ra nên thu c v các ch t bán d n ho c s gi i thích c u trúc c a ADN, vì nh ng l i ích to l n mà hai khám phá này mang n cho nhân lo i. Nh ng s khôngằ ựđ ộ ề ấ ẫ ặ ự ả ấ ủ ữ ợ ớ đế ạ ư ẽ ai ph nh n r ng khi m t i khoa h c, n g u là Heike Kamerlingh Onnes tình c b t g p s siêu d n – s v ng m t tuy t i c a i n tr - t i m t phòng thí nghi m ủ ậ ằ ộ độ ọ đứ đầ ờ ắ ặ ự ẫ ự ắ ặ ệ đố ủ đệ ở ạ ộ ệ ở thành ph Leiden, Hà Lan, cách nay 100 tr c , c ng ng khoa h c ã th t s b t ng . Bi t r ng các electron th ng d n i n không hoàn h o b i s va ch m liên t c v i ố ướ ộ đồ ọ đ ậ ự ấ ờ ế ằ ườ ẫ đệ ả ở ự ạ ụ ớ m ng nguyên t mà chúng i qua, cho nên th c t s d n i n còn có kh n ng hoàn h o d i nh ng i u ki n thích h p ã – và ang – ch c ch n ch ng h n gì s th n kì ạ ử đ ự ế ự ẫ đệ ả ă ả ướ ữ đề ệ ợ đ đ ắ ắ ẳ ơ ự ầ c .ả Vi c khám phá ra s siêu d n là nh i m c a m t cu c ch y ua gi a Onnes và nhà v t lí ng i Anh James Dewar khi h c nh tranh nhau t t i nhi t không tuy t i, ệ ự ẫ đỉ để ủ ộ ộ ạ đ ữ ậ ườ ọ ạ đạ ớ ệ độ ệ đố dùng nh ng d ng c ngày m t ph c t p h n hóa l ng các ch t khí. Onnes ã chi n th ng sau khi ông hóa l ng thành công helium b ng cách làm l nh nó xu ng 4,2 K, nh ữ ụ ụ ộ ứ ạ ơ để ỏ ấ đ ế ắ ỏ ằ ạ ố ờ ó ông ã giành gi i th ng Nobel V t lí n m 1913. (K l c nhi t th p hi n nay gi m c 10đ đ ả ưở ậ ă ỉ ụ ệ độ ấ ệ ữở ứ -15 K, m c dù, t t nhiên, v m t nhi t n g l c h c, không th nào t t i ặ ấ ề ặ ệ độ ự ọ ể đạ ớ độ không tuy t i) Nh ng các nhà v t lí không ch mu n t t i nhi t th p thôi, mà h còn mu n khai thác nó n a. Cái khêu g i trí tò mò c a h n a là tìm hi u xem tính ch t ệ đố ư ậ ỉ ố đạ ớ ệ độ ấ ọ ố ữ ợ ủ ọ ữ ể ấ c a các ch t li u, c bi t là s d n i n c a chúng, thay i nh th nào d i nh ng i u ki n l nh giá. N m 1900, nhà v t lí ng i c Paul Drude – d a trên nh ng ph ng ủ ấ ệ đặ ệ ự ẫ đệ ủ đổ ư ế ướ ữ đề ệ ạ ă ậ ườ Đứ ự ữ ỏ oán và thí nghi m c a J.J Thomson và Kelvin r ng dòng i n là dòng ch y c a nh ng h t tích i n, nh xíu, r i r c – ã cho r ng i n tr c a các ch t d n i n có nguyên đ ệ ủ ằ đệ ả ủ ữ ạ đệ ỏ ờ ạ đ ằ đệ ở ủ ấ ẫ đệ nhân do nh ng th c th này ph n x không àn h i kh i nh ng nguyên t ang dao ng.ữ ự ể ả ạ đ ồ ỏ ữ ử đ độ V y cái gì s x y ra v i i n tr c a m t kim lo i dìm trong helium l ng m i t o ra ó? Các nhà v t lí có ba m i ng v c chính. Th nh t là i n tr s liên t c gi m xu ng n ậ ẽ ả ớ đệ ở ủ ộ ạ ỏ ớ ạ đ ậ ố ờ ự ứ ấ đệ ở ẽ ụ ả ố đế b ng không. Th hai là s d n i n s bão hòa m t giá tr th p cho tr c nào ó vì luôn luôn có m t s t p ch t mà các electron b tán x . Tuy nhiên, có l quan i m ph ằ ứ ự ẫ đệ ẽ ở ộ ị ấ ướ đ ộ ố ạ ấ ị ạ ẽ để ổ bi n nh t – c d oán b i b c tranh nh ng qu o nguyên t r i r c, xác nh – là các electron cu i cùng s b b t gi , d n t i m t i n tr vô h n. Nh ng tr c khi m t aiế ấ đượ ựđ ở ứ ữ ỹđạ ử ờ ạ đị ố ẽ ị ắ ữ ẫ ớ ộ đệ ở ạ ư ướ ộ ó có câu tr l i ch c ch n, các nhà nghiên c u c n có m t m u kim lo i r t nguyên ch t.đ ả ờ ắ ắ ứ ầ ộ ẫ ạ ấ ấ nh: Equinox Graphics/Science Photo LibraryẢ Gilles Holst, m t tr lí nghiên c u trong vi n c a Onnes t i tr ng i h c Leiden, ngh r ng có th thu c m t m u nh th b ng cách nh gi t nhi u l n th y ngân l ng ộ ợ ứ ệ ủ ạ ườ Đạ ọ ĩ ằ ể đượ ộ ẫ ư ế ằ ỏ ọ ề ầ ủ ỏ để lo i b t p ch t mà ng i ta bi t là s l n át s tán x d i 10 K. Phòng thí nghi m Leiden có r t nhi u kinh nghi m trong vi c ch t o i n tr th y ngân dùng làm nhi t k , ạ ỏ ạ ấ ườ ế ẽ ấ ự ạở ướ ệ ấ ề ệ ệ ế ạ đệ ở ủ ệ ế và Holst xu t ch a th y ngân trong m t ng mao d n gi cho nó càng tinh khi t càng t t tr c khi dìm nó trong m t m u helium l ng. Và th là vào tháng 4 n m 2011 đề ấ ứ ủ ộ ố ẫ để ữ ế ố ướ ộ ẫ ỏ ế ă (ngày tháng chính xác thì cho n nay ch ng ai rõ, vì s sách ghi ghép c a Onnes v n không rõ ràng và l n x n), Holst và k thu t viên phòng thí nghi m c a ông Gerrit Flim ã đế ẳ ổ ủ ố ộ ộ ĩ ậ ệ ủ đ phát hi n th y i n tr c a th y ngân l ng, khi c làm l nh xu ng t i 4,2 K, t t i m t giá tr nh n m c không th nào o c . Hi n t ng này – s v ng m t hoàn toàn ệ ấ đệ ở ủ ủ ỏ đượ ạ ố ớ đạ ớ ộ ị ỏđế ứ ể đ đượ ệ ượ ự ắ ặ c a i n tr - là d u hi u xác nh n c a s siêu d n. Tr trêu thay, giá nh i Leiden qu n m t m u chì hay h p kim t xung quanh phòng thí nghi m trên – thay vì s d ng ủ đệ ở ấ ệ ậ ủ ự ẫ ớ ưđộ ấ ộ ẫ ợ đặ ệ ử ụ th y ngân – thì công vi c c a h có l ã nh nhàng h n nhi u, vì chì tr nên siêu d n nhi t cao h n nhi u – 7,2 K. Th t v y, ba n m sau ó, theo xu t c a Paul ủ ệ ủ ọ ẽđ ẹ ơ ề ở ẫ ở ệ độ ơ ề ậ ậ ă đ đề ấ ủ Ehrenfest, các nhà nghiên c u t i phòng thí nghi m Leiden ã có th t o ra và o nh ng dòng i n “b n b” (chúng có th t n t i trong m t t n m) trong m t m u vòng chì n ứ ạ ệ đ ể ạ đ ữ đệ ề ỉ ể ồ ạ ộ ỉ ă ộ ẫ đơ gi n.ả Vinh quang lch s r ng Onnes là ng i duy nh t khám phá ra cái ông g i là "supra-conduction", theo quan i m c a tôi là sai l m. (N i công trình c công b u tiên khó ị ử ằ ườ ấ ọ để ủ ầ ơ đượ ốđầ tìm ra, m c dù b n báo cáo u tiên vi t b ng ti ng Anh là trên t p chí Hà Lanặ ả đầ ế ằ ế ạ Thông tin t Phòng thí nghi m V t lí t i tr n g i h c Leidenừ ệ ậ ạ ườ Đạ ọ (120b 1911) Rõ ràng, khám phá trên s không x y ra n u không có Onnes, nh ng vi c công b k t qu mà không có các ng s c a ông làm ng tác gi là cái ngày nay chúng ta không th nào hi u n i. ẽ ả ế ư ệ ố ế ả đồ ự ủ đồ ả ể ể ổ Ở m c t i thi u thì công b trên ph i c ng tên c a Onnes và Holst. Nh lch s cho th y, cu c s ng ã bù p cho Holst, ông tr thành giám c sáng l p c a Phòng ứ ố ể ố ả đượ đứ ủ ư ị ử ấ ộ ố đ đắ ở đố ậ ủ Nghiên c u Philips Eindhoven và là m t giáo s danh ti ng t i Leiden. Nh ng i u ó không có ngha là ông và nh ng ng i khác n a b lãng quên khi chúng ta k ni m tròn ứ ở ộ ư ế ạ ư đề đ ĩ ữ ườ ữ ị ỉ ệ m t th k khám phá ra s siêu d n.ộ ế ỉ ự ẫ H c cách phân lo i siêu d nọ ạ ẫ Sau khám phá n m 1911, nghiên c u v s siêu d n ã gi m chân t i ch trong vài th p k, ch y u là vì vi c xây d ng phòng thí nghi m gi ng nh c s Leiden là khó kh n ă ứ ề ự ẫ đ ẫ ạ ỗ ậ ỉ ủ ế ệ ự ệ ố ư ơ ở ă và t n kém. Tuy nhiên, nghiên c u c ng không ti n b vì tr ng thái i n tr b ng không bi n m t quá d dàng khi m u t trong m t t tr ng dù là khá khiêm t n. V n là aố ứ ũ ế ộ ạ đệ ở ằ ế ấ ễ ẫ đặ ộ ừ ườ ố ấ đề đ s các ch t siêu d n bu i u là nh ng kim lo i n gi n – hay ch t siêu d n “lo i I” nh ng i ta th ng g i – trong ó tr ng thái siêu d n ch t n t i bên trong b m t ch ng ố ấ ẫ ổ đầ ữ ạ đơ ả ấ ẫ ạ ư ườ ườ ọ đ ạ ẫ ỉ ồ ạ ề ặ ừ m t micron c a chúng. Onnes và nh ng ng i khác n a l p t c nh n ra gi c m bi n chúng thành ch t d n i n “bình th ng”, khi ó s siêu d n có th làm cách m ng hóa ộ ủ ữ ườ ữ ậ ứ ậ ấ ơ ế ấ ẫ đệ ườ đ ự ẫ ể ạ m ng l i i n b i s cho phép dòng i n truy n i mà không b t n th t i n n ng.ạ ướ đệ ở ự đệ ề đ ị ổ ấ đệ ă Tuy nhiên, nh ng phòng thí nghi m khác châu Âu – và sau ó B c M n a – cu i cùng ã b t u phát tri n nh ng c s ông l nh helium l ng c a riêng h , và s c ữ ệ ở đ ở ắ ĩ ữ ố đ ắ đầ ể ữ ơ ở đ ạ ỏ ủ ọ ựđộ quy n t i Leiden t t b phá v , s h ng thú và ti n b trong nghiên c u siêu d n d n l y l i phong . N m 1933, Walther Meissner và Robert Ochsenfeld quan sát th y m i ề ạ ừ ừ ị ỡ ự ứ ế ộ ứ ẫ ầ ấ ạ độ ă ấ ọ t tr ng g n m t ch t li u siêu d n u b y ra kh i m u hoàn toàn m t khi nó c làm l nh xu ng d i “nhi t chuy n ti p”,ừ ườ ở ầ ộ ấ ệ ẫ đề ị đẩ ỏ ẫ ộ đượ ạ ố ướ ệ độ ể ế T C , nhi t t i ó nó m t toàn b i n tr .ệ độ ạ đ ấ ộđệ ở Các n g s c t , trong nh ng tr ng h p bình th n g s i xuyên qua ch t li u, gi ph i ch y vòng quanh ch t siêu d n (hình 1). K t qu này, xu t hi n hoàn toàn b t ng , đườ ứ ừ ữ ườ ợ ườ ẽđ ấ ệ ờ ả ạ ấ ẫ ế ả ấ ệ ấ ờ không bao lâu sau ó c ti p n i thêm b i quan sát c a Willem Keesom và Jđ đượ ế ố ở ủ Kok th y o hàm c a nhi t c tr ng c a m t ch t siêu d n nh y b c t ng t khi ch t li u ấ đạ ủ ệ đặ ư ủ ộ ấ ẫ ả ướ độ ộ ấ ệ c làm l nh xu ng d iđượ ạ ố ướ T C . Ngày nay, vi c quan sát th y c hai hi u ng kì l này – “s nghch t ” và “d th ng nhi t c tr ng b c hai” – là tiêu chu n vàng ch ng minhệ ấ ả ệ ứ ạ ự ị ừ ị ườ ệ đặ ư ậ ẩ để ứ s t n t i c a s siêu d n. (Th t ra, theo s sách thì phép o th hai v a nói c th c hi n b i v c a Keesom, ng i khi y c ng là m t nhà v t lí nh ng ch a có tên tu i gì).ự ồ ạ ủ ự ẫ ậ ử đ ứ ừ đượ ự ệ ở ợ ủ ườ ấ ũ ộ ậ ư ư ổ Hình 1. M t trong nh ng tính ch t kì l nh t c a các ch t siêu d n là cái x y ra khi t chúng g n m t t tr n g. nhi t cao và c m ng t m nh (vùng màu xanh), các ộ ữ ấ ạ ấ ủ ấ ẫ ả đặ ở ầ ộ ừ ườ Ở ệ độ ả ứ ừ ạ n g s c t i xuyên qua ch t li u úng nh ng i ta trông i . Nh ng nh Walther Meissner và Robert Ochsenfeld phát hi n ra vào n m 1933, khi m t ch t siêu d n c đườ ứ ừđ ấ ệ đ ư ườ đợ ư ư ệ ă ộ ấ ẫ đượ làm l nh xu ng d i nhi t chuy n pha, Tạ ố ướ ệ độ ể C , nhi t t i ó dòng i n có th ch y mà không có i n tr , thì các n g s c t b y ra kh i ch t li u và ph i i vòng qua m u ệ độ ạ đ đệ ể ạ đệ ở đườ ứ ừ ịđẩ ỏ ấ ệ ả đ ẫ ch t – cái g i là “hi u ng Meissner” (vùng màu vàng). Nh ng ch t siêu d n nh t nh, g i là “lo i II”, có th t n t i trong m t “tr ng thái xoáy” (vùng màu l c), trong ó các vùng ấ ọ ệ ứ ữ ấ ẫ ấ đị ọ ạ ể ồ ạ ộ ạ ụ đ con có i n tr và vùng con siêu d n n g th i t n t i. Các trình di n th c nghi m nâng b ng t luôn luôn s d ng ch t siêu d n lo i II vì các xoáy t xoay tròn t i ch , làm cho đệ ở ẫ đồ ờ ồ ạ ễ ự ệ ằ ừ ử ụ ấ ẫ ạ ừ ạ ỗ nam châm k ó cân b ng khi nó l l ng. ( nh: Yorick van Boheemen)ếđ ằ ơ ử Ả Nh ng n m gi a th p niên 1930 ã ch ng ki n s khám phá c a Lev Shubnikov v s siêu d n các h p kim – nh ng ch t li u trong ó t tr ng t i h n (trên giá tr ó s ữ ă ữ ậ đ ứ ế ự ủ ề ự ẫ ở ợ ữ ấ ệ đ ừ ườ ớ ạ ị đ ự siêu d n bi n m t) cao h n nhi u so v i nh ng kim lo i nguyên ch t n gi n. Nghiên c u th c nghi m và lí thuy t c a nh ng h p kim này – t tên là “lo i II” – nhanh chóngẫ ế ấ ơ ề ớ ở ữ ạ ấ đơ ả ứ ự ệ ế ủ ữ ợ đặ ạ l n át nghiên c u v s siêu d n, c bi t Liên Xô, d i s lãnh o c a Pyotr Kapitsa, Lev Landau và Shubnikov. (Shubnikov là ng i Do Thái, ông b l c l ng c nhi m ấ ứ ề ự ẫ đặ ệ ở ướ ự đạ ủ ườ ị ự ượ đặ ệ t ng vào tù vào n m 1937 trong chi n dch thanh l c c a Stalin, và sau ó c phóng thích vào n m 1945). Nh ng n l c lí thuy t c a ng i Xô Vi t v c h c th ng kê c a ố ă ế ị ọ ủ đ đượ ă ữ ỗ ự ế ủ ườ ế ề ơ ọ ố ủ s siêu d n – và hi n t ng siêu ch y có liên quan – ti p t c di n ra trong su t Th chi n th hai và Chi n tranh l nh, ch y u d i s ch o c a Vitaly Ginzburg, Alexei ự ẫ ệ ượ ả ế ụ ễ ố ế ế ứ ế ạ ủ ế ướ ự ỉ đạ ủ Abrikosov và Lev Gor'kov. M c dù ph n l n k t qu c a h trong th i kì y không c ph ng Tây bi t n , nh ng mô hình Ginzburg–Landau–Abrikosov–Gor'kov, hay ặ ầ ớ ế ả ủ ọ ờ ấ đượ ươ ế đế ư "GLAG", ã t n n t ng cho m i ng d ng th c ti n c a s siêu d n. Mô hình trên th t h u ích vì nó mang tính kinh nghi m và nhi t n g l c h c trong t nhiên, và do ó đ đặ ề ả ọ ứ ụ ự ễ ủ ự ẫ ậ ữ ệ ệ độ ự ọ ự đ không ph thu c vào c s v t lí vi mô lát n g cho m t chuy n ti p pha b c hai c bi t, cho dù là t tính, tính siêu ch y hay siêu d n.ụ ộ ơ ở ậ đườ ộ ể ế ậ đặ ệ ừ ả ẫ . K NI M 10 0 N M KHÁM PHÁ RA HI N T N G SIÊU D NỈ Ệ Ă Ệ ƯỢ Ẫ Paul Michael Grant (Physics World, tháng 4/2 011 ) K t khi khám phá ra nó cách ây 10 0 n m tr c , ki n th c c a chúng. hóa l ng thành công helium b ng cách làm l nh nó xu ng 4,2 K, nh ữ ụ ụ ộ ứ ạ ơ để ỏ ấ đ ế ắ ỏ ằ ạ ố ờ ó ông ã giành gi i th ng Nobel V t lí n m 19 13. (K l c nhi t th p hi n nay gi m c 10 đ đ ả ưở. Lanặ ả đầ ế ằ ế ạ Thông tin t Phòng thí nghi m V t lí t i tr n g i h c Leidenừ ệ ậ ạ ườ Đạ ọ (12 0b 19 11) Rõ ràng, khám phá trên s không x y ra n u không có Onnes, nh ng vi c công b k t qu mà không