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 nm tr c, ki n th c ca chúng ta v s siêu dn ã phát tri n qua mt chng n g chng êm ái gì cho l m. Paul Michael Grant gi i thích t i sao hin t ng p , ể ừ đ ă ướ ế ứ ủ ề ự ẫ đ ể ộ ặ đườ ẳ ắ ả ạ ệ ượ đẹ đẽ 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 vt ch t ngng t ngày nay.ế ụ ọ ủ ậ ậ ấ ư ụ >> Xem Ph n 1ầ Ti n t i lí thuy t BCSế ớ ế Ti n b trong vi c làm sáng t lí thuy t c s c a s siêu d n di n ra ch m ch p h n. N m 1935, Fritz và Heinz London xu t m t “ i u chnh” mang tính hi n t n g h c cho ế ộ ệ ỏ ế ơ ở ủ ự ẫ ễ ậ ạ ơ ă đề ấ ộ đề ỉ ệ ượ ọ các ph n g trình thành ph n Maxwell mang l i khái ni m “chi u sâu xâm nh p” c a t tr n g bên ngoài t vào b m t ch t siêu d n. Tuy nhiên, mãi cho n gi a th p ươ ầ để ạ ệ ề ậ ủ ừ ườ đặ ề ặ ấ ẫ đế ữ ậ niên 1950 thì m ng l i lí thuy t xung quanh s siêu d n cu i cùng m i c làm sáng t , có nh ng n l c m hoa k t trái do m t s nhà v t lí xu t s c nh t c a th k 20 xâyạ ướ ế ự ẫ ố ớ đượ ỏ ữ ỗ ự đơ ế ộ ố ậ ấ ắ ấ ủ ế ỉ d ng, trong ó có Dirac, Einstein, Feynman và Pauli. Thành t u này cu i cùng ã t t i c b i John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer, a t i cái ngày nay g i là ự đ ự ố đ đạ ớ đượ ở đư ớ ọ lí thuy t BCS, nh ó b ba tác gi ã cùng chia s Gi i th n g Nobel V t lí n m 1972. M t phát tri n quan tr ng là s xác nh c a Cooper r ng m t ch t khí electron là không ế ờđ ộ ả đ ẻ ả ưở ậ ă ộ ể ọ ự đị ủ ằ ộ ấ b n trong s có m t c a m i t n g tác hút dù là r t nh , d n t i các electron ghép c p l i v i nhau. Bardeen cùng ng i h c trò c a ông, Schrieffer, khi ó nh n ra r ng tr ng ề ự ặ ủ ọ ươ ấ ỏ ẫ ớ ặ ạ ớ ườ ọ ủ đ ậ ằ ạ thái l n g t thu c ph i có b n ch t v mô và th ng kê.ượ ử đượ ả ả ấ ĩ ố Nh ng t ng tác hút ó t âu mà có? Vào n m 1950, Emanuel Maxwell C c Tiêu chu n Qu c gia M l u ý r ng nhi t chuy n pha c a th y ngân b dch chuy n tùy thu c ư ươ đ ừ đ ă ở ụ ẩ ố ĩ ư ằ ệ độ ể ủ ủ ị ị ể ộ vào các ng v c a nó c s d ng trong m u ch t nh t nh, cho th y trong s siêu d n có liên quan n nh ng dao n g m ng, hay “phonon”. Lí thuy t BCS ch ng minh, đồ ị ủ đượ ử ụ ẫ ấ ấ đị ấ ự ẫ đế ữ độ ạ ế ứ cho tr c nh ng i u ki n thích h p, r ng nh ng dao n g này – chúng th n g là nguyên nhân gây ra i n tr bên trong c a kim lo i – có th mang l i t n g tác hút cho phép ướ ữ đề ệ ợ ằ ữ độ ườ đệ ở ủ ạ ể ạ ươ m t ch t li u d n màộ ấ ệ ẫ không có i n tr .đệ ở Khá n gi n, lí thuy t BCS c x p là m t trong nh ng thành t u tao nhã nh t c a ngành v t lí v t ch t ng ng t . Nói chung, nó mô t s ghép c p c a hai fermion trung đơ ả ế đượ ế ộ ữ ự ấ ủ ậ ậ ấ ư ụ ả ự ặ ủ chuy n b i m t tr n g boson: m i fermion, ghép b i m i boson. T t c nh ng ch t siêu d n ã bi t u tuân theo công th c chung mà lí thuy t BCS a ra, d ng c b n c a ể ở ộ ườ ọ ở ọ ấ ả ữ ấ ẫ đ ế đề ứ ế đư ạ ơ ả ủ nó là m t bi u th c h t s c n gi n:ộ ể ứ ế ứ đơ ả T c _ /eΘ 1/λ , trong óđ T c là nhi t chuy n pha, hay nhi t t i h n, nhi t mà d i ó m t ch t li u tr nên siêu d n, là nhi t c ệ độ ể ệ độ ớ ạ ệ độ ướ đ ộ ấ ệ ở ẫ Θ ệ độ đặ tr ng c a tr ng boson (nhi t Debye n u nó g m các phonon), và là h ng s k t h p c a tr n g ó v i các fermion (electron và/ho c l tr ng trong ch t r n). M t ch t li uư ủ ườ ệ độ ế ồ λ ằ ố ế ợ ủ ườ đ ớ ặ ỗ ố ấ ắ ộ ấ ệ có giá tr l n th n g là m t ng c viên t t dùng làm ch t siêu d n, cho dù – h i ph n tr c giác m t chút - nó là m t kim lo i “nghèo” d i nh ng i u ki n bình th n g v i ịλ ớ ườ ộ ứ ử ố ấ ẫ ơ ả ự ộ ộ ạ ướ ữ đề ệ ườ ớ nh ng electron liên t c b n y kh i m ng tinh th ang dao ng. i u này gi i thích t i sao sodium (natri), vàng, b c và n g, m c dù là nh ng kim lo i t t, nh ng l i không ữ ụ ị ả ỏ ạ ể đ độ Đề ả ạ ạ đồ ặ ữ ạ ố ư ạ ph i ch t siêu d n, trong khi chì thì l i siêu d n (hình 2).ả ấ ẫ ạ ẫ Tuy nhiên, BCS là m t s mô t và nh tính, ch không nh l n g. Không gi ng nh các ph n g trình Newton ho c Maxwell ho c c s c a lí thuy t d i khe n ng l n g c a ộ ự ả đị ứ đị ượ ố ư ươ ặ ặ ơ ở ủ ế ả ă ượ ủ ch t bán d n, cái mà v i ó các nhà nghiên c u có th thi t k ra nh ng c u n i, m ch i n và chip máy tính, và dám qu quy t chúng s ho t ng nh th nào, lí thuy t BCS ấ ẫ ớ đ ứ ể ế ế ữ ầ ố ạ đệ ả ế ẽ ạ độ ư ế ế r t t vi c ch ra nên dùng nh ng ch t li u nào ho c làm sao ch t o ra nh ng ch t siêu d n m i. Nói chung, khám phá ra s siêu d n là m t thành t u trí tu , úng nh l i ấ ệở ệ ỉ ữ ấ ệ ặ ế ạ ữ ấ ẫ ớ ự ẫ ộ ự ệ đ ư ờ nhà v t lí g c c Berndt Matthias ã nói, “BCS cho chúng ta bi t m i th , nh ng ch ng tìm th y cho chúng ta cái gì c ”.ậ ố Đứ đ ế ọ ứ ư ẳ ấ ả Hình 2. H n 100 nm qua, ngày càng có nhiu nguyên t trong b ng tun hoàn hóa hc c tìm th y là có tính siêu dn. B ng trên th hin nh ng nguyên t siêu d n áp sut tùy ý (tô màu vàng/cam), và ơ ă ề ố ả ầ ọ đượ ấ ẫ ả ể ệ ữ ố ẫ ở ấ nh ng nguyên t ch siêu dn áp su t cao (tô màu tím). nh: Stephen Blundell (Trích, Tìm hiu S siêu d n, 2009, NXB i hc Oxford)ữ ố ỉ ẫ ở ấ Ả ể ự ẫ Đạ ọ Nh ng b c ngo c mu n sau nàyữ ướ ặ ộ Sau s phát tri n c a lí thuy t BCS, m t trong nh ng b c ngo c v nghiên c u siêu d n là d oán n m 1962 c a Brian Josephson t i tr n g i h c Cambridge Anh qu cự ể ủ ế ộ ữ ướ ặ ề ứ ẫ ựđ ă ủ ạ ườ Đạ ọ ở ố r ng m t dòng i n có th chui h m qua gi a hai ch t siêu d n phân cách nhau b i m t l p cách i n m ng ho c m t hàng rào kim lo i bình th n g. Hi n t ng này, ngày nayằ ộ đệ ể ầ ữ ấ ẫ ở ộ ớ đệ ỏ ặ ộ ạ ườ ệ ượ g i là hi u ng Josephson, l n u tiên c quan sát th y vào n m sau ó b i John Rowell và Philip Anderson phòng thí nghi m Bell, và ã mang l i s phát tri n c a d ng ọ ệ ứ ầ đầ đượ ấ ă đ ở ở ệ đ ạ ự ể ủ ụ c giao thoa l n g t siêu d n, hay SQUID, d ng c có th o nh ng t tr n g r t nh và ng th i mang l i m t chu n i n áp d dàng nhân b n dùng cho các phòng thí ụ ượ ử ẫ ụ ụ ể đ ữ ừ ườ ấ ỏ đồ ờ ạ ộ ẩ đệ ễ ả nghi m o l n g trên kh p th gi i.ệ đ ườ ắ ế ớ Tuy nhiên, v i b c ngo c ti p theo trong nghiên c u siêu d n, chúng ta ph i ch thêm h n hai th p k n a, cho n s quan sát tình c c a Georg Bednorz và Alex Müller ớ ướ ặ ế ứ ẫ ả ờ ơ ậ ỉ ữ đế ự ờ ủ th y i n tr b ng không t i nh ng nhi t cao h n 30 K h p ch t n g oxide phân l p. S khám phá ra “ch t siêu d n nhi t cao” c a h t i phòng thí nghi m Zurich c a ấ đệ ở ằ ạ ữ ệ độ ơ ở ợ ấ đồ ớ ự ấ ẫ ệ độ ủ ọ ạ ệ ủ hãng IBM vào n m 1986 không ch mang v cho c p ôi tác gi gi i th n g Nobel V t lí n m 1987, mà còn gây ra m t làn sóng bùng n nghiên c u trong lnh v c trên. Trong ă ỉ ề ặ đ ả ả ưở ậ ă ộ ổ ứ ĩ ự vòng m t n m, Mộ ă K Wu, Paul Chu, cùng nh ng c ng s c a h , t i các tr n g i h c Houston và Alabama ã phát hi n th y h p ch t yttrium–barium– ng- oxide – ữ ộ ự ủ ọ ạ ườ Đạ ọ đ ệ ấ ợ ấ đồ YBa 2 Cu 3 O 6.97 , còn g i là YBCO, m c dù l ng pháp chính xác lúc ó còn ch a rõ – có th siêu d n nhi t n 93 K. Vì nhi t này cao h n 16 K so v i i m sôi c a ọ ặ ượ đ ư ể ẫ ở ệ độ đế ệ độ ơ ớ để ủ nitrogen l ng, cho nên vi c khám phá ra nh ng ch t li u này cho phép các nhà nghiên c u l n u tiên kh o sát nh ng ng d ng c a s siêu d n b ng cách s d ng m t ch t ỏ ệ ữ ấ ệ ứ ầ đầ ả ữ ứ ụ ủ ự ẫ ằ ử ụ ộ ấ ông l nh thông d ng và r ti n. K l c nhi t chuy n pha ã c ch ng minh là 138 K v i ch t HgBađ ạ ụ ẻ ề ỉ ụ ệ độ ể đ đượ ứ ở ớ ấ 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d áp su t b t kì (ho c 166 K d i áp su t 23 GPa).ở ấ ấ ặ ướ ấ V i Bednorz và Müller kh n gói lên n g sang Stockholm nh n gi i Nobel cho nghiên c u c a h v s siêu d n, ây úng là th i kh c tuy t v i i v i nh ng ai ang nghiên ớ ă đườ ậ ả ứ ủ ọ ề ự ẫ đ đ ờ ắ ệ ờ đố ớ ữ đ c u trong lnh v c trên. úng là ã có hàng nghìn bài báo v s siêu d n c công b trong n m ó, cùng v i ph n l n m ng thâu êm, nay ã tr thành huy n tho i, di n ứ ĩ ự Đ đ ề ự ẫ đượ ố ă đ ớ ầ ễă ừ đ đ ở ề ạ ễ ra t i cu c h p tháng 3 n m 1987 c a H i V t lí M thành ph New York nay c t tên là “Woodstock c a ngành v t lí”, t i ó nh ng ng i tham gia, trong ó có tôi, ã có ạ ộ ọ ă ủ ộ ậ ĩ ở ố đượ đặ ủ ậ ạ đ ữ ườ đ đ m t êm qu y t ng b ng, khó quên.ộ đ ậ ư ừ Công ngh i tr c th i i c a nóệ đ ướ ờ đạ ủ Song song v i nh ng ti n b này trong ngành khoa h c siêu d n là vô s nh ng n l c nh m áp d ng hi n t n g trên c i ti n công ngh c và sáng t o ra nh ng công nghớ ữ ế ộ ọ ẫ ố ữ ỗ ự ằ ụ ệ ượ để ả ế ệ ũ ạ ữ ệ m i – chúng phong phú lo i, t cái r t nh (dùng cho máy vi tính c c nhanh) cho n cái r t l n (dùng cho phát i n ). Th t v y, th i kì t th p niên 1970 n gi a th p niên ớ đủ ạ ừ ấ ỏ ự đế ấ ớ đệ ậ ậ ờ ừ ậ đế ữ ậ 1980 ã ch ng ki n m t s minh ch ng k thu t khá thành công c a s áp d ng siêu d n M, châu Âu và Nh t B n. Trong lnh v c n ng l n g, có l n i tr i nh t là s phát đ ứ ế ộ ố ứ ĩ ậ ủ ự ụ ẫ ở ĩ ậ ả ĩ ự ă ượ ẽ ổ ộ ấ ự tri n gi a n m 1975 và 1985 c a m t n g cáp i n xoay chi u siêu d n t i Phòng thí nghi m qu c gia Brookhaven M, do B N ng l n g M và Công ti i n l c ể ữ ă ủ ộ đườ đệ ề ẫ ạ ệ ố ở ĩ ộ ă ượ ĩ Đệ ự Philadelphia tài tr . Thôi thúc tr c vi n c nh nh ng c m l n các nhà máy i n h t nhân òi h i kh n ng truy n t i l n phân ph i i n n ng phát ra c a chúng, dây cáp siêuợ ướ ễ ả ữ ụ ớ đệ ạ đ ỏ ả ă ề ả ớ để ố đệ ă ủ d n ã thu hút r t nhi u s chú ý. M c dù tuy n cáp ho t n g, nh ng th t áng ti c, hóa ra nó không c n thi t khi mà n c M ti p t c t than á và b t u chuy n sang t ẫ đ ấ ề ự ặ ế ạ độ ư ậ đ ế ầ ế ướ ĩ ế ụ đố đ ắ đầ ể đố khí thiên nhiên. T n g t nh v y, Nh t B n, nhi u công ti ã tri n khai minh ch ng c a các tuy n cáp i n, máy phát i n, và máy bi n áp siêu d n, t t c chúng u t ra ươ ự ư ậ ở ậ ả ề đ ể ứ ủ ế đệ đệ ế ẫ ấ ả đề ỏ thành công n u nhìn t quan i m k thu t. Nh ng d án này c s ng h c a chính ph Nh t B n, vì lúc y n c này chu s áp l c l n v nhu c u i n n ng do s bùng ế ừ để ĩ ậ ữ ự đượ ựủ ộ ủ ủ ậ ả ấ ướ ị ự ự ớ ề ầ đệ ă ự n dân s . Tuy nhiên, nh ng d án ó ã không thành hi n th c, và tôi bi t không có d án minh ch ng siêu d n quan tr ng nào Nh t B n ngày nay, ngo i tr tuy n n g ổ ố ữ ự đ đ ệ ự ế ự ứ ẫ ọ ở ậ ả ạ ừ ế đườ th nghi m l c nâng t Yamanashi ho t n g h i gi a nh ng n m 1970, s d ng ch t siêu d n niobium–titanium.ử ệ ự ừ ạ độ ồ ữ ữ ă ử ụ ấ ẫ N m 1996, tôi có công b m t bài báo mang t a “S siêu d n và s c p i n: h a h n, h a h n quá kh , hi n t i và t n g lai” (ă ố ộ ự đề ự ẫ ự ấ đệ ứ ẹ ứ ẹ ứ ệ ạ ươ IEEE Trans. Appl. Supercond. 7 1053), trong ó đ tôi ã nhìn th y tr c m t t ng lai sáng s a cho s siêu d n nhi t cao. M t s l ng l n các minh ch ng thi t b i n thành công ã xu t hi n sau ó, v i nhi u công ti phátđ ấ ướ ộ ươ ủ ự ẫ ệ độ ộ ố ượ ớ ứ ế ị đệ đ ấ ệ đ ớ ề tri n cáp i n, máy phát i n, máy i u i n (máy bi n áp và n áp) siêu d n, t t c chúng u t ra thành công. M c dù m t s trong nh ng minh ch ng này ã c bi n ể đệ đệ đề đệ ế ổ ẫ ấ ả đề ỏ ặ ộ ố ữ ứ đ đượ ế thành nh ng s n ph m ho t n g c , nh ng có r t nhi u công ngh siêu d n tiên ti n hi n v n ang n m trên giá ch t n g lai n, n u nh c n thi t. Th t áng ti c, cho ữ ả ẩ ạ độ đượ ư ấ ề ệ ẫ ế ệ ẫ đ ằ ờ ươ đế ế ư ầ ế ậ đ ế n nay nó ch ng có nhi u tác n g gì lên ngành công nghi p i n, lnh v c chu s chi ph i l n b i chính tr và s thông qua công chúng vì nó là công ngh thi t y u v i cu c đế ẳ ề độ ệ đệ ĩ ự ị ự ố ớ ở ị ự ệ ế ế ớ ộ s ng hàng ngày. Trái l i, v i ngành công nghi p i n t , thì giá thành và hi u qu - thí d nh c a laptop hay i n tho i thông minh i m i nh t – là t t c .ố ạ ớ ệ đệ ử ệ ả ụ ư ủ đệ ạ đờ ớ ấ ấ ả M t câu chuy n có ph n t n g t i cùng v i vi c áp d ng s siêu d n cho i n t h c, m t thí d tuy t v i là vi c các máy vi tính ho t n g trên “ti p xúc Josephson”, cái h a ộ ệ ầ ươ ự đ ớ ệ ụ ự ẫ đệ ử ọ ộ ụ ệ ờ ệ ạ độ ế ứ h n mang l i t c CPU nhanh h n, tiêu hao nhi t ít h n so v i công ngh silicon l n g c c ã th ng tr t th p niên 1960 cho n u th p niên 1980. Hãng IBM và chính ẹ ạ ố độ ơ ệ ơ ớ ệ ưỡ ự đ ố ị ừ ậ đế đầ ậ ph Nh t B n ã ánh c c nhi u vào s thành công c a nó, vì nó ã thành công góc k thu t, nh ng nó ã b lu m tr c s xu t hi n c a transistor hi u ng tr n g kimủ ậ ả đ đ ượ ề ự ủ đ ở độ ĩ ậ ư đ ị ờ ướ ự ấ ệ ủ ệ ứ ườ lo i oxide-silicon (MOSFET), cái áp ng c hai m c tiêu và không c n nhi t ông l nh.ạ đ ứ ả ụ ầ ệ độ đ ạ . ch ng minh là 138 K v i ch t HgBađ ạ ụ ẻ ề ỉ ụ ệ độ ể đ đượ ứ ở ớ ấ 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d áp su t b t kì (ho c 166 K d i áp su t 23 GPa).ở ấ ấ ặ ướ ấ V i Bednorz và Müller kh n gói lên n g sang Stockholm. do m t s nhà v t lí xu t s c nh t c a th k 20 xâyạ ướ ế ự ẫ ố ớ đượ ỏ ữ ỗ ự đơ ế ộ ố ậ ấ ắ ấ ủ ế ỉ d ng, trong ó có Dirac, Einstein, Feynman và Pauli. Thành t u này cu i cùng ã t t i c b i John. siêu d n, trong khi chì thì l i siêu d n (hình 2) .ả ấ ẫ ạ ẫ Tuy nhiên, BCS là m t s mô t và nh tính, ch không nh l n g. Không gi ng nh các ph n g trình Newton ho c Maxwell ho c c s c a lí thuy