Luận văn mô hình siêu dẫn truyền thống đối với h2s

Bộ Bộ GIÁO GIÁO DỤC DỤC VÀ VÀ ĐÀO ĐÀO TẠO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI NGUYỄN YIẾT THỊNH NGUYỄN YIẾT THỊNH MÔ HÌNH SIÊU DẪN TRUYỀN THỐNG MÔ HÌNH SIÊU DẪN THỐNG ĐỐI VỚITRUYỀN H2S 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 LUẬN VĂN THẠC sĩ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TRÍ LÂN HÀ NỘI, 2016 HÀ NỘI, 2016 LỜI CAM ĐOAN Trong trình nghiên cứu luận văn đề tài: “Mô hình siêu dẫn truyền thống H2S”, thực cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu đề tài để hoàn thành khóa luận Tôi xin cam đoan luận văn hoàn thành nỗ lực thân với hướng dẫn bảo tận tình hiệu TS Nguyễn Trí Lân Đây đề tài không trùng với đề tài khác kết đạt không trùng với kết tác giả khác Hà Nội, t há ng 08 nă m 01 Tác giả LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Trí Lân, người hướng dẫn thực luận văn Thầy cung cấp tài liệu truyền thụ cho kiến thức mang tính khoa học phương pháp nghiên cứu khoa học Sự quan tâm, bồi dưỡng thầy giúp vượt qua khó khăn qua trình hoàn thành luận văn trình học tập nghiên cứu Đối với tôi, thầy gương sáng tinh thần làm việc không mệt mỏi, lòng hăng say với khoa học, lòng nhiệt thành quan tâm bồi dưỡng hệ trẻ Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Chủ Nhiệm Khoa Vật Lý trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội thầy cô giáo tận tình giảng dạy, tạo điều kiện giúp hoàn thành khóa học Hà Nội, t h án g n ăm 20 16 Mục lục MỞ DẦU 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 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 TổlVlG QUAN LÝ THUYET VE SIÊU DAN 2 2 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 chốt nhiệt 16 Một số lý thuyết siêu dẫn 21 1.3.1 Lý thuyết nhiệtđộng lựchọc 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) VE SIÊU DAN 30 Cặp Cooper 30 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 siêudẫn theo lý thuyết BCS 36 2.3.1 Nhiệt độ tới hạn 36 2.3.2 An nhiệt 37 2.3.3 Từ trường tới hạn nhiệt động lực học 37 2.3.4 Điều kiện tồn tính siêu dẫn 38 3.1 3.2 MÔ HÌNH SIÊU DẪN BCS Đốl VỚI H2S 39 Hiện tượng siêu dẫn H2S 39 Nhiệt độ T c chất siêu dẫn H2S 44 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 (< 4,2 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 rốt 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 H2S (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 ) đồng thời hạ nhiệt độ chúng xuống —70° C(203 K ), tượng siêu dẫn xảy hay H2S không điện trở Nhiệt độ -70° 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 H2S Chính chọn đề tài “Mô hình siêu dẫn truyền thống H2S” làm đề tài luận văn Mục đích nghiên cứu • Làm sáng tỏ tượng siêu dẫn H2S Dối tượng phạm vi nghiên cứu 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 TỔNG QUAN LÝ THUYET VỀ SIÊU DAN 1.1 Hỉện tượng siêu dẫn 1.1.1 Vài nét lịch sử vi phát hiện tượng siêu dẫn Cố thể nói việc hóa lông 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 trỏ thủy ngân, phát minh tượng siêu dẫn quan sát thấy điện trỏ thủy ngân đột ngột giảm không nhiệt độ 4,2 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 đổ, Kamerlỉngh 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 chuyền pha đường cảm ứng từ bị đẩy Hiệu ứng mang tên hiệu ứng Meissner Kameriingh Onnes Walter Meissner Robert oclisenfeld Trong suốt khoảng thời gian từ năm 1911 đến 1985, chất siêu dẫn tìm cổ nhiệt độ chuyển pha không vượt 24 K chất lỏng hêli môi trường dùng để nghiên cứu tượng siêu dẫn thuyết vi mô, gọi lý thuyết BCS giải thích tất tính chất chất siêu dẫn, lý thuyết nhận (sinh năm 1928, quốc tịch Mỹ Nga) làm việc Argonne National Laboratory, Ar gönne, Illinois, Hoa Kỳ John Bardeen, Leon Co operand John Schneider (sinh năm 1916, quốc tịch Nga) làm việc P.N Lebedev Physical Institute, Moscow, Nga 1986, J.G.Bednorz K.A.Muller tìm tượng siêu dẫn có chất gốm La-Ba-Cu-0 với nhiệt độ chuyển pha nằm (sinh nămvùng 1938,nhiệt quốcđộtịch vàvà Mỹ) việc University Illinois, Urbana, Illinois, Hoachúng kỳ nitơAnh lỏng cholàm thấy mộttạicách rõ ràngof siêu dẫn nhiệt độ cao, 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 Đặc trưng chất siêu dẫn khả tải chiều khổng có tiêu tốn lượng đẳy từ trường khỏi chất siêu dẫn chất siêu dẫn đặt từ trường, mặt thực tiễn vật liệu sử dụng để chế tạo nam châm điện mạnh, dùng trongchất siêu thiết dẫn bị ảnh cộng hưỏng tính tàunày điện maglev J.B.bednorz vàcực K.A.muller nhiều mớihóa xuất hiện,từhầu hết(MRI), chất cótừnhiệt độ chuyền thiết bị tạo trường hình xuyến độ lồ phản ứng hạt nitơ nhân.(77 Trong tương lai gọi vật chung liệu siêu dẫn pha siêu dẫntừnằm vùng nhiệtTokamak độ cao nhiệt hóa lỏng ÍT), siêu có thểđộ dẫn nhiệt cao.dùng đề tăng hiệu suất cho lưới điện khả truyền dẫn lượng điện lớn với tì lệ thất thoát thấp 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 trongmột lĩnhsố vực siêu dẫn Rang vặt liệu siêu dẫn điển hình Từ bảng trẽn ta thấy, chất siêu dẫn nhiệt độ cao hợp chất chứa đồng (Cu) oxy (O) Một số lý thuyết tập chung vào mối liên kết đặc biệt nguyên tử đồng oxi tạo nên mặt CuŨ2 chuỗi Cu cấu trúc tinh thể, mạch nối cho lý thuyết chế siêu dẫn nhiệt độ cao không chứa đồng, nhà nghiên cứu siêu dẫn phát biểu sau: “Siêu dẫn mở kỷ nguyên giống Laser bóng bán dẫn, sản sinh toàn công nghiệp chí khâu nhiều ngành công nghiệp đại giới” Hiện nhà khoa học thực nghiệm vật lý vật liệu nghiên cứu để tìm chất siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha cao hơn, nhằm mục đích ứng dụng khoa học kĩ thuật đời sống Khái niệm tượng siêu dẫn 1.1.2 Siêu dẫn trạng thái vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn mà cho phép dòng điện chạy qua trạng thái điện trở đặt siêu dẫn vào từ trường từ trường bị đảy khỏi Hiện tượng siêu dẫn tượng mà điện trở chất đột ngột giảm nhiệt độ xác định 1.2 Các tính chất vật liệu siêu dẫn Tính chất điện 1.2.1 1.2.1.1 Nhiệt độ tới hạn độ rộng chuyển pha Năm 1911, Kamerlingh Onnes khỏa sát điện trở kim loại khác vùng nhiệt độ hêli Khi nghiên cứu điện trở thủy ngân (Hg) phụ thuộc nhiệt độ, ông quan sát rằng: điện trở Hg trạng thái rắn trước điểm nóng chảy cỡ 234 K (—390° c ) 37.7 Í2, trạng thái lỏng cỡ 0° c (273 K ) có giá trị 172.7 Í2, gần K có giá trị X 10-2 Í2 T ~ K có giá trị nhỏ X 10-6 Í2 Nhờ coi nhiệt độ T < K điện trở Hg biến (hoặc xấp xỉ 0) nhiệt độ xác định (T c ) điện trở chất đột ngột biến gọi nhiệt độ tới hạn nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (kí hiệu T c) Nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn nhiệt độ mà chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn Khoảng nhiệt độ từ điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến gọi độ rộng chuyển pha siêu dẫn (kí hiệu AT)[1] Ví dụ độ rộng chuyển pha Hg A T = X 10-2 K Độ rộng chuyển pha AT phụ thuộc vào chất vật liệu, công nghệ chế tạo chất siêu dẫn MÔ HÌNH SIÊU DẪN BCS Đốl VỚI H2S 3.1 Hiện tượng siêu dẫn H2S Một thách thức lớn nhà vật lý chất rắn tìm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng Có vẻ siêu dẫn thông thường ứng cử viên đầy hứa hẹn cho việc - nhiệt độ siêu dẫn cao mà tài liệu đạt đến 39 K cho magnesium diboride Năm 1986, nhà vật lý học phát số vật liệu gốm có nhiệt độ siêu dẫn cao nhiều Kỷ lục loại vật liệu gốm làm thủy ngân, barí, canxi, đồng oxy siêu dẫn 133 K (-138 độ C) áp suất cao nhiệt độ lên tới 164 K Eremets vài đồng nghiệp viện Max Planck Mainz, Đức, nói họ phá vỡ kỷ lục Họ đo Sulfur hydride siêu dẫn nhiệt độ 190 K (-83 độ C) Tuy nhiên chất siêu dẫn phải đặt áp suất lớn 150 G Pa - khoảng nửa áp lực trung tâm trái đất Nhưng họ nghĩ rằng: Sulfur hydride chất gốm siêu dẫn nhiệt độ cao Ngược lại, dường chất siêu dẫn thông thường mô tả lý thuyết hiểu rõ 50 năm (lý thuyết BCS) Nếu phát công nhận, Sulfur hydride có khả trở thành vật liệu nghiên cứu chặt chẽ hành tinh, biết rõ đặc tính tiên phong để phát vật liệu khác mà siêu dẫn nhiệt độ cao Dựa vào lý thuyết BCS nhà vật lý tìm thấy tất hiệu ứng chất siêu dẫn thông thường họ sử dụng kiểm tra quan trọng H2S có phải siêu dẫn thông thường hay không? Nhiều nhà vật lý cho lý thuyết BCS cách không cho siêu dẫn nhiệt độ 30 K 40 K Và chứng quan sát, ủng hộ quan điểm Không tìm thấy chất siêu dẫn thông thường mà hoạt động nhiệt độ Nhưng thực tế, ngăn chặn lý thuyết siêu dẫn thông thường để tìm nhiệt độ tới hạn cao 39 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) 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 T c 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 H 2S, tương đối dễ dàng để xử lý dự đoán trở thành kim loại chất siêu dẫn mức p áp suất thấp < 100 G Pa với T c < 80 K 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 H 2S 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 G Pa Để thực thí nghiệm, nhà nghiên cứu đỗ hydride lưu huỳnh lỏng nhiệt độ khoảng 200 K vào tế bào đe kim cương áp suất khoảng 90 G pa 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] 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 — 8° 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 pm khía cưa với áp suất khoảng 17 — 20 GP a Sau đó, phía khoan vết có đường kính 200 f i m , vật liệu bột cách điện đặt vết khoan ép đe để tạo thành lớp Các lớp cách điện làm từ Teflon, NaCl CaS04- Các chất liệu không phản ứng với H 2S Các lớp ép để có độ dày cỡ — p m 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 pm sau khoan lớp 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 ị x m (đo vân giao thoa) DAC đặt vào máy làm mát làm lạnh xuống ~ 200 K (trong phạm vi nhiệt độ H2S lỏng) sau khí H2S đưa qua ống mao dẫn vào vành quanh đe kim cương, nơi hóa lỏng (hình 3.2) Độ tinh khiết sử dụng H2S 99.5% 025 97% Và mẫu xác định cách đo phổ Raman Sau H2S 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 nống đến ~ 220 K đề làm bay H2S lại, sau áp suất tăng thêm nhiệt độ Áp suất ẩn 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 ỏ nhiệt độ 200 K tăng áp suất ban đầu Phương pháp cần thiết để có kết tốt Đo quang phổ Raman H2S D2S áp suất tăng lên.(hình 3.3) 42 S 43 Ra m an int en sit y, ar b uni ts 1-ŨDỠ mo Wavenumbers, cm'1 Quang phổ Raman Sulfur hydride ỏ áp suất khác a, quang phổ hydride sunfua áp suất tăng ~ 230 K 44 trở suất thấp xấp xỉ 100 K là: p « X 10 í ì m áp suất 110 GPa p « X 10 í ì 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 tâng lên họ gia tăng áp lực Trước ngạc nhiên nhà vật lý, áp suất 150 G Pa , 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] Tốt nhiên, thay đối pha điện trở không mà nhà vật lý đo hai kiểm tra quan trọng càn 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 làn, T c giảm với từ trường, thay đổi đồng vị mạnh mẽ T c D2S 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 T c cao siêu dẫn hệ thống có khả H3S, hình thành từ H2S 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 trẽn với lý thuyết BardeenCooper-Schrieffer 3.2 Nhiệt độ T c chất siêu dẫn H2S 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 H2S D2S áp suất tăng lên.(hình 3.3) 45 Tuy nhiên, với áp suất lớn 160 G Pa , T c 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 G Pa (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 T c vào áp suất từ trường, để chứng minh tồn siêu dẫn mẫu họ 46 Temperature (K) b 100 200 ĩữisỊaiiví — I c , , (oh m) Resi stanc e (oh m) Temperature (K) Hình 3.4: Sự phụ thuộc nhiệt độ điện trở Sulfur hydride đo áp suất khác nhau, phụ thuộc áp suất T c 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 không ỊẮA Phía đồ thị, đường có điện trở gần Các điện trô đo với bốn điện cực đe kim cương chạm vào mẫu (hình ảnh cùng) Đường kính mẫu 25 /Lt m độ dày ~ Ị im Lúc đầu, mẫu nạp T « 200 K áp suất tăng lên ~ 100 G Pa Mẫu sau làm lạnh xuống tới K Sau tăng nhiệt độ lên 100 JFi, áp suất tăng thêm Đồ thị áp suất < 135 G Pa thu nhỏ lại (giảm) sau: 105 G Pa , 10 lần; 115 GP a 122 GP a lần; 129 GP a lần so với bước áp suất cao 47 Ẹ o s c Ị Ù Figure 3.5: Sự phụ thuộc áp suất nhiệt độ T c Sulfur hydride Sulfur deuteride a, Sự thay đổi điện trở suất T c Sulfur hydride với nhiệt độ áp suất không đổi - trình nung liên tục Gác mẫu áp suất tới 145 G Pa 220 K sau làm lạnh đến 100 K Sau từ từ làm tăng nhiệt độ chậm ~ K m i n -1; xác định T c = 170 K : nhiệt độ 250 K điện trở suất giảm mạnh Và lần đo T c tăng lên tới ~ 195 K 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, Tợ « 60 K xuất chuyền pha siêu dẫn, sau điện trô giảm mạnh với gia tăng nhiệt độ 49 Re sil sta nc e (o h m) Hình 3.7: Sự phụ thuộc nhiệt độ điện trỏ Sulfur hydride từ trường khác a, Sự chuyển pha siêu dẫn ô ~ 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 trưdng 1, 3, 5, T cuối sau đặt từ trường 2, 4, T (màu đen, màu xám màu xám đen) 50 a, Sự phụ thuộc nhiệt độ từ hóa Sulfur hydride áp suất 155 G Pa phi từ trường làm lạnh (ZFC) từ trưdng 20 Oe làm lạnh (FC) đồ thị (vòng tròn màu đen) Nhiệt độ bắt đầu T ữ n a e t = 203 if Để so sánh, siêu dẫn thu cho Sulfur hydride từ phép đo điện 145 G Pa thề vòng tròn màu đỏ số liệu điện trở suất (T o n s e t = 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 bdi 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 m T ) kết đầu Nhận xét: (1) Có giảm điện trở rõ rệt làm lạnh, cho thấy biến đổi pha Các điện trở suất thấp đo ~ 10-11í2.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: T c Sulfur deuteride bị giảm đi, điều chứng tỏ rằng phonon có vai trò quan trọng siêu dẫn (hình 3.5b, c) M a Tn = const với a = — phạm vi áp suất p > 170 G Pa (hình 3.5c) cho Q = 0.3 (3) T c giảm với từ trường (B) lên đến T (hình 3.7) Cần từ trường cao để phá vỡ siêu dẫn: Phép tính ngoại suy T c { B) cho từ trường tới hạn cao tới 70 T (4) Cuối cùng, phép đo độ từ cảm (hình 3.8) chuyển đối 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 T o n s e t = 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 H KS 30 m T 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 C 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 H2S 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 H 2S khác 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 rõ không thuận lợi Vì việc này, hợp chất (H2S)2H2 xem xét, áp suất 180 G P a tạo thành H3S với cấu trúc I m — 3m Các dự đoán T c » 190 K phụ thuộc áp suất gần với giá trị thực nghiệm họ (hình 3.5c) Giả thuyết chuyển đổi H 2S để trở thành hiđrua cao (trong H3S 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 T c đến 190 lí, hệ số đồng vị từ Q = 0.5 tới Q = 0.35 - chúng thỏa mãn với lý thuyết cao 203 K mà nhà vật lý báo cáo đạt hầu hết có lẽ H3S có cấu trúc I m — 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 T c 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 T c 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, 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 H 2S dựa việc tìm nhiệt độ chuyển pha H2S 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 H 2S Các kết luận văn sau: 53 [...]... dòng siêu dẫn: Js = - (V'*(r)VV'(r) - V'(r)VV'*(r)) - ) V'*(r)VV'(r)A(r) 1.3.3 2 Đ ộ d ns = n s (r ) thay đối rất àchậm theo r Đối với siêu dẫn loại I: £ ~ i 10_4cm r < £ —> nks = ns(£) Đối với siêu dẫn loại II: £ ~ ế 10_7cm r > £ —¥ n s = t0 h ợ p 1/2 (1.50) 2 ) 27 \ 4 i r q 2 a) 1/2 ( London tính được: (1.52) mc2 Airq2 I ìpo 1.3.4 Mô hình hai chất lỏng Lý thuyết mô hình hai chất lỏng về siêu dẫn ... gọi siêu dẫn loại I Siêu dẫn loại I 16 Từ trưàng ngoái Ha •- H.;i H: hi;, Từ tniãrvg ncpai H — 1 Dựa vào hiệu ứng Meissner: [2] Siêu dẫn loại I: Hoàn toàn đúng 1.2.3 1.2.3.1 Tính chất nhiệt Sự lan truyền nhiệt trong chất siêu dẫn Xét quá trình điện trô hoàn trở lại với dây dẫn khi dòng điện chạy trong dây siêu dẫn vượt quá dòng tới hạn Giả thiết dây là hình trụ Trong thực tế khổng cổ dây dẫn nào mà... Công thức trên được gọi là công thức Silsbee[2], chỉ đúng cho một số chốt 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 ự c) thông thường, người ta... chốt siêu dẫn và B (x) = B (0) = const c Kết quả này mô tả đúng với hiệu ứng Meissner trong lòng chốt siêu dẫn mà thực nghiệm quan sát thấy Tuy nhiên chỉ đúng hoàn toàn cho chất siêu dẫn loại I Và thực hiện các biến đổi toán học ta được phương trình: 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. .. Meissner.[2] Tính chất từ của chất siêu dẫn cho biết, chất siêu dẫn biểu hiện tính chất: trong lòng nó các đường cảm ứng từ B = 0 Nghĩa là, siêu dẫn biểu hiện như một chất nghịch từ lý tưởng H = H a + M = 0, là tính chất từ cơ bản của chất siêu dẫn Đặc trưng hệ số từ hóa X = — 1 đã nói lên siêu dẫn là chất nghịch từ lý tưởng Mặt khác, đặc trưng cơ bản của chất siêu dẫn về tính chất điện là điện trở... cho nên độ dẫn nhiệt bị giảm xuống theo nhiệt độ Trong nhiều chất siêu dẫn khi T < T c độ dẫn nhiệt giảm giảm xuống xốp xỉ hoặc bằng 0 Như vậy, có thể cho rằng 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... được điện trở của kim loại siêu dẫn cỡ < 10“26 fim Giá trị này thỏa mãn kết luận điện trở của kim loại siêu dẫn bằng 0 8 1.2.2 Tính chất từ 1.2.2.1 Tính nghịch từ của vật dẫn lí tưởng Chất siêu dẫn ở dưới nhiệt độ chuyển pha của nó biểu hiện không có điện trở Hãy xem xét các tính chất từ của vật dẫn không có điện trở Những vật dẫn như vậy được gọi là vật dẫn lý tưởng hoặc vật dẫn hoàn hảo Giả thiết rằng:... Nb-25%Zr với ổườnt? kính dây khác nhau 1.2.2.7 Phân loại các chất siêu dẫn theo tính chất từ Trỏ lại công thức mô tả trường khử từ: giá trị 4 TT M chính là từ trường sinh ra bởi dòng siêu dẫn 0 trên từ trường tới hạn H c Chất siêu dẫn trở thành vật dẫn thường có giá trị 4 TTM rất nhô Trong trường hợp này, siêu dẫn chính là chất nghịch từ lý tưỏng - nố biểu hiện hoàn toàn hiệu ứng Meissner và dược gọi siêu. .. trong trạng thái siêu dẫn Có thể tóm tắt như sau: Xuất phát từ tính trật tự trong trạng thái siêu dẫn và tính mất trật tự của hệ ở trạng thái thường, các tác giả đã đưa vào một thông số đặc trưng w thỏa mãn hai giả định sau đây: - 0 trạng thai siêu dẫn có mức năng lượng thấp hơn bình thường, hệ điện tử trong vật liệu siêu dẫn bao gồm hai thành phần, đó là các điện tử siêu dẫn tải dòng siêu dẫn trong trạng... nghiệm cho rằng: Thông thường độ dẫn nhiệt (k ) trong trạng thái siêu dẫn thấp hơn nhiều so với trạng thái thường Trạng thái siêu dẫn, độ dẫn nhiệt của vật liệu ( k s ũ) giảm mạnh trong vùng nhiệt độ T < T c Về mặt định lượng, có thể giả định mô hình hai chất lỏng Bản chất của nó là: khi nhiệt độ giảm, nồng độ của chất siêu chảy điện tử tâng lên (electron superíluid) Chất siêu chảy điện tử trong Heli