Mô hình siêu dẫn truyền thống đối với h2s (LV01920)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI NGUYỄN VIẾT THỊNH MÔ HÌNH SIÊU DẪN TRUYỀN THỐNG ĐỐI VỚI H2S LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN THỊ HÀ LOAN HÀ NỘI, 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI NGUYỄN VIẾT THỊNH MÔ HÌNH SIÊU DẪN TRUYỀN THỐNG ĐỐI VỚI H2S Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết Vật lí toán Mã số: 60 44 01 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TRÍ LÂN ời hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN THỊ HÀ LOAN HÀ NỘI, 2016 Mục lục MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Những đóng góp TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ SIÊU DẪN 1.1 1.2 1.3 Hiện tượng siêu dẫn 1.1.1 Vài nét lịch sử phát hiện tượng siêu dẫn 1.1.2 Khái niệm tượng siêu dẫn Các tính chất vật liệu siêu dẫn 1.2.1 Tính chất điện 1.2.2 Tính chất từ 1.2.3 Tính chất nhiệt 16 Một số lý thuyết siêu dẫn 21 1.3.1 Lý thuyết nhiệt động lực học chuyển pha siêu dẫn 21 1.3.2 Sự xâm nhập từ trường vào chất siêu dẫn 23 1.3.3 Lý thuyết Ginzburg - Landau 25 1.3.4 Mô hình hai chất lỏng 27 LÝ THUYẾT BARDEEN–COOPER–SCHRIEFFER (BCS) VỀ SIÊU DẪN 30 2.1 Cặp Cooper 30 2.2 Một số kết từ lý thuyết BCS 34 2.2.1 Tính toán giá trị số đại lượng lý thuyết BCS 34 2.2.2 Những kết tiên đoán từ lý thuyết BCS 35 Các tính chất vĩ mô chất siêu dẫn theo lý thuyết BCS 36 2.3.1 Nhiệt độ tới hạn 36 2.3.2 Ẩn nhiệt 37 2.3.3 Từ trường tới hạn nhiệt động lực học 37 2.3.4 Điều kiện tồn tính siêu dẫn 38 2.3 MÔ HÌNH SIÊU DẪN BCS ĐỐI VỚI H2 S 39 3.1 Hiện tượng siêu dẫn H2 S 39 3.2 Nhiệt độ T C chất siêu dẫn H2 S 44 KẾT LUẬN 53 Tài liệu tham khảo 54 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Chúng ta biết điện trở suất kim loại tăng theo nhiệt độ, nhiệt độ giảm điện trở kim loại giảm Tuy nhiên đa số vật liệu có tính chất Một đặc tính kỳ diệu số vật liệu nhiệt độ định (tùy theo chất) điện trở suất vật liệu không, độ dẫn điện trở nên vô Đó tượng siêu dẫn Hiện tượng lý thú phát lần thủy ngân cách gần kỷ (năm 1911) vùng nhiệt độ gần không độ tuyệt đối (≤ 4, K) Để giải thích chế hình thành siêu dẫn vật liệu siêu dẫn, nhiều mô hình lý thuyết nhà khoa học đưa Song mô hình lý thuyết hoàn chỉnh để giải thích trọn vẹn chế câu hỏi chưa có lời giải đáp thỏa đáng Một mô hình hình thành thành công mô hình BCS Các tác giả nó: Bardeen, Cooper, Schrieffer giải thưởng Nobel năm 1957 Và giải thích cách định lượng thành công tính chất vi mô hệ siêu dẫn nhiệt động lực học hệ Lý thuyết tương thích với lý thuyết khác "lý thuyết Ginzburg-Landau" Từ đến nhà khoa học không ngừng tìm tòi, nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao Ngoài đặc tính siêu dẫn, người ta phát thấy với chất siêu dẫn, từ trường bên luôn không có tượng xuyên ngầm lượng tử điều mở khả cho ứng dụng siêu dẫn nhiệt độ cao, có đóng góp to lớn sản xuất ứng dụng thương mại công nghiệp, để tận dụng hiệu chi phí có nguồn ngốc từ hỗn hợp lạnh giá rẻ (nitơ lỏng) Hiện nhà khoa học phát H2 S (Sulfur hydride), hợp chất khí điều kiện nhiệt độ bình thường, độc có mùi trứng thối, trở thành chất siêu dẫn nén hydro sunfua áp suất cực lớn, khoảng 1,5 triệu atmosphere (150 GP a) đồng thời hạ nhiệt độ chúng xuống −700 C(203 K), tượng siêu dẫn xảy hay H2 S không điện trở Nhiệt độ -700 C cao nhiều so với chất siêu dẫn khác vốn đòi hỏi việc hạ nhiệt độ xuống âm hàng trăm độ celsius Việc tạo bước tiến lịch sử hướng tới phương pháp tìm chất siêu dẫn hoạt động điều kiện nhiệt độ phòng Nó làm nhà khoa học nghiên cứu quan tâm Dựa vào mô hình BCS ta hy vọng tìm cách lý giải rõ ràng tượng siêu dẫn H2 S Chính chọn đề tài “Mô hình siêu dẫn truyền thống H2 S” làm đề tài luận văn Mục đích nghiên cứu • Làm sáng tỏ tượng siêu dẫn H2 S Nhiệm vụ nghiên cứu • Tìm hiểu nghiên cứu tính chất điện, từ vật liệu siêu dẫn H2 S Đối tượng phạm vi nghiên cứu • Hiện tượng siêu dẫn H2 S áp suất cao Phương pháp nghiên cứu • Phương pháp thu thập tài liệu, xử lý, so sánh số liệu • Phương pháp vật lý thống kê • Phương pháp xây dựng mô hình Những đóng góp • Nghiên cứu làm sáng tỏ tượng siêu dẫn H2 S • Tìm phụ thuộc nhiệt độ chuyển pha T C H2 S điều kiện khác • Nghiên cứu tượng siêu dẫn H2 S đóng góp quan trọng vật lý lý thuyết nói riêng việc tìm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao nói chung TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ SIÊU DẪN 1.1 Hiện tượng siêu dẫn 1.1.1 Vài nét lịch sử phát hiện tượng siêu dẫn Có thể nói việc hóa lỏng heli tiền đề cho phát minh siêu dẫn Năm 1908 Kamerrlingh Onnes hóa lỏng khí heli lần giới, ông ba năm sau nghiên cứu điện trở thủy ngân, phát minh tượng siêu dẫn quan sát thấy điện trở thủy ngân đột ngột giảm không nhiệt độ 4, K Những năm sau đó, số vấn đề liên quan đến tượng siêu dẫn (SD) khám phá Năm 1914 tượng dòng điện phá vỡ trạng thái siêu dẫn phát năm đó, Kamerlingh Onnes chế tạo nam châm siêu dẫn Năm 1933, hai nhà khoa học Meissner Ochsenfeld công bố rằng: Chất siêu dẫn làm lạnh từ trường nhiệt độ chuyển pha đường cảm ứng từ bị đẩy Hiệu ứng mang tên hiệu ứng Meissner Trong suốt khoảng thời gian từ năm 1911 đến 1985, chất siêu dẫn tìm có nhiệt độ chuyển pha không vượt 24 K chất lỏng hêli môi trường dùng để nghiên cứu tượng siêu dẫn Về mặt lý thuyết năm 1957, nhà khoa học Barden, Cooper Schriffer đưa lý thuyết vi mô, gọi lý thuyết BCS giải thích tất tính chất chất siêu dẫn, lý thuyết nhận giải thưởng Nobel Năm 1986, J.G.Bednorz K.A.Muller tìm tượng siêu dẫn có chất gốm La-Ba-Cu-O với nhiệt độ chuyển pha nằm vùng nhiệt độ nitơ lỏng cho thấy cách rõ ràng siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng làm lạnh với nitơ lỏng thay heli lỏng, qua vật liệu dễ chế tạo chi phí vận hành rẻ Với phát minh J.G.Bednorz K.A.Muller nhận giải thưởng Nobel vật lý năm 1987 Sau phát minh J.B.bednorz K.A.muller nhiều chất siêu dẫn xuất hiện, hầu hết chất có nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn nằm vùng nhiệt độ cao nhiệt độ hóa lỏng nitơ (77 K), gọi chung siêu dẫn nhiệt độ cao Từ đây, ngành vật lý siêu dẫn bắt đầu hướng – siêu dẫn nhiệt độ cao Sự phát minh siêu dẫn nhiệt độ cao mở kỷ nguyên cho ngành vật lý siêu dẫn Nó đánh dấu phát triển vượt bậc trình tìm kiếm nhà vật lý công nghệ lĩnh vực siêu dẫn Giải Nobel Vật lý 2003 chia cho ba khoa học gia có đóng góp có tính cách vào việc khảo cứu tượng Siêu dẫn (Superconductivity) Siêu lỏng (Superfluidity) Đó là: 40 tinh thể có khả rung động tần số cao siêu dẫn nhiệt độ cao Kể từ đó, nhà vật lý khác hydro làm điều nhiệt độ phòng (mặc dù áp suất lớn so với áp suất trung tâm Trái Đất) Ashcroft xa Năm 2004, ông dự đoán hợp kim kim loại hydro gọi hiđrua trở thành siêu dẫn nhiệt độ cao áp suất thích hợp Ông chuyển ý cho dao động cao nguyên tử hydro để cung cấp tương tác electron-phonon mạnh mẽ Tính toán sau cho thấy hydro kim loại nên chất siêu dẫn với TC cao, khoảng 100-240 K cho phân tử hydro, 300-350 K giai đoạn nguyên tử 500 GPa Tuy nhiên, siêu dẫn hydro tinh khiết chưa tìm thấy.[4] Dự đoán có tương đồng gần với phát Eremet đồng nghiệp Các nhà vật lý chọn H2 S, tương đối dễ dàng để xử lý dự đoán trở thành kim loại chất siêu dẫn mức P áp suất thấp < 100 GP a với TC < 80 K Thật vậy, H2 S biết đến hợp chất phân tử điển hình với độ chuyển pha rộng Vào khoảng 96 GP a, Sulfur hydride chuyển thành kim loại Sự biến đổi phức tạp phân ly phần H2 S xuất nguyên tố lưu huỳnh áp suất P > 27 GP a nhiệt độ phòng áp suất cao nhiệt độ thấp Do đó, kim loại hóa khí Sulfur hydride giải thích nguyên tố lưu huỳnh để trở thành kim loại 95 GP a Để thực thí nghiệm, nhà nghiên cứu đổ hydride lưu huỳnh lỏng nhiệt độ khoảng 200 K vào tế bào đe kim cương áp suất khoảng 90 Gpa trang bị với điện cực có khả đo độ dẫn điện kháng trở Sau đó, họ thay đổi áp suất nhiệt độ bên tế bào để xem cách điện trở suất thay đổi.[7] Thí nghiệm: Đối với phép đo điện, nhà nghiên cứu sử dụng tế bào đe kim cương (DACs) với đe có hình dạng sau: đường kính mũi 200-300 mm, mặt sau có đường kính 40 − 80 mm vát góc − 80 Một miếng đệm cách điện cần thiết để tách miếng đệm kim loại từ điện cực (hình 3.1 ) Đầu tiên miếng đệm kim loại thép không gỉ T301 dày 250 µm khía cưa với áp suất khoảng 17 − 20 GP a Sau đó, phía khoan vết có đường kính 200 µm , vật liệu bột cách điện đặt vết khoan ép đe để tạo thành lớp Các lớp cách điện làm từ Teflon, NaCl CaSO4 Các chất liệu không phản ứng với H2 S Các lớp ép để có độ dày cỡ − µm để làm cho kẹp ổn định Một chiều dày lớn dẫn đến ổn định mẫu với miếng đệm mỏng khó để đạt áp suất cao Một lỗ đường kính 10 − 30 µm sau khoan lớp cách điện Bốn điện cực Ti phún xạ đe kim cương Các điện cực bọc với Au để ngăn chặn trình oxy hóa Ti (Để kiểm tra đóng góp có bề mặt kim 41 Hình 3.1: Thí nghiệm đo cương với độ dẫn điện, nhà vật lý chuẩn bị hình dạng khác điện cực cho thí nghiệm nhất: hai điện cực phún xạ đe hai khác đe khác Sau điện cực đệm chuẩn bị đưa trở lại vào đe DAC lắp ráp để tách biệt đe khoảng 20 − 100 µm (đo vân giao thoa) DAC đặt vào máy làm mát làm lạnh xuống ∼ 200 K (trong phạm vi nhiệt độ H2 S lỏng) sau khí H2 S đưa qua ống mao dẫn vào vành quanh đe kim cương, nơi hóa lỏng (hình 3.2) Độ tinh khiết sử dụng H2 S 99.5% D2 S 97% Và mẫu xác định cách đo phổ Raman Sau H2 S lỏng kẹp lỗ đệm cách đẩy piston DAC với trợ giúp đinh vít bên máy làm lạnh Độ dày mẫu ước tính vài micromet, đo từ giao thoa quang phổ thông qua mẫu kẹp suốt Sau kẹp, DAC đun nóng đến ∼ 220 K để làm bay H2 S lại, sau áp suất tăng thêm nhiệt độ Áp suất ổn định thời gian làm lạnh ±5 GP a Đối với phép đo quang phổ Raman trang bị cảm biến ảnh CCD rãnh lọc làm mát ni tơ Dòng laser He-Ne 632.8 nm sử dụng để kích thích phổ Raman để xác định áp suất Trong thí nghiệm, họ thực mẫu nhiệt độ 200 K tăng áp suất ban đầu Phương pháp cần thiết để có kết tốt Đo quang phổ Raman H2 S D2 S áp suất tăng lên.(hình 3.3) Các mẫu đo bắt đầu mức P ≈ 50 GP a Ở áp suất này, chất bán dẫn Tại 90 − 100 GP a điện trở giảm phụ thuộc vào nhiệt độ để trở thành kim loại Không có phản ứng quang quan sát trạng thái Đó kim loại có điện 42 Hình 3.2: Sự nạp H2 S 43 Hình 3.3: Quang phổ Raman Sulfur hydride áp suất khác a, quang phổ hydride sunfua áp suất tăng ∼ 230 K Các quang phổ dịch chuyển tương Tại 51 GP a có biến đổi pha Phổ tương ứng đánh dấu đường cong nhẹ đường cong đậm áp suất cao b, phổ Raman deuteri sunfua đo T < 170 K khoảng áp suất − 70 GP a 44 trở suất thấp xấp xỉ 100 K là: ρ ≈ × 10−5 Ω.m áp suất 110 GPa ρ ≈ × 10−7 Ω.m áp suất ∼ 200 GP a Kết bất bất ngờ lần thấy điện trở suất Sulfur hydride thực giảm đáng kể nhiệt độ thấp Tuy nhiên, nhà vật lý nhận thấy nhiệt độ tới hạn mà xảy siêu dẫn tăng lên họ gia tăng áp lực Trước ngạc nhiên nhà vật lý, áp suất 150 GP a, nhiệt độ tới hạn tăng lên 190 K Bằng cách này, chúng có nghĩa nhà vật lý đo thay đổi pha nhiệt độ tính chất siêu dẫn thay đổi cách đáng kể.[4] Tất nhiên, thay đổi pha điện trở không mà nhà vật lý đo hai kiểm tra quan trọng cần thiết để xác nhận tính chất siêu dẫn thông thường hay không Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu thay hydro thí nghiệm với đồng vị nặng deuteri Trong trường hợp này, nhà vật lý phát nhiệt độ chuyển pha thay đổi giảm rõ rệt, điều phù hợp với lý thuyết BCS dự đoán Họ để mẫu từ trường mạnh mẽ lên đến T với hy vọng tiêu diệt siêu dẫn Bằng cách này, họ hạ thấp nhiệt độ tới hạn mong đợi, tiêu diệt siêu dẫn Họ tính toán với từ trường lên đến 70 T làm việc Tất điều để chứng minh siêu dẫn thực diễn "Chúng chứng minh xuất siêu dẫn sụt giảm điện trở suất thấp so với điện trở suất đồng 50 lần, TC giảm với từ trường, thay đổi đồng vị mạnh mẽ TC D2 S chứng vai trò quan trọng phonon siêu dẫn, "Eremet đồng nghiệp” phát biểu Nhưng nhiệt độ tới hạn nhảy lên đến 190 K bất ngờ không giải thích Một lý thuyết giải thích cho nhảy vọt yêu cầu trước nhà vật lý khác chấp nhận tượng thực lý thuyết BCS.[7] Các nhà vật lý cho giai đoạn chịu trách nhiệm TC cao siêu dẫn hệ thống có khả H3 S, hình thành từ H2 S cách phân hủy áp suất Những phát nâng cao niềm hy vọng cho triển vọng để đạt tính chất siêu dẫn nhiệt độ phòng vật liệu hydro khác dựa với lý thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer 3.2 Nhiệt độ T C chất siêu dẫn H2 S Trong thí nghiệm, họ thực mẫu nhiệt độ 200 K tăng áp suất ban đầu Phương pháp cần thiết để có kết tốt đo quang phổ Raman H2 S D2 S áp suất tăng lên.(hình 3.3) Khi làm lạnh kim loại tới nhiệt độ K áp suất khoảng 100 GP a (hình 3.4a) độ lớn điện trở mẫu đột ngột giảm từ ba đến bốn bậc, cho thấy chuyển tiếp sang trạng thái siêu dẫn Tại gia tăng áp suất nhiệt độ thấp T < 100 K, TC đặn tăng lên với áp lực 45 Tuy nhiên, với áp suất lớn 160 GP a, TC tăng mạnh (hình 3.4b) Khi nhiệt độ cao 150 − 250 K trở nên chậm lại.[4] Vì thí nghiệm sau, sau tải sau tăng áp suất ban đầu 200 K, họ ủ tất mẫu cách nung nóng đến nhiệt độ phòng (hoặc cao hơn) với áp suất 150 GP a (hình 3.5a, hình 3.6) Điều cho phép họ có kết ổn định, để so sánh đồng vị khác nhau, để có phụ thuộc TC vào áp suất từ trường, để chứng minh tồn siêu dẫn mẫu họ 46 Hình 3.4: Sự phụ thuộc nhiệt độ điện trở Sulfur hydride đo áp suất khác nhau, phụ thuộc áp suất TC a, Đường phụ thuộc nhiệt độ điện trở (R) Sulfur hydride áp suất khác Các giá trị áp suất tương ứng đồ thị Các điện trở đo với dòng điện 10 µA Phía đồ thị, đường có điện trở gần không Các điện trở đo với bốn điện cực đe kim cương chạm vào mẫu (hình ảnh cùng) Đường kính mẫu 25 µm độ dày ∼ µm Lúc đầu, mẫu nạp T ≈ 200 K áp suất tăng lên ∼ 100 GP a Mẫu sau làm lạnh xuống tới K Sau tăng nhiệt độ lên 100 K, áp suất tăng thêm Đồ thị áp suất < 135 GP a thu nhỏ lại (giảm) sau: 105 GP a, 10 lần; 115 GP a 122 GP a lần; 129 GP a lần so với bước áp suất cao b, Điểm tròn màu xanh đại diện cho giá trị TC xác định từ (hình a) Điểm màu xanh khác (tam giác hay nửa đường tròn) thu lần thử tương tự Tại áp suất p 160 GP a cho thấy gia tăng mạnh TC Các điểm thực nghiệm tương ứng cho hai mẫu xác định cách thêm màu hồng vào nửa đường tròn dấu chấm trung tâm vòng tròn đầy Những điểm phản ánh trạng thái thời điều kiện p/T nói riêng Ủ thêm mẫu nhiệt độ phòng làm ổn định mẫu (hình 3.5a) Điểm màu vàng đậm giá trị TC lưu huỳnh tinh khiết thu Chúng phù hợp với liệu có giá trị cao mức P > 200 GP a 47 Figure 3.5: Sự phụ thuộc áp suất nhiệt độ T C Sulfur hydride Sulfur deuteride a, Sự thay đổi điện trở suất TC Sulfur hydride với nhiệt độ áp suất không đổi - trình nung liên tục Các mẫu áp suất tới 145 GP a 220 K sau làm lạnh đến 100 K Sau từ từ làm tăng nhiệt độ chậm ∼ K.min−1 ; xác định TC = 170 K : Ở nhiệt độ 250 K điện trở suất giảm mạnh Và lần đo TC tăng lên tới ∼ 195 K Nhiệt độ TC gần lần đo b, đường siêu dẫn tiêu biểu cho Sulfur hydride (đường màu xanh) Sulfur deuteride (đường màu đỏ) Các số liệu thu thời gian ấm lên chậm vài Những đường cong thu sau ủ nhiệt độ phòng hình a c, Sự phụ thuộc TC vào áp suất Các mẫu ủ có số liệu trình bày hình vẽ điểm màu trống cho Sulfur deuteride, điểm màu lấp đầy cho Sulfur hydride Các đường đường song song áp suất 170 GP a (sự thay đổi đồng vị số) chệch mạnh áp suất thấp 48 Hình 3.6: Sự phụ thuộc nhiệt độ điện trở Sulfur hydride 143 GP a a, Sau làm mát tới ∼ 15 K sau tăng dần nhiệt độ, T C ≈ 60 K xuất chuyển pha siêu dẫn, sau điện trở giảm mạnh với gia tăng nhiệt độ b,(đường cong tăng nhiệt độ) Tại 185 K xuất đường gấp, cho thấy khởi đầu siêu dẫn Sự chuyển đổi siêu dẫn rộng: điện trở giảm xuống tới ∼ 22 K 49 Hình 3.7: Sự phụ thuộc nhiệt độ điện trở Sulfur hydride từ trường khác a, Sự chuyển pha siêu dẫn ∼ 60 K từ trường từ − T Sự phụ thuộc nhiệt độ điện trở mà từ trường đo ba lần: trước đặt từ trường, sau đặt từ trường 1, 3, 5, T cuối sau đặt từ trường 2, 4, T (màu đen, màu xám màu xám đen) b, Các số đo tương tự trình chuyển pha siêu dẫn 185 K c, Sự phụ thuộc nhiệt độ cường độ từ trường Sulfur hydride TC (điểm đen rút từ a, b) vẽ cho từ trường tương ứng Được ước tính từ trường tới hạn Hc , đường ngoại suy từ từ trường cao, sử dụng công thức: Hc (T ) = Hc0 (1 − (T /Tc )2 ) Các ngoại suy thực với độ xác 95% (dãy thể đường màu xám) 50 Hình 3.8: Đo từ tính a, Sự phụ thuộc nhiệt độ từ hóa Sulfur hydride áp suất 155 GP a phi từ trường làm lạnh (ZFC) từ trường 20 Oe làm lạnh (FC) đồ thị (vòng tròn màu đen) Nhiệt độ bắt đầu Tonset = 203 K Để so sánh, siêu dẫn thu cho Sulfur hydride từ phép đo điện 145 GP a thể vòng tròn màu đỏ Số liệu điện trở suất (Tonset = 195 K ) thu nhỏ di chuyển theo chiều dọc để so sánh với liệu từ hóa b, Tế bào đe kim cương phi từ tường (DAC) đường kính 8,8 mm c, Đo độ từ hóa M (H) Sulfur hydride áp suất 155 GP a nhiệt độ khác Các tượng đường cong từ hóa trễ, siêu dẫn loại II Tuy nhiên đường cong từ hóa bị biến dạng đầu vào thuận từ rõ ràng (mà quan sát thấy siêu dẫn khác) Trong trường hợp này, Các tín hiệu thuận từ có lẽ từ DAC Các tảng chất thuận từ tăng lên nhiệt độ giảm Các cực tiểu đường cong từ hóa (35 mT ) kết đầu vào nghịch từ từ siêu dẫn sở thuận từ Từ trường tới hạn H c1 ≈ 30 mT tạm ước tính điểm mà từ hóa lệch khỏi đường tuyến tính Tại từ trường cao hơn, từ hóa tăng xâm nhập từ trường xoáy Như dấu hiệu đảo ngược từ trường, từ thông pha Shubnikov bị mắc kẹt chạy trở lại (có nghĩa là, với từ trường giảm) không thuận nghịch, nhánh trở lại chu kỳ từ tính (thể điểm đầy) chạy hướng thẳng Trạng thái trễ từ hóa trở nên rõ ràng nhìn thấy nhiệt độ giảm d Sự giảm mạnh từ hóa nhiệt độ cao T > 200 K e Phép ngoại suy cực tiểu rõ rệt đường cong từ hóa với nhiệt độ cao cho khởi đầu siêu dẫn T = 203, K Nhận xét: (1) Có giảm điện trở rõ rệt làm lạnh, cho thấy biến đổi pha Các điện trở suất thấp đo ∼ 10−11 Ω.m thấp khoảng bậc so với đồng nguyên chất đo nhiệt độ (hình 3.4) (2) Một hiệu ứng đồng vị mạnh mẽ quan sát được: TC Sulfur deuteride bị giảm đi, điều chứng tỏ rằng phonon có vai trò quan trọng siêu dẫn (hình 3.5b, c) Đối với chế phonon cặp electron lý thuyết BCS nhiệt độ tới hạn TC phụ thuộc vào nguyên tử có khối lượng M là: M α TC = const với α = So sánh giá trị TC phạm vi áp suất p > 170 GP a (hình 3.5c) cho α = 0.3 (3) TC giảm với từ trường (B) lên đến T (hình 3.7) Cần từ trường cao để phá vỡ siêu dẫn: Phép tính ngoại suy TC (B) cho từ trường tới hạn cao tới 70 T (4) Cuối cùng, phép đo độ từ cảm (hình 3.8) chuyển đổi rõ rêt từ trạng thái nghịch từ sang trạng thái thuận từ (hình 3.8a) quan sát cho vật liệu phi từ trường làm lạnh (ZFC) Nhiệt độ khởi đầu trạng thái siêu dẫn Tonset = 203 K , chiều rộng chuyển pha siêu dẫn gần giống phép đo điện (hình 3.8a) Đo từ hóa M (H), với H từ trường nhiệt độ khác (hình 3.8c) cho thấy từ trễ rõ rệt siêu dẫn loại II với từ trường tới hạn Hc1 ≈ 30 mT Các từ hóa giảm mạnh nhiệt độ 200 K cho thấy khởi đầu siêu dẫn 203.5 K, thỏa mãn với phép đo nhạy (hình 3.8a) Một danh sách thuộc tính quan trọng chất siêu dẫn đưa phương pháp Các nhà vật lý đưa chứng thí nghiệm siêu dẫn Sulfur hydride Tuy nhiên hợp chất đặc biệt chịu trách nhiệm TC cao không rõ ràng Các siêu dẫn đo nhiệt độ thấp (hình 3.4) liên quan đến H2 S, nhìn chung phù hợp với tính toán cho H2 S: hai giá trị TC ≈ 80 K trạng thái áp suất Tuy nhiên siêu dẫn với TC ≈ 200 K (hình 3.5) không với tính toán nhà vật lý cho liên quan đến phân hủy H2 S nhiệt độ cao để đạt TC cao (hình 3.5b), lắng đọng nguyên tố lưu huỳnh phân hủy xảy ra, 51 52 nhiên chuyển pha siêu dẫn nguyên tố lưu huỳnh xảy nhiệt độ thấp đáng kể (hình 3.4b) Một sản phẩm dự kiến phân huỷ H2 S hydro Tuy nhiên, đặc tính kéo dài rung động mạnh mẽ từ phân tử H2 không quan sát thấy phổ Raman chúng Vì cho phân ly H2 S khác liên quan đến việc tạo hyđrua cao hơn, chẳng hạn như: 3H2 S → H6 S + 2S Hoặc: 2H2 S → H4 S + S Nó phản ứng để mong đợi Lưu huỳnh hóa trị hai, bộc lộ hóa trị cao Trong thực tế, tính toán hỗ trợ gián tiếp cho giả thuyết này, phân ly: H2 S → H2 + S rõ không thuận lợi Vì việc này, hợp chất (H2 S)2 H2 xem xét, áp suất 180 GP a tạo thành H3 S với cấu trúc Im − 3m Các dự đoán TC ≈ 190 K phụ thuộc áp suất gần với giá trị thực nghiệm họ (hình 3.5c) Giả thuyết chuyển đổi H2 S để trở thành hiđrua cao (trong H3 S nguyên tử S bao quanh nguyên tử hydro) hỗ trợ mạnh tính toán sau Các mạng hydrogen cung cấp cho đóng góp siêu dẫn Bao gồm điểm không dao động cộng hưởng tính toán TC đến 190 K, hệ số đồng vị từ α = 0.5 tới α = 0.35 chúng thỏa mãn với lý thuyết Các TC cao 203 K mà nhà vật lý báo cáo đạt hầu hết có lẽ H3 S có cấu trúc Im − 3m Nó kim loại mạnh, có liên kết cộng hóa trị mạnh mẽ nguyên tử H S hợp chất Điều phù hợp với giả định chung kim loại với TC cao nên có liên kết cộng hóa trị mạnh với mô hình cao tần phổ phonon Sự kết hợp đặc biệt loại hình liên kết phổ phonon có lẽ giúp việc tìm kiếm vật liệu siêu dẫn với TC cao áp suất môi trường xung quanh Có nhiều vật liệu hydro có chứa liên kết cộng hóa trị mạnh (chẳng hạn chất hữu cơ), thường chúng chất cách điện Về nguyên tắc, chúng điều chỉnh để trở thành trạng thái kim loại cách sử dụng kích thích Phương pháp cấu trúc đại dự đoán tạo điều kiện cho việc tìm kiếm vật liệu mong muốn KẾT LUẬN Trong luận văn đề cập tượng siêu dẫn H2 S dựa việc tìm nhiệt độ chuyển pha H2 S điều kiện (áp suất, từ trường ) khác Áp dụng mô hình siêu dẫn truyền thống BCS để giải thích tượng siêu dẫn Tôi đạt số kết có ý nghĩa giải thích làm sáng tỏ tượng siêu dẫn mẫu H2 S Các kết luận văn sau: Hệ thống cách khái quát tính chất vật liệu siêu dẫn Giải thích tượng siêu dẫn H2 S mô hình siêu dẫn truyền thống BCS Tìm phụ thuộc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn H2 S điều kiện khác Những kết có luận văn ”Mô hình siêu dẫn truyền thống BCS H2 S” góp phần làm sáng tỏ chất tượng siêu dẫn nhiệt độ cao mở hy vọng cho việc tìm kiếm, chế tạo vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng 53 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Hữu Đức (2003), Vật lý chuyển pha, NXB Đại học Quốc Gia, Hà Nội [2] Thân Đức Hiền (2009), Nhập môn siêu dẫn (Vật liệu, tính chất ứng dụng), NXB Bách Khoa, Hà Nội [3] Nguyễn Huy Sinh (2005), Vật lý siêu dẫn, NXB Giáo Dục, Hà Nội [4] A P Drozdov, M I Eremets, I A Troyan, V Ksenofontov & S I Shylin (2015), Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system, Nature 525, 73–76 [5] Charles Kittel (2005), Introduction to Solid State Physics, John Wiley & Sons [6] L.D Landau, E.M Lifshitz (1980), Statistical Physics, Butterworth–Heinemann [7] N Bernstein, C.S Hellberg, M.D Johannes, L L Mazin & M J Mehl, (2015) What superconducts in sulfur hydrides under pressure, and why, Phys Rev B 91, 060511 [8] V.L.Ginzburg, Inter.J.Mod (1987), Phys B,vol 54 [...]... 1.2.2.7 Phân loại các chất siêu dẫn theo tính chất từ Trở lại công thức mô tả trường khử từ: giá trị 4πM chính là từ trường sinh ra bởi dòng siêu dẫn Ở trên từ trường tới hạn H c Chất siêu dẫn trở thành vật dẫn thường có giá trị 4πM rất nhỏ Trong trường hợp này, siêu dẫn chính là chất nghịch từ lý tưởng - nó biểu hiện hoàn toàn hiệu ứng Meissner và dược gọi siêu dẫn loại I Siêu dẫn loại I thường là các... không thể tồn tại trong chất siêu dẫn và B (x) = B (0) = const Kết quả này mô tả đúng với hiệu ứng Meissner trong lòng chất siêu dẫn mà thực nghiệm quan sát thấy Tuy nhiên chỉ đúng hoàn toàn cho chất siêu dẫn loại I Trong chất siêu dẫn loại II, từ trường không hoàn toàn bị đẩy khỏi chất siêu dẫn Nếu B (0) là từ trường ở mặt biên thì khi đó từ trường bên trong chất siêu dẫn là một hàm mũ e giảm theo... trạng thái siêu dẫn Để hiểu rõ cặp Cooper là gì, chúng ta sẽ nghiên cứu vấn đề này trong phần lý thuyết BCS, đó là lý thuyết lượng tử về siêu dẫn - một lý thuyết được coi là hoàn hảo nhất trong các lý thuyết áp dụng cho các chất siêu dẫn cổ điển 1.3.3.2 Độ dài kết hợp Đó là khoảng cách nS = ns (r) thay đổi rất chậm theo r Đối với siêu dẫn loại I: ξ ∼ 10−4 cm r ≤ ξ → ns = ns (ξ) Đối với siêu dẫn loại... các điện tử siêu dẫn tải dòng siêu dẫn và không mang entropy nên chúng không đóng góp vào độ dẫn nhiệt của vật liệu Vì vậy ở trạng thái siêu dẫn, vật liệu gần như không dẫn nhiệt • Dòng chạy trong trạng thái siêu dẫn là dòng của các điện tử siêu dẫn nên không tổn hao năng lượng, vì tổng R = 0 (các điện tử thường không có vai trò gì) 2 LÝ THUYẾT BARDEEN–COOPER–SCHRIEFFER (BCS) VỀ SIÊU DẪN 2.1 Cặp Cooper... ứng Meissner:[2] Siêu dẫn loại I: Hoàn toàn đúng Siêu dẫn loại II: Không hoàn toàn đúng, vậy siêu dẫn loại II đã tồn tại vùng trung gian (vùng hỗn hợp)   k < 2 Tiêu chuẩn Ginzburg – Landau:[8] k = λξ  k > √1 2 1 √ 2 loai I loai II 1.2.3 Tính chất nhiệt 1.2.3.1 Sự lan truyền nhiệt trong chất siêu dẫn Xét quá trình điện trở hoàn trở lại với dây dẫn khi dòng điện chạy trong dây siêu dẫn vượt quá dòng... gọi là công thức Silsbee[2], chỉ đúng cho một số chất siêu dẫn nhất định, chủ yếu là các chất siêu dẫn đơn kim loại (còn gọi là chất siêu dẫn lý tưởng) Các chất siêu dẫn là hợp chất, hợp kim hoặc chất siêu dẫn có tạp chất đều không thỏa mãn hệ thức Silsbee (Các chất siêu dẫn loại này còn gọi là chất siêu dẫn không lý tưởng) Ngoài khái niệm dòng tới hạn (IC ) thông thường, người ta còn dùng khái niệm... các điện tử siêu dẫn không đóng vai trò trong sự dẫn nhiệt Tính chất này không được áp dụng để chế tạo các công tắc nhiệt siêu dẫn trong kĩ thuật nhiệt độ thấp Trong một số hợp kim hoặc hợp chất siêu dẫn, người ta còn quan sát thấy độ dẫn nhiệt tăng tại vùng chuyển pha, sau đó mới giảm theo nhiệt độ Hiện tượng này được Hulm giải thích là: trong siêu dẫn loại II, quá trình chuyển pha siêu dẫn đã có sự... thái siêu dẫn nhỏ hơn trạng thái thường như vậy bằng lý thuyết nhiệt động học ta đẽ tìm ra tính chất giảm entropy của trạng thái siêu dẫn đã quan sát được bằng thực nghiệm.[5] 1.3.2 Sự xâm nhập của từ trường vào chất siêu dẫn Để giải thích hiệu ứng Meissner khi từ thông bị đẩy khỏi chất siêu dẫn (B = 0), người ta cần giả định chất siêu dẫn là nghịch từ lý tưởng Giả định này chỉ đúng cho các chất siêu dẫn. .. mặt Trạng thái siêu dẫn cũng bị phá vỡ nếu mật độ dòng siêu dẫn vượt quá một giá trị xác định, đó là giá trị mật độ dòng tới hạn Jc Thông thường, có hai sự đóng góp vào dòng điện chạy trên bề mặt chất siêu dẫn Hãy xem xét dòng điện chạy dọc theo dây siêu dẫn từ nguồn bên ngoài như pin, acquy Chúng ta gọi dòng này là “dòng truyền bởi vì nó truyền điện tích vào và ra khỏi dây Nếu dây dẫn đặt trong từ... K) Tuy nhiên, nó không phải là chất siêu dẫn Người ta thấy rằng biểu hiện tính chất của chất siêu dẫn khi nó có từ trường khác với vật dẫn lí tưởng Năm 1933, Meissner và Ochsenfied phát hiện ra rằng: Nếu chất siêu dẫn được làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ chuyển pha TC , thì đường sức của cảm ứng từ B sẽ bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn Tức là chất siêu dẫn nằm trong từ trường ngoài Ha còn cảm