MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN

MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN Vũ Huy Toàn Công ty cổ phần CONINCO-MI, Tôn Thất Tùng, Hà Nội Email: vuhuytoan@conincomi.vn Tóm tắt: Xuất phát từ việc xem xét lại chất dòng điện kim loại nói riêng chất rắn nói chung, tác giả tìm chất thực dòng điện – dòng điện tử tự do, mà dòng điện tử dẫn nối tiếp từ nguyên tử sang nguyên tử khác có tác động điện trường Kết hợp với quan niệm chuyển động theo quán tính dạng chuyển động không tiêu tốn lượng, tương tự chuyển động vệ tinh quỹ đạo tròn xung quanh Trái đất, hành tinh xung quanh sao, tác giả khám phá chất tượng siêu dẫn với thang nhiệt độ Từ đây, bí ẩn tượng siêu dẫn nhiệt độ cao lộ diện, mở khả chế tạo vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng Từ khoá: Vật liệu siêu dẫn, chất dòng điện kim loại, điện tử dẫn MỞ ĐẦU Mặc dù chất siêu dẫn phát từ thể kỷ trước, chất tượng bí ẩn, mặt lý thuyết, người ta chưa thể giải thích thoả đáng chất siêu dẫn thực tế hoạt động nào? Lý thuyết BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) dường giải đáp tượng siêu dẫn nhiệt độ thấp < 30 K [1], lại bất lực trước tượng siêu dẫn nhiệt độ cao Những lý thuyết đề xuất sau này, ví dụ B Edegger [2] dựa ý tưởng A Abrikosov, J Leggett, V L Ginzburg [3] từ năm 1950, dự đoán nhiệt độ 135 K áp suất thường 164 K áp suất cao mà thực nghiệm đạt [4, 5] nhiệt độ phòng – điều mà nhà vật lý thực nghiệm muốn cố hướng tới [6] Và thế, lại phải đòi hỏi thêm hay vài lý thuyết khác để giải thích chế hoạt động chúng? Vì đây, vật liệu siêu dẫn có kim loại mà bán dẫn silicon, chí chất cách điện gốm, hidrogen – vật liệu không chứa điện tử tự để “kết cặp Cooper” lý thuyết mong đợi? Created by Vu Huy Toan Hanoi, 2014 MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN Đồng hành với siêu dẫn hiệu ứng Meissner – tượng liên quan tới biến đổi từ tính dị thường vật liệu đạt tới trạng thái siêu dẫn giải thích theo kiểu cổ điển, độc lập với lý thuyết lượng tử siêu dẫn [5] Tại cách giải thích tượng lại kiểu, cho dù có chung chất siêu dẫn thế? Như liệu có thỏa đáng không? Tóm lại, chất tượng siêu dẫn thật gì, nay, vấn đề tồn đọng vậy, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu dẫn suốt 100 năm qua trông chờ chủ yếu vào thực nghiệm theo kiểu mò mẫm, chưa có lý thuyết tảng thật dẫn dắt Việc giải bế tắc nội dung báo cáo đề cập tới Nhưng để đạt mục đích đó, tạm quên vật lý lượng tử với mô hình chuẩn, thực bất lực, mà dựa quan niệm hoàn toàn khác, lành mạnh: Không có lưỡng tính sóng-hạt, quỹ đạo dừng điện tử nguyên tử, “đám mây” nơi điện tử ẩn, hiện, không phân biệt vi mô (nguyên tử, hạ nguyên tử) hay vĩ mô (từ phân tử tới thiên hà)… Tất chúng tuân theo nguyên lý chung tác giả trình bày [7] định luật quán tính tổng quát [8] NHỮNG BẤT CẬP CỦA MÔ HÌNH DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI Ta bắt đầu xem xét ví dụ mạng tinh thể (biểu diễn đường nét đứt) Hình đó, ion “+” dao động xung quanh nút mạng, điện tử tự chuyển động hỗn loạn ion Ion “+” Điện tử tự +U –U Hình Mô hình dòng điện kim loại Dòng điện kim loại cho điện tử tự gây nên tác động điện trường (±U) trình chuyển động, chúng va chạm với ion mạng tinh thể (xem mũi tên) gây nên điện trở Nhiêt độ cao, mạng tinh thể dao động mạnh, xác suất va chạm Created by Vu Huy Toan Hanoi, 2014 MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN lớn dẫn đến điện trở lớn Bên cạnh ưu điểm khả ứng dụng để giải toán thực tế, mô hình chứa đựng nhiều bất cập [10], chủ yếu là: Thứ nhất, không giải thích hai dây dẫn có dòng điện chạy qua lại tương tác với theo lực Lorenz? Nếu dòng điện dòng điện tử tự cách mà dòng điện đẩy hay hút lại kéo theo chúng mạng tinh thể dây dẫn nữa? Nếu kéo theo mạng tinh thể theo chúng điện tử tạo nên dòng điện đâu “tự do”? Trái lại, chúng phải có mối liên kết chặt chẽ với mạng tinh thể đằng khác? Thậm chí cho dòng điện tử chuyển động sinh từ trường, từ trường tương tác với thôi: Từ trường liên kết với mạng tinh thể dây dẫn điện tử thoát khỏi ảnh hưởng nguyên tử để trở thành “ tự do”? Thứ hai, nguyên tử, điện tử chuyển động với tốc độ cực lớn: Cỡ hàng trăm tới hàng ngàn km/s Do đó, muốn trở thành “tự do”, chúng phải chuyển động nhanh thắng lực hút hạt nhân rời xa (vì chuyển động chậm phải có chỗ cho quỹ đạo xa hạt nhân hơn, mà mạng tinh thể chất rắn lại chỗ để chứa quỹ đạo đó!) Nhưng với tốc độ lớn thế, điện tử “tự do” lại không khuếch tán vào môi trường xung quanh, chí môi trường chân không, không môi chất cản trở chuyển động nó? Có nghĩa lẽ đưa kim loại vào bình chân không phải tích điện dương “+”, điện tích tự với tốc độ 105 m/s lại kim loại được? Còn chúng lại kim loại điều ngăn cản chúng không lao vào hạt nhân nguyên tử nằm yên lại? Thứ ba, lực tương tác điện tích điểm q1, q2 theo định luật Coulomb tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách: FC  k C q1 q R2 , (1) kC – số điện tĩnh; R – khoảng cách điện tích điểm Nếu chia hai vế (1) cho q2, ta có cường độ điện trường E điện tích q1 tạo ra: E q1  FC q  k C 12 q2 R (2) Tương tự với điện tích q2, ta có: Eq  Created by Vu Huy Toan FC q  kC 22 q1 R (3) Hanoi, 2014 MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN Khi khoảng cách điện tích lớn nhiều lần kích thước vật tích điện, điện tích tương ứng coi điện tích điểm Trên thực tế, dây dẫn điện có tiết diện nhỏ chiều dài lớn chục ngàn lần nên chúng thỏa mãn điều kiện Nếu nối hai đầu dây dẫn với hai cực nguồn điện ±U Hình 2a, ta thấy cường độ điện trường dọc dây dẫn có dạng tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách tới đầu dây dẫn theo biểu thức (2) (3) biểu diễn Hình 2b a) +U A B Eq1 -U Eq2 b) Hình Phân bố cường độ điện trường dọc theo chiều dài dây dẫn điện Đó chưa nói tới thực tế dây dẫn vốn trung hoà điện nguyên tử tạo nên dây dẫn phần tử trung hoà điện xem xét chúng từ khoảng cách lớn hàng chục, hàng trăm lần kích thước nguyên tử (tức 10-9÷10-8 m) Vậy, cách mà nguyên tử trung hoà tương tác với điện tích từ hai cực nguồn điện cự ly lớn khoảng cách hàng triệu, hàng tỷ lần (tuỳ thuộc vào chiều dài dây dẫn)? Từ cho thấy có đoạn đầu cuối dây dẫn chịu ảnh hưởng điện trường, khoảng (đoạn AB) bao gồm ion “+” điện tử vây quanh chẳng khác nguyên tử trung hoà (đối với điện trường ±U), tức tương tác điện trường với chúng không, nên điện tử chuyển động hỗn loạn? Khi đó, có dòng điện trì thường xuyên toàn tiết diện dây dẫn? Kể việc tính đến khả đầu âm nguồn điện (–U) luôn cung cấp số lượng định điện tử vào cho dây dẫn chúng có động ban đầu tác dụng điện trường thôi, sau đó, chúng chuyển động tự do? Thứ tư, xảy tượng siêu dẫn, điện trở dây dẫn có hay có giá trị cho dù nhỏ? Vì rõ ràng thực điện trở mà dường dùng dây dẫn có tiết diện nhỏ để tải dòng điện lớn tùy ý? Lý thuyết BCS không chẳng có lý thuyết đến giá trị điện trở tới hạn Created by Vu Huy Toan Hanoi, 2014 MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN Từ trước tới nay, dòng điện chất rắn tuân theo mô hình hoàn toàn khác nhau: Đối với kim loại chuyển động điện tử tự do; chất điện môi (cách điện) phân cực dipole; chất bán dẫn chuyển dịch “lỗ trống” điện tử Phải nguyên nhân khiến cho lý thuyết siêu dẫn 100 năm bước tiến đột phá mà chủ yếu chạy theo đuôi thực nghiệm? Có thực tế ba dạng vật liệu đạt tới trạng thái siêu dẫn, chất dòng điện có gì! Liệu có phải thực dòng điện chất rắn có chung chất hay không? Vì xét cho cùng, tất chúng có điểm chung có cấu trúc mạng tinh thể? – Đây thực gợi ý đáng để suy ngẫm? BẢN CHẤT THỰC CỦA DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI VÀ CHẤT RẮN Hãy chấp nhận mô hình hoàn toàn tự nhiên ban đầu kim loại thể Hình So với mô hình truyền thống Hình 1, có điểm khác biệt chỗ, tất nguyên tử trạng thái trung hòa điện, vậy, điện tử chúng bị thoát thành điện tử tự Khi đó, bất cập thứ hai nói trạng thái không xác định điện tử tự đương nhiên không Khi điện trường ngoài, điện tử chuyển động theo quỹ đạo nguyên tử; (trên Hình 3, không mô tả đầy đủ mà thể vài hình elip tượng trưng để đỡ rối) Bản thân nguyên tử lại dao động nhiệt xung quanh vị trí cân nút mạng dẫn tới việc quỹ đạo điện tử dẫn (là điện tử quỹ đạo cùng) hai nguyên tử liền kề có hội lúc tiếp xúc với (xem hình elip thứ thứ hai từ trái qua phải) Khi đưa điện trường vào, điện tử dẫn nguyên tử gần với điện cực “+” nguồn điện (xem elip thứ nhất) chịu tác động mạnh đủ để điện cực bứt chúng khỏi nguyên tử, bay phía (theo mũi tên cong nét liền gắn với elip ấy) Khi đó, nguyên tử tương ứng trở thành “điện cực +” nguyên tử lân cận (vì vậy, quỹ đạo elip vẽ đường nét đứt ngụ ý điện tử quỹ đạo) Nếu có nguyên tử lân cận (xem elip thứ hai liền kề) có điện tử dẫn với quỹ đạo tiếp giáp với quỹ đạo điện tử vừa bị bứt điện tử dẫn có hội chỗ (xem mũi tên cong nét đứt gắn với elip thứ hai), khiến nguyên tử-điện cực “+” lại trở nên trung hoà, thân nguyên tử lại trở thành “điện cực +” Quá trình lại diễn Created by Vu Huy Toan Hanoi, 2014 MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN nguyên tử điện cực “–” nguồn (giống hiệu ứng đô-mi-nô vậy) Hạt nhân nguyên tử +U Quỹ đạo điện tử dẫn nguyên tử -U d d Hình Chuyển động điện tử mạng tinh thể tác động điện trường Chính dòng điện dây dẫn lúc dòng điện tử tự mà dòng điện tử dẫn thân nguyên tử vậy, nên việc tương tác hai dòng điện hai dây dẫn khác kéo theo chuyển dời mạng tinh thể hai dây dẫn thấy thực tế điều hoàn toàn hiểu được, tức bất cập thứ hoá giải Mặt khác, theo cách chuyển động điện tử dẫn này, dòng điện tuyệt đối toàn chiều dài dây dẫn, dây dẫn có dài bao nhiêu, hình dạng sao, chí có bị cuộn lại nào, tức khắc phục bất cập thứ ba nói Lưu ý đây, điện tử bị bứt không thiết điện tử vừa sát nhập vào nguyên tử mà điện tử dẫn khác nguyên tử vào thời điểm khác Chính khoảng thời gian chờ đợi bước chuyển tiếp điện tử từ nguyên tử sang nguyên tử khác làm hạn chế tốc độ trung bình điện tử chuyển động dọc theo dây dẫn gây nên gọi “điện trở” cho dây dẫn va chạm điện tử tự với ion “+” mạng tinh thể gây nên mô hình cũ Vấn đề chỗ, có tác động điện trường ngoài, trạng thái điện tử nguyên tử chưa đủ thích hợp cho bước chuyển tiếp điện tử tiếp tục quay xung quanh hạt nhân quỹ đạo Vậy “trạng tháí thích hợp”? Created by Vu Huy Toan Hanoi, 2014 MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN Ta biết ảnh hưởng nhiệt độ, nguyên tử trung hoà dao động xunh quanh vị trí cân nút mạng tinh thể thể Hình Tùy thuộc vào nhiệt độ cao hay thấp mà biên độ dao động lớn hay nhỏ và, nữa, gọi “mạng tinh thể” (xem đường nét đứt Hình 3) nguyên tử tương tác với định hình nên, mạng độc lập có sẵn với “nút” để nguyên tử việc dao động quanh Chính “nút” tương tác nguyên tử dao động nhiệt quy định Chính thế, nguyên tử dao động mạnh, biên độ dao động lớn làm xê dịch vị trí “nút” dẫn đến kích thước khối vật liệu thay đổi theo: Nhiệt độ cao, khoảng cách nguyên tử kích thước khối vật liệu lớn ngược lại Điều trực tiếp ảnh hưởng tới “trạng thái lượng” điện tử nguyên tử nói Cụ thể sau Khi biên độ dao động nguyên tử lớn, va chạm chúng mạnh, biên độ dao động nhỏ, va chạm yếu Sự va chạm không đơn giản va chạm hai viên bi-a có lực đẩy lẫn tuân theo định luật bảo toàn động lượng, mà phức tạp nhiều Đó va chạm điện tử quay cực nhanh quỹ đạo nguyên tử với điện tử quay nhanh tương tự nguyên tử khác Lúc này, chiều quay điện tử đóng vai trò quan trọng không chuyển động tịnh tiến chúng phía dao động nhiệt nguyên tử sở hữu chúng Chính vậy, sau va chạm, điện tử nguyên tử bị đẩy sâu vào quỹ đạo bên gần hạt nhân hơn, chỗ, bị kéo quỹ đạo bên xa hạt nhân Kết va chạm tuân theo nguyên lý tác động tối thiểu tác giả phát biểu [7], đại thể: Nếu va chạm đủ gây nên tác dụng quỹ đạo tối thiểu h (hằng số Planck) điện tử thay đổi quỹ đạo chuyển động mình: vào bên sâu bên hay nhảy xa bên hạt nhân nguyên tử (như thể Hình 4) R2 > R1 R1 < R2 + + Điện tử Hạt nhân nguyên tử a) Khi nhiệt độ tăng b) Khi nhiệt độ giảm Created by Vu Huy Toan Hanoi, 2014 MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN Hình Kết va chạm tuân theo nguyên lý tác động tối thiểu Khi nhiệt độ tăng lên, dao động nguyên tử mạnh lên, tạo tác động đủ lớn để đẩy điện tử từ quỹ đạo bên vào quỹ đạo bên (xem Hình 4a), biết [8, 10], vào quỹ đạo bên gần hạt nhân nguyên tử, điện tử lớn ngược lại, quỹ đạo bên ngoài, điện tử nhỏ Tức là, để chuyển từ quỹ đạo bên vào quỹ đạo bên liền kề, điện tử cần phải cấp nhiều lượng so với việc chuyển từ quỹ đạo quỹ đạo bên Xét tổng thể toàn thể tích vật liệu, sau lần xảy va chạm vậy, đa phần khoảng cách nguyên tử tăng lên, bán kính nguyên tử nhỏ lại Khi nhiệt độ giảm, va chạm nguyên tử cường độ lẫn tần suất khiến khoảng cách chúng đa phần giảm đi, điện tử dẫn dần lượng, buộc phải chuyển quỹ đạo bên với nhỏ làm cho bán kính nguyên tử sở hữu chúng tăng lên (xem Hình 4b) Điều trái ngược với vật lý hành, lại hoàn toàn phù hợp với chất thực vật Từ cho thấy, đa phần nhiệt độ thấp, khoảng cách nguyên tử thu ngắn lại, thân nguyên tử sở hữu chúng lại phình to khiến quỹ đạo điện tử dẫn thuộc nguyên tử liền kề có nhiều hội tiếp xúc với thêm vào đó, xa hạt nhân, liên kết chúng với hạt nhân sở hữu chúng nhỏ dẫn đến khả bị nguyên tử-điện cực “+” bên cạnh chiếm lấy nhiều Khi đó, khả chuyển tiếp điện tử từ quỹ đạo nguyên tử sang quỹ đạo nguyên tử khác tác động điện trường tăng lên Đó “trạng tháí thích hợp” mà ta đề cập tới Tóm lại, chất dòng điện kim loại dòng điện tử, điện tử tự do, mà điện tử lớp nguyên tử (còn gọi điện tử dẫn) chuyển động từ nguyên tử đến nguyên tử khác tác động kết hợp điện trường với điện trường hạt nhân nguyên tử kim loại Việc khẳng định vai trò điện trường hạt nhân nguyên tử kim loại việc tạo dòng điện với điện trường quan trọng; cho phép ta nghĩ tới ảnh hưởng cấu trúc mạng tinh thể vật liệu tới tính dẫn điện vật liệu Chỉ cần phân biệt vật liệu nguyên tử dẫn điện nguyên tử dễ bị ion hoá nên tham gia vào trình tạo dòng điện nguyên tử không dẫn điện nguyên tử khó bị ion hoá Từ suy Created by Vu Huy Toan Hanoi, 2014 MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN rộng vật liệu chất rắn nói chung, chúng có cấu trúc tinh thể nên có khả dẫn điện theo cách thức trình bày nguyên tử dẫn điện Tuy nhiên, tùy thuộc vào “trạng thái thích hợp” cụ thể ta phân tích mà điện trở vật liệu khác nhau, từ nhỏ (với kim loại) tới lớn (với chất điện môi) mà chia thành nhóm: Chất dẫn điện, chất bán dẫn chất cách điện Việc coi dòng điện chất bán dẫn chuyển động điện tử lỗ trống (ion “+”) thực chất, gần tương tự nói tới kim loại Khi “trạng thái thích hợp” xảy kiểu mạng tinh thể khiến điện tử lớp nguyên tử chuyển dịch sang nguyên tử lân cận, quỹ đạo chúng bị lệch tâm phía cực “+” điện trường khiến cho nguyên tử trở thành dipole – xảy chất cách điện Nói cách khác, tượng dẫn điện chất rắn có chung chất tiền đề tốt để hiểu chất tượng siêu dẫn cách quán dạng vật liệu rắn, thang nhiệt độ kỳ vọng đặt từ ban đầu báo cáo GIẢI THÍCH HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH ĐIỆN TỬ DẪN Khi nói điện trở vật liệu trạng thái siêu dẫn không, xác nhỏ, đồng nghĩa với việc cho điện tử chuyển động không thất thoát lượng Trong [8], biết đến chuyển động với trạng thái lượng không đổi (động không đổi, không đổi nội không đổi) gọi “chuyển động theo quán tính” (còn “chuyển động thẳng đều” học cổ điển trường hợp riêng) Chỉ có chuyển động theo quán tính dạng chuyển động không thất thoát lượng chuyển động vệ tinh quỹ đạo tròn xung quanh Trái đất, Trái đất xung quanh Mặt trời, hành tinh xung quanh v.v Trong trường hợp này, chuyển động điện tử dẫn theo quỹ đạo mặt đẳng quanh hạt nhân nguyên tử dẫn điện Từ cho thấy ví dụ Hình 3, điện tử chuyển động mạng tinh thể chất rắn theo quỹ đạo nửa đường tròn nối tiếp từ nguyên tử dẫn điện sang nguyên tử dẫn điện khác tác động điện trường ngoài, biểu diễn Hình 5, coi gần “chuyển động theo quán tính” đó, điện tử không bị thất thoát Created by Vu Huy Toan Hanoi, 2014 MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN lượng, nhận từ thực nghiệm: Điện trở vật liệu siêu dẫn 0, hay nói cách xác xấp xỉ Ve E r + + + Vqe Điện tử dẫn Hình Quỹ đạo điện tử dẫn vật liệu rắn trạng thái siêu dẫn tác động điện trường Để đạt trạng thái này, cần hạ nhiệt độ xuống mức định khiến cho dao động nguyên tử dẫn điện mạng tinh thể giảm xuống, cho quỹ đạo điện tử dẫn (quỹ đạo cùng) hai nguyên tử dẫn điện liền kề tiếp xúc với khiến cho tiếp nhận giải phóng điện tử dẫn chúng với xảy thuận lợi Nhờ vậy, điện tử trì tốc độ chuyển động không đổi tốc độ quỹ đạo Vqe chúng (xem Hình 6) r + + + Vqe Điện tử dẫn Hình Quỹ đạo chuyển động điện tử nguyên tử vật liệu rắn nhiệt độ tới hạn Tc Nói cách khác, nhiệt độ thấp, nội vật nhỏ Nội nhỏ, mặt thể qua giảm dao động nhiệt nguyên tử dẫn điện (động năng), mặt khác qua phình to kích thước Kích thước nguyên tử dẫn điện phình to ra, tức bán kính quỹ đạo điện tử dẫn phình to Do xa hạt nhân, vận tốc thoát điện tử dẫn khỏi nguyên tử dẫn điện trở nên dễ dàng so với chúng quỹ đạo bên Và nguyên tử dẫn điện không dao động nên lực nguyên tử kéo chúng sát lại với (kích thước vật co ngắn lại) Chính xích lại gần làm tăng thêm khả cho điện tử thoát khỏi nguyên tử dẫn điện chuyển sang nguyên tử dẫn điện khác có Created by Vu Huy Toan 10 Hanoi, 2014 MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN điều kiện (chẳng hạn có điện trường ngoài) Còn điều kiện đó, chuyển động theo quỹ đạo nguyên tử dẫn điện mình, điện tử dẫn nguyên tử dẫn điện lân cận ảnh hưởng lẫn khiến cho quỹ đạo chuyển động chúng có dạng hoàn toàn ổn định theo cách xác định trạng thái cân động tổng thể Đó trạng thái tất nguyên tử dẫn điện có kích thước nhau, điện tử dẫn quay quỹ đạo với tần số Đây chất tượng siêu dẫn cho dù vật liệu có cấu tạo từ nguyên tố Thay cho việc hạ thấp nhiệt độ, sử dụng phương pháp tăng cao áp suất để nguyên tử vật liệu xích lại đủ gần nhờ đạt tới trạng thái siêu dẫn thực tế thực gần [4, 6] Tỷ lệ tốc độ quỹ đạo Vqe với tốc độ dịch Ve dọc theo dây dẫn (cũng tức theo đường kính nguyên tử) điện tử tương ứng với tỷ lệ nửa chu vi đường tròn quỹ đạo bán kính r với đường kính d = 2r đường tròn đó: Vqe Ve  r 2r   (4) Từ đây, ta có: Ve  2Vqe (5)  Trong nguyên tử, tốc độ quỹ đạo Vqe điện tử dẫn thường bị giới hạn mức ~105 m/s đó, yếu tố ảnh hưởng tới giới hạn dòng điện siêu dẫn, tức giới hạn điện trở vật liệu trạng thái siêu dẫn Ngoài ra, phải kể tới tính gián đoạn vật chất nguyên tử cách xa khoảng cỡ ~10-10÷10-9 m nhỏ tùy ý nên số lượng điện tích diện tích hữu hạn (xem Hình 8), đó, mật độ dòng điện siêu dẫn bị giới hạn tính gián đoạn lớn tới vô Kết phải tồn giá trị điện trở dây dẫn với tiết diện S xác định xác không Từ Hình 8, ta xác định diện tích S thông qua số lượng nguyên tử N nút mạng, biết số hàng dọc số hàng ngang n: (6) N  n2 2 (7) S  ( n  1) d Từ (7) ta có: Created by Vu Huy Toan n S 1 d 11 (8) Hanoi, 2014 MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN n nguyên tử Điện tử dẫn Tiết diện S E d n nguyên tử d Hình Số lượng điện tích tiết diện hữu hạn Thay (8) vào (6), ta được:  S  N    1  d  (9) Khi đó, dòng điện qua dây dẫn có tiết diện S số lượng điện tích qua tiết diện đơn vị thời gian; phụ thuộc vào tốc độ chuyển dịch Ve điện tử khoảng cách l nguyên tử dọc theo chiều dài dây dẫn: I m  Nq e Ve l (10) đây, qe = 1,6x10-19 C – điện tích điện tử Khi đó, thay (5) (9) vào (10), ta được: 2V  S  I m  qe qe   1 l  d  Hay: đây, ta đặt: I m  qe  s  qe (11) 2Vqe S  s S ,  ld (12) 2Vqe (13) ld (A/m2) Đó mật độ tới hạn dòng điện siêu dẫn Thay số vào (13), ta được:  s  1,6 1019  2 106  1014 (A/m )  1027 (14) Điều có nghĩa dây dẫn có tiết diện S = mm2, trạng thái siêu dẫn, cho phép dòng điện tối đa 108 A qua Tất nhiên, loại vật liệu khác với cấu trúc mạng tinh thể khác nhau, có Created by Vu Huy Toan 12 Hanoi, 2014 MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN thông số Vqe, l d khác nên mật độ dòng siêu dẫn khác Như vậy, bất cập thứ tư nói mô hình điện tử tự dòng điện kim loại hoá giải nốt GIẢI THÍCH HIỆU ỨNG MEISSNER TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH ĐIỆN TỬ DẪN Hiệu ứng Meissner hiệu ứng vật liệu chưa làm lạnh nhiệt độ tới hạn Tc, đặt nam châm vĩnh cửu, không gây nên ảnh hưởng tới từ trường nam châm mô tả Hình 7a; nhiên, làm lạnh xuống nhiệt độ tới hạn Tc, trì trạng thái lơ lửng bề mặt nam châm vĩnh cửu mô tả Hình 7b Vị trí vật liệu siêu dẫn nam châm vĩnh cửu hoán đổi, không làm thay đổi tượng Người ta gọi tượng “từ trường không xuyên qua chất siêu dẫn”, hay “kháng từ”, “đệm từ” Bên cạnh có tượng “một phần từ trường bị kẹt lại bên chất siêu dẫn”, gọi “khoá từ” Ta giải thích tượng chất tượng siêu dẫn biết mục trên: Trong trạng thái siêu dẫn, điện trường ngoài, điện tử dẫn nguyên tử dẫn điện chuyển động theo quỹ đạo nguyên tử đó, quỹ đạo có điểm tiếp xúc với nên chúng nhanh chóng thiết lập trạng thái cân động toàn mạng tinh thể a) T > Tc b) T < Tc Hình Tính chất “kháng từ” vật liệu siêu dẫn Đây mạng tinh thể trạng thái lý tưởng tất nguyên tử dẫn điện có bán kính gần định vị nút; nữa, không tình trạng đơn lẻ, mà tất chúng, theo nhóm dao động khối thống theo hiệu ứng lôi kéo tần số biết đến học thông tin vô tuyến điện Điều có nghĩa tần số điện tử lớp dẫn đến việc cộng hưởng toàn nguyên tử dẫn điện toàn mạng tinh thể Created by Vu Huy Toan 13 Hanoi, 2014 MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN Tuy nhiên, khái niệm “đều nhau” liên quan tới thông số nhất, tần số thôi, pha mặt phẳng quỹ đạo điện tử dẫn khác khác Mặc dù vậy, phân bố lộn xộn, ngẫu nhiên mà tất chúng gắn kết với thành khối khiến cho từ trường tổng hợp xác định theo cách Đó cấu trúc mạng tinh thể với nguyên tử dẫn điện cho phép từ trường chúng đa phần cặp triệt tiêu lẫn nên từ trường chung lại yếu Khi xuất “từ trường” ngoài, xảy phân bố lại tương tác từ điện tử dẫn nguyên tử khiến mặt phẳng quỹ đạo chúng bị dao động Kết hình thành nên dòng điện cục vật liệu theo định luật cảm ứng điện từ Lenz Faradey Kết xuất vị trí mà đạt cân lực đẩy lực kéo vật liệu với từ trường gây tượng gọi “đệm từ” biết Khi đó, chất siêu dẫn “treo” lơ lửng phía (hoặc dưới) nam châm vĩnh cửu khoảng cách h Hình 7b – vị trí cân vừa nói, trái với trạng thái chưa đạt tới nhiệt độ siêu dẫn Tk Tuy nhiên, từ trường mạnh, vượt ngưỡng tới hạn, thắng áp đảo từ trường cục bên vật liệu, làm biến trạng thái cộng hưởng nguyên tử dẫn điện, tức phá vỡ trạng thái siêu dẫn Tương tự vậy, tượng “khoá từ” giải thích mức độ cộng hưởng cục vật liệu với cấu trúc tinh thể khác mà không ngoại lệ Ứng với kiểu cấu trúc tinh thể dạng nguyên tử định có nhiệt độ định để xảy trình cộng hưởng tạo điều kiện để chuyển động điện tử dẫn thuận tiện HƯỚNG CHẾ TẠO VẬT LIỆU SIÊU DẪN Để chế tạo vật liệu siêu dẫn cần tạo chất rắn có cấu trúc mạng tinh thể cho nguyên tử dẫn điện có quỹ đạo điện tử dẫn có xu hướng tiếp xúc với Trạng thái tiếp xúc xảy giảm nhiệt độ, tăng áp suất, hai – vật liệu siêu dẫn biết tới Thậm chí tháng vừa thôi, có thông báo [6] chế tạo vật liệu siêu dẫn nhiệt độ lên tới 203 K – kỷ lục thật ấn tượng Tuy nhiên, giá phải trả cần tới áp suất hàng trăm GPa – xét cho đánh đổi lợi bất cập hại Để đạt tới trạng thái siêu dẫn nhiệt độ cao, cần giảm thiểu tác động từ dao động nguyên tử dẫn điện mạng tinh thể Chúng ta biết rằng, Created by Vu Huy Toan 14 Hanoi, 2014 MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN kim loại chất dẫn nhiệt tốt có độ dãn nở nhiệt lớn nhiều so với vật liệu cách điện cách nhiệt khác Có nghĩa nguyên tử dẫn điện có độ dao động nhiệt lớn nhiều so với nguyên tử cách điện Mặt khác ta lại biết, vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn cao gốm kim loại, ví dụ YBa2Cu3O7-x nhiệt độ 77 K, hay HgBa2Ca2Cu3O8 nhiệt độ 135 K, nhiệt độ bình thường, chúng chất cách điện, cách nhiệt tốt Từ ta thấy vật liệu từ nguyên tử kim loại tinh khiết đạt tới trạng thái siêu dẫn nhiệt độ thấp (< 23 K), kết hợp với nguyên tử cách điện oxygen, chúng lại trở nên dẫn điện tốt, tức vai trò kiềm chế dao động nguyên tử dẫn điện nguyên tử cách điện có vai trò lớn, không nói định Với chất dòng điện dòng điện tử tự mà dòng chuyển động điện tử dẫn từ nguyên tử dẫn điện sang nguyên tử dẫn điện khác nên chịu ảnh hưởng lớn nguyên tử lân cận Khi điện áp xoay chiều, điện tử dẫn liên tục phải đổi chiều chuyển động sang bên sang bên đối diện sau chu kỳ Do đó, tốc độ chuyển dịch trung bình Ve điện tử dẫn dọc theo chiều dài dây phải giảm phụ thuộc vào tần số Sự ảnh hưởng nguyên tử lân cận lớn tốc độ chuyển dịch nhỏ Điều có nghĩa nguyên tử nằm sâu bên dây dẫn, chịu ảnh hưởng nhều tốc độ chuyển dịch trung bình Ve điện tử dẫn giảm nhiều Từ suy ra, việc chuyển dịch điện tử bề mặt dây dẫn chịu ảnh hưởng bị tác động từ phía dây dẫn thôi, phía bên không khí vỏ cách điện Tần số cao, tượng suy giảm tốc độ Ve lớn, dòng điện điện tử dẫn tạo nhỏ Chính thế, tần số cao, hiệu ứng bề mặt biết kỹ thuật vô tuyến điện thể rõ như: Những nguyên tử dẫn điện nằm sâu bên dây dẫn không tham gia vào việc truyền dẫn dòng điện nữa, tức nói chúng hoàn toàn cách điện Như vậy, nguyên tắc, ta làm dây dẫn có dạng ống rỗng có tiết diện hình xuyến Hình để tiết kiệm vật liệu, thay dây dẫn đặc thông thường Từ đây, thấy thêm yếu tố chứng minh cho chất dòng điện siêu dẫn: Nếu chế tạo ống với độ dày vừa kích thước nguyên tử (cỡ 10-10 m) dòng điện qua không chịu ảnh hưởng nguyên tử dẫn điện theo phương đường kính ống nên điện trở nhỏ Lúc đó, điện trở ống dẫn nguyên tử dẫn điện lân cận bề mặt ống gây nên Created by Vu Huy Toan 15 Hanoi, 2014 MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN Hình Ống dẫn thay cho trụ đặc Để đạt trạng thái siêu dẫn nhiệt độ cao cần phải giải phóng nốt ảnh hưởng cách tạo cấu trúc gồm sợi có đường kính nguyên tử dẫn điện, xen kẽ nguyên tử không dẫn điện, nhằm hạn chế dao động nhiệt nguyên tử dẫn điện Khi đó, sợi kim loại tương đương với đường bề mặt ống dẫn vừa nói tới trên, với nguyên tử dẫn điện giải phóng hoàn toàn khỏi dao động nhiệt có hại từ nguyên tử dẫn điện lân cận theo chu vi ống Kết là, khả truyền dẫn dòng điện cực đại, dòng điện siêu dẫn nhiệt độ cao có loại nguyên tử dẫn điện sử dụng KẾT LUẬN - Dòng điện kim loại nói riêng dòng điện chất rắn nói chung có chung chất chuyển dịch điện tử dẫn nguyên tử cấu thành nên vật liệu, tác động điện trường Đối với kim loại bán dẫn, chuyển dịch thực nguyên tử kế cận, mức độ khác Đối với chất điện môi, chuyển dịch điện tử dẫn dừng mức độ dịch chuyển quỹ đạo so với hạt nhân để tạo nên dipole - Bản chất tượng siêu dẫn trình xếp cấu trúc mạng tinh thể vật liệu nhiệt độ định đủ để điện tử dẫn nguyên tử chuyển động theo quán tính theo hướng xác định xuất điện trường Nếu cấu trúc mạng tinh thể vật liệu bố trí cho hội đủ điều kiện tạo nên trạng thái chuyển động theo quán tính điện tử nhiệt độ phòng ta có chất siêu dẫn nhiệt độ phòng, hay chí cao mà không cần tới điều kiện áp suất lớn - Trên sở định hướng phát triển lý thuyết siêu dẫn cách đầy đủ, dự đoán kiểu cấu trúc tinh thể tối ưu tầm công nghệ mà không cần phải mò mẫm Tài liệu tham khảo J Bardeen, L.N Cooper, J.R Schrieffer, Phys Rev 108, (1957) B Edegger Gutzwiller-RVB Theory of High Temperature Superconductivity-Dissertation for doctorate of the Natural Sciences presented at Created by Vu Huy Toan 16 Hanoi, 2014 MỘT PHÁT HIỆN MỚI VỀ BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN the Department of Physics, Johann Wolfgang Goethe-Universit¨, Frankfurt, 2007 В Л Гинзбург, Л Д Ландау, ЖЭТФ 20 (1950) German and Canadian Scientists Discover Room Temperature Silicon Superconductor Daylytech http://www.dailytech.com/thongtincongnghe/article11167.htm, (2008) F London and H London, Proceedings of the Royal Society of London Series A, Mathematical and Physical Sciences, 1935, Vol 149, No 866, p 71 A P Drozdov, M I Eremets, Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system, Nature, 525, 73 (2015) Vu Huy Toan, Proceedings of IMFP-2005 – International Meeting on Frontiers of Physics, Kuala Lumpur, Malaysia, 2005, p.119 Vũ Huy Toàn, Con đường vật lý học, NXB Khoa học & Công nghệ, Hà Nội, 2007 Vũ Huy Toàn, Bản chất thực dòng điện kim loại, 2014, https://vuhuytoan.files.wordpress.com/2014/05/49_ban-chat-cua-dongdien-trong-kim-loai2.pdf 10 Vũ Huy Toàn Xét lại định luật bảo toàn thực thể vật lý trường lực thế, (2008) http://vuhuytoan.files.wordpress.com/2008/12/xet-lai-dinh-luat-bao-toanco-nang5.pdf Created by Vu Huy Toan 17 Hanoi, 2014