Bài tập lớn giữa kỳ môn vật lý lượng tử 2 tìm hiểu về hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao

MỤC LỤC ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ GVHD: TS VÕ VĂN ỚN SVTH: Nguyễn Thị Luyến Nguyễn Thị Tuyết Lan Lớp: C14VL01 – Nhóm Khóa: 2014 -2017 Bình Dương, Ngày 30 tháng 10 năm 2016 Lời mở đầu Đ ề tài “ Hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao nhóm chúng em tìm hiểu với mong muốn nâng cao hiểu biết tượng siêu dẫn nhiệt độ cao, nhanh chóng tiếp cận với kiến thức ứng dụng lạ tượng khoa học đời sống Trong tiểu luận này, chúng em có trình bày khái niệm có liên quan đến tượng siêu dẫn, vài nét lịch sử tượng siêu dẫn nhiệt độ cao, số tính chẩt vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao, cấu trúc tính chất số hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao chứa đồng oxy điển hình cuối ứng dụng siêu dẫn nhiệt độ cao Qua tài liệu giúp bạn có nhìn tổng quát, cụ thể tượng biết thêm điều lạ, thú vị việc ứng dụng vào công nghệ đại ngày Hy vọng tài liệu tư liệu bổ ích giúp cho bạn sinh viên có mong muốn tìm hiểu thêm tượng siêu dẫn nhiệt độ cao - vấn đề nhiều điều kỳ bí Do thời gian thực đề tài không nhiều kiến thức có hạn chế nhóm nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn để đề tài phong phú hoàn thiện Sinh viên thực nhóm lớp C14VL01 Nguyễn Thị Luyến Nguyễn Thị Tuyết Lan Bình Dương, Ngày 30 tháng 10 năm 2016 PHẦN LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Thế kỷ 21 kỷ mà khoa học kỹ thuật phát triển vượt bậc nhờ kế thừa phát huy phát vĩ đại hệ trước Trong số ngành khoa học công nghệ đại công nghệ vật liệu kỹ thuật chiếm vị trí vô quan trọng Khoa học phát triển, yêu cầu thiết bị cao đòi hỏi nguyên vật liệu phải thỏa mãn tiêu chuẩn tối ưu Vì thế, nhà vật lý cố gắng tìm kiếm vật liệu kỹ thuật cải tiến vật liệu kỹ thuật có để đáp ứng ngày tốt yêu cầu văn minh đương đại Vật lý siêu dẫn vấn đề thời đầy hấp dẫn nhà khoa học - đỉnh cao vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao Vật lý siêu dẫn nhiệt độ cao phát cách 25 năm mở triển vọng lớn việc nghiên cứu, ứng dụng chất siêu dẫn Nó đánh dấu bước tiến quan trọng trình tìm kiếm nhà vật lý công nghệ lĩnh vực siêu dẫn Một nhà nghiên cứu siêu dẫn phát biểu: “Siêu dẫn mở kỷ nguyên giống Laser bóng bán dẫn, sản sinh toàn công nghiệp chí khâu nhiều ngành công nghiệp đại giới” Ngày nay, nhiều ý kiến cho tác động công nghệ siêu dẫn nhiệt độ cao vượt xa công nghệ bán dẫn Laser Với hai đặc trưng: mát lượng trình tải điện khả đẩy từ trường chất siêu dẫn, vật liệu siêu dẫn đưa vào ứng dụng ngành khoa học công nghệ như: y học, kỹ thuật điện - điện tử, công nghiệp quốc phòng, giao thông vận tải, đời sống sản xuất,… Xuất phát từ tiềm phát triển nhiều ứng dụng thực tế việc sử dụng vật liệu siêu dẫn, định chọn đề tài: “Hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao” làm đề tài tìm hiểu nhóm PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO 1.1 Hiện tượng siêu dẫn Năm 1911, Kamerlingh Onnes khảo sát điện trở kim loại khác vùng nhiệt độ Heli 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 234K (-390C) 39,7 Ω Trong trạng thái lỏng 0C (cỡ 273 K) có giá trị 172,7Ω, gần 4K có giá trị 8.10 -2 Ω T ~ 3K có giá nhỏ 3.106 Ω Như coi nhiệt độ T < 4,0 K, điện trở Hg biến (hoặc xắp xỉ không) 1.1.1 Khái niệm tượng siêu dẫn 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 đẩy khỏi Hiện tượng siêu dẫn tượng mà điện trở chất đột ngột giảm nhiệt độ xác định 1.1.2 Nhiệt độ tới hạn độ rộng chuyển pha Nhiệt độ mà điện trở hoàn toàn biến gọi nhiệt độ tới hạn nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu T C) Có thể hiểu 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 không gọi độ rộng chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu ∆T) Ví dụ độ rộng chuyển pha Hg ∆T = 5.10-2 K Độ rộng chuyển pha ∆T phụ thuộc vào chất vật liệu siêu dẫn 1.1.3 Điện trở không Về nguyên tắc, nhiệt độ chuyển pha, điện trở chất siêu dẫn xem hoàn toàn biến Vậy thực chất: trạng thái siêu dẫn, điện trở thực trở thành giá trị nhỏ? Tất nhiên, chứng minh thực nghiệm điện trở thực tế 0; điện trở nhiều chất trạng thái siêu dẫn nhỏ độ nhạy mà thiết bị đo cho phép ghi nhận Trong trường hợp nhạy hơn, cho dòng điện chạy xung quanh xuyến siêu dẫn khép kín, nhận thấy dòng điện không suy giảm sau thời gian dài Giả thiết tự cảm xuyến L, thời điểm t = ta bắt đầu cho dòng I(0) chạy vòng quanh xuyến, thời gian muộn t ≠ 0, cường độ dòng điện chạy qua xuyến tuân theo công thức: Ở R điện trở xuyến Chúng ta đo từ trường tạo dòng điện bao quanh xuyến Phép đo từ trường không lấy lượng từ mạch điện mà cho ta khả quan sát dòng điện luân chuyển không thay đổi theo thời gian xác định điện trở kim loại siêu dẫn cỡ < 10 26 Ωm Giá trị thỏa mãn kết luận điện trở kim loại siêu dẫn 1.2 Sơ lược tiến trình phát chất siêu dẫn nhiệt độ cao Mốc lịch sử đáng ý năm 1974, vật liệu gốm siêu dẫn phát với hợp chất BaPb1-xBixO3 (x = 0,25) có TC cực đại cỡ 13K Mặc dù chuyển pha hợp chất không cao mở hướng là: tìm kiếm vật liệu siêu dẫn hợp chất gốm, kim loại nguyên chất hợp kim Với nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn TC không vượt 24K (Bảng 1.1), nói vòng 75 năm (1911 – 1985) chất lỏng Heli môi trường nhât dùng để nghiên cứu vật liệu siêu dẫn Việc tồn tính siêu dẫn vùng nhiệt độ Heli hạn chế lớn việc nghiên cứu ứng dụng nhiều phòng thí nghiệm giới, vấn đề tạo Heli lỏng trình phức tạp tốn Để khắc phục điều đó, tìm tòi chủ yếu nhà khoa học tập trung vào vấn đề tạo đươc chất siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha cao Ngày 27 tháng 01 năm 1986, hai nhà vật lý K.A.Muller J.G.Bedorz làm việc phòng thí nghiệm hãng IBM Zurich (Thụy Sĩ) công bố tạp chí “Zeitschrift Fur Physik” Đức: Hợp chất gốm Ba 0.75La4.25Cu5O4(3-y) có điện trở giảm mạnh vùng 30 – 35K trở không 2K Phát minh làm chấn động dư luận toàn giới mở chân trời đầy hi vọng, có sức hấp dẫn lôi đa số nhà vật lý toàn giới.Nó phát súng đại bác mở đầu công mạnh mẽ vào lĩnh vực khoa học hoàn toàn mới: “Lĩnh vực siêu dẫn nhiệt độ cao” Ngay sau bùng nổ thông tin nghiên cứu siêu dẫn nhiệt độ cao toàn cầu Các phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu nhiều nước chạy đua công bố kết siêu dẫn nhiệt độ cao Những vật liệu siêu dẫn không ngừng phát nhiệt độ chuyển pha T C ngày nâng cao cách đáng kể Tiếp sau phát minh Bednorz Mulller, năm 1986 nhóm δ TOKYO xác định (La0.85Ba0.15)2CuO4- có cấu trúc Perovskite loại K2NiF4 TC cỡ 30K Nhóm Houston nghiêm cứu hiệu ứng áp suất cao hợp chất gốm tìm thấy TC tăng cỡ 1K/kbar, đồng thời xác định nhiệt độ bắt đầu chuyển pha cỡ 57K áp suất 12kbar Sau kết nhóm Houston – Alabama thay lượng nhỏ Ba Sr xác định nhiệt độ bắt đầu chuyển pha siêu dẫn δ TC ∼ 42,5K hợp chất (La0.9Sr0.1)Cu4- áp suất thường Nhiều thí nghiệm khác nghiêm cứu siêu dẫn nhiệt độ cao giới A&T.Bell, Beijing, Belcore, Argone Naval Research Laboratory khẳng định kết công bố Cho đến năm 1991, số nhà khoa học tìm siêu dẫn có hợp chất hữu K xC60 với nhiệt độ chuyển pha lên đến 28K Một phát quan trọng vào năm nhà khoa học AT&T tìm thấy siêu dẫn hữu chất C 60Rb3 có nhiệt độ TC cỡ 30K Kết ngạc nhiên lớn cho nhà khoa học, không ngạc nhiên siêu dẫn thực tồn chất hữu mà chế siêu dẫn nhiệt độ cao gây lớp Cu-O vật liệu trở nên không ý nghĩa Phải chăng, hướng chế siêu dẫn nhiệt độ cao cần hình thành để giải thích cho tồn siêu dẫn hợp chất gọi “Fullerence” Một phát đáng quan tâm ngày 20/01/1994 nhóm tác giả R.J.Cava công bố tìm thấy siêu dẫn hợp chất Intermetallic - LnNi 2B2C (Ln=Y, Tm, Er, Ho, Lu) có nhiệt độ TC = 13 – 17K Mặc dù TC hợp chất không cao phát minh quan trọng mở đường tìm kiếm vật liệu siêu dẫn hợp kim liên kim loại (Intermetallic) vật liệu từ - vấn đề mà từ trước đến người ta cho khả tồ siêu dẫn Nhiệt độ chuyển pha số chất siêu dẫn theo thời gian Cho đến năm 2001 có nhiều hợp chất siêu dẫn phát Tuy nhiên, có hệ thống ta tạm xếp loại siêu dẫn điển hình theo bảng sau Bảng 1.1: Phân loại chất siêu dẫn Chất siêu dẫn tiêu Loại siêu dẫn biểu Hg Nb Siêu dẫn kim Nb3Sn loại hợp kim Nb3Ge La-Sr-Cu-O Y(Re)-Ba-Ca-Cu-O Bi-Sr-Ca-Cu-O Oxit siêu dẫn chứa Cu O Tl-Ba-Ca-Cu-O Hg-Ba-Ca-Cu-O Y(Re)-Ba-Ca-Cu-O Siêu dẫn không Ba-K-Bi-O chứa Cu Siêu dẫn hữu KxC60 Siêu dẫn không Ln(Re)-Ni-B-C chứa Cu O Y-Pd-B-C Nhiệt độ chuyển pha [K] 4,2 9,3 18,1 23,7 20-30 85-95 115-120 120-125 90-164 85-95 20-30 30 17 23 Năm phát 1911 1930 1954 1973 1986 1987 1988 1988 1993 1987 1988 1991 1994 1994 Đồng thời với nhiều chất siêu dẫn phát hiện, nhiệt độ chuyển pha chúng không ngừng nâng cao 1.3 Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình 1.3.1 Vài nét oxit siêu dẫn Dấu ấn lịch sử phát siêu dẫn có oxit chất SrTiO3 Scholey, Hooler Cohen tìm thấy năm 1964 với nhiệt độ chuyển pha TC ≈ 0, 25K hạt điện tử n = 3.10 19/cm3 Hiện tượng không nằm khuôn khổ lý thuyết BCS Mười bảy năm sau người ta pha tạp Nb vào SrTiO 21 TC ≈ 1,3K nâng nồng độ điện tử lên n = 10 /cm nhiệt độ chuyển pha Chín tháng sau, nhóm Matthias tìm thấy siêu dẫn Na xWO3 với x = 3; n = 22 TC ≈ 0,57 K 10 /cm Như vậy, tượng siêu dẫn xuất nhiều loại oxit khác với nồng độ electron đủ lớn Năm 1965, tượng siêu dẫn tìm thấy TiO NbO với nhiệt độ chuyển pha tương ứng 0,65K 1,25K Năm 1973, Johnston đồng nghiệp tìm siêu dẫn có LiTi2O4 với TC = 11K Năm 1975, Sleight đồng nghiệp tìm siêu dẫn có BaPb 121 BixO3 Với x = 0,25 nồng độ hạt tải n = 2,4.10 /cm x TC ≈ 11, K Sau đó, người +1 TC ≈ 30 K +2 ta thay K vào Ba chất cách điện BaBiO tìm thấy hợp chất Ba-K-Bi-O Từ năm 1986 trở trước, người ta tìm siêu dẫn tồn nhiều oxit kim loại hợp chất chứa oxit đồng 1.3.2 Một số loại siêu dẫn chứa oxit đồng Năm 1956, lý thuyết BCS đời với giá trị T C tính theo ông thức TC = 1,11θ D exp −1 N ( EF )V θD N ( EF ) Với nhiệt độ Debye, mật độ trạng thái mặt Fermi, V tương tác electron – proton Trong trình nghiên cứu, người ta nhận thấy ba thông số không θD N ( EF ) độc lập với Nếu làm tăng hay nhiều ba thông số , V hệ thức TC tìm kiếm vật liệu siêu dẫn có T C cao, hệ vật liệu bất thường hệ vật liệu chứa oxit vùng biên kim loại điện môi Ý tưởng hai nhà khoa học K.A.Muller G.Bednorz công ty IBM (Thụy Sĩ) triển khai Tháng năm 1986, K.A.Muller G.Bednorz tìm chất siêu dẫn nhiệt độ cao chứa oxit Cu La 2-xBaXCuO4 với nhiệt độ chuyển pha TC ≈ 35K Tháng năm 1987, Bednorz muller nhận giải thưởng Nobel phát minh siêu dẫn nhiệt độ cao Người ta cho chất siêu dẫn nhiệt độ cao, tương tác mạnh electron – proton xuất oxit phân cực giống trạng thái hóa trị hỗn hợp dẫn đến phá vỡ lý thuyết BCS Người ta tìm thấy hợp chất siêu dẫn chứa oxit đồng phù hợp với giả định trên, Cu có hóa trị hỗn hợp Cu 2+ Cu 3+ Cu 3+ Cu + Ngày 12 tháng 01 năm 1987, nhóm nghiên cứu C.W.Chu lần tạo TC ≈ 90 K δ siêu dẫn có hợp chất YBa2Cu3O7- Các nghiên cứu cho thấy cấu trúc pha siêu dẫn hợp chất khác hẳn cấu trúc (La-214) Tháng năm 1987, người ta thay La Y (không từ tính) phát hợp δ chất siêu dẫn YBa2Cu3O7- (gọi Y-123) có nhiệt độ chuyển pha T C > 90K Ngay sau cấu trúc pha siêu dẫn Y-123 xác định phòng thí nghiệm Geophysical Laboratory cấu trúc lớp với xếp trật tự cách tuần hoàn (Y-BaO-CuOCuO l Cu2-BaO) với hai lớp CuO2 ngăn chuỗi tuyến tính ô mạng Tiếp theo hàng loạt hợp chất nghiên cứu thay Y = La, Nb, Sm, Eu, Gd, Ho, Xe Lu (các nguyên tố thuộc dãy đât hiếm), thay không cho thấy thay đổi TC Tại thời điểm này, số nhà nghiên cứu khác giới độc lập tìm siêu dẫn R-123 có TC > 90K (nhóm Muller – Thụy Sĩ, nhóm Tanaka – Nhật, nhóm Paul Chu – Mỹ - Zhong-Xian-Zhao-Bắc Kinh) 1.3.3 Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao chứa Cu Oxy Từ năm 1988 đến nay, hàng loạt oxit siêu dẫn chứa Cu phát Ngoài La(R)-214 Y(R)-123 có họ hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình sau đây: BiSr2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt Bi-22(n-1)n với n=1,2,3,…) Tl2Ba2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt Tl-22(n-1)n với n=1,2,3,…) HgBa2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt Hg-12(n-1)n với n=1,2,3,…) CuBa2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt Cu-12(n-1)n với n=1,2,3,…) A1-xBaxCuO2 (A loại đất hiếm, B kim loại kiềm valency) Các vật siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha vượt 120K cấu trúc chúng đặc biệt ♦ Hệ Bi-22(n-1)n: (Vật liệu Maeda đồng nghiệp phát vào tháng năm 1988) - Điển hình là: Bi-Sr-Ca-Cu-O (gọi tắt BSCCO system) TC ≥ 105K - Đây loại vật liệu đa pha mà Cấu trúc tinh thể gồm ba pha ứng với n = 1, 2, xác định cấu trúc lớp theo trật tự đặt: BiO 2-SrO-CuO2-(Ca)CuO2-…-(Ca)-CuO2-SrO, với n lớp CuO2 ngăn (n-1) lớp Ca Ứng với lớp n = 1,2 TC có giá trị cỡ 22K, 80K 110K, có tăng nhiệt độ chuyển pha theo thứ tự tăng số lớp n ♦ Hệ Tl-22(n-1)n: (Do Shung Herman công bố vào năm 1987) Khi thay nguyên tố phi kim, từ hóa trị (Tl) cho (R)-123(TlBa 2Cu3Ox) nhận thấy nhiệt độ chuyển pha hợp chất tăng lên xấp xỉ 90K Tháng năm 1988, Shung Herman thay phần Ca Ba hợp chất Tl-Ba-Ca-Cu-O hay (TBCCO), hợp chất có cấu trúc giống siêu dẫn BI-2223 với hau lớp kép (TlO2) có TC = 90K, 110K có 125K n = 1,2,3 ♦ Hệ Hg-12(n-1)n: Năm 1991, người ta thay Hg cho Cu Sau đó, Putilin đồng nghiệp tạo HgBa2CuO4 +δ hợp chất (n=1) với TC = 94K Schiling đồng nghiệp thay n = 2,3 Hg-12(n-1)n làm tăng T C = 133K – 134K áp suất cao 16Gpa 164K 30Gpa Cấu trúc đặt: HgO-BaO-CuO2-(Ca)-CuO2-…-(Ca)-CuO2-BO Với n lớp CuO2 ngăn cách (n-1) lớp Ca, cấu trúc giống với cấu trúc TlBa2Can −1Cun O2 n+δ ♦ Hệ CuBaCan −1O2 n +2 +δ : Am X 2Can −1CunO2 n +m +2 +δ Công thức chung: với m = 2, X = Ba Sr, n = 1,2,3 tăng theo thay đổi A bảng hệ thống tuần hoàn Từ nhó VB (Bi), nhóm IIIB(Tl) đến nhóm IIB (Hg) bảng hệt thống tuần hoàn, có khả làm tăng TC cách thay đổi A liên tiếp đến nhóm IB Au Ag TC đạt 124K hệ 1.4 Một số đặc tính chung vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao 1.4.1 Các phép đo thông thường để nghiên cứu số tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao Thông thường để nghiên cứu số tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao người ta thường dùng phép đo sau: + Nghiên cứu tính chất nhiệt: Đo độ dẫn nhiệt, nhiệt dung, suất điện động nhiệt điện + Nghiên cứu tính chất điện: Đo điện trở, mật độ dòng tới hạn… + Nghiên cứu tính chất nhiệt động: Đo từ trường tới hạn nhiệt động H C (T), tăng giảm entropy… + Nghiên cứu chất từ: Đo hệ số tự hóa, đường cong từ trễ, từ trường tới hạn (HC1), từ trường tới hạn (HC2), dị hướng từ… Các phép đo phục vụ cho mục đích chung là: + Nghiên cứu tính chất chuyển vật liệu Ngoài ra, số phép đo quan trọng khác thực phép đo: hiệu ứng Hall, chuyển pha từ, chuyển pha cấu trúc… + Phân tích mẫu ghiên cứu cấu trúc: Phân tích nhiệt, nhiễu xạ tia X, Nhiễu xạ neutron, kính hiển vi điện tử quét,… đo hấp thụ sóng quang học vật liệu siêu dẫn +Các hiệu ứng: Hiệu ứng xuyên ngâm, hiệu ứng Ramann, hiệu ứng Meissner, hiệu ứng Isotop, hiệu ứng Joshepson… kết hợp nghiên cứu không thực nghiệm mà lĩnh vực lý thuyết phát triển mạnh 1.4.2 Đặc tính chung siêu dẫn nhiệt độ cao trạng thái thường Thông thường, vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao có cấu trúc tinh thể cấu trúc lớp 10 3.3.4 Cấu trúc lý tưởng hợp chất siêu dẫn TI2Ba2CaCu2O8 Hình 2.10: a) Cấu trúc tinh thể pha siêu dẫn TI (2212) b) Cấu trúc tinh thể pha siêu dẫn TI (2223) Tóm lại, tìm hiểu hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao, ta nghiên cứu cấu trúc tính chất đặc trưng chúng Ta xét ba loại hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình: hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao có nhiệt độ chuyển pha TC vùng nhiệt độ 30-40K (hợp chất siêu dẫn 30-40K); hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao có nhiệt độ chuyển pha TC vùng nhiệt độ 80-90K (hợp chất siêu dẫn 80-90K); hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao có nhiệt độ chuyển pha TC vùng nhiệt độ 110- 125K (hợp chất siêu dẫn 110-125K) Tất chất siêu dẫn điển hình chứa Cu Oxy Cấu trúc tinh thể chúng đặc trưng mạng hai chiều Cu-O Tùy theo số đỉnh O(0,1,2) vị trí Cu tinh thể mà lớp Cu-O mạng hai chiều hình tháp vuông hình bát giác Các chất siêu dẫn chứa Cu Oxy có tính chất chung tinh thể Mô hình đơn giản cho chế siêu dẫn vật liệu quan niệm truyền điện tích lớp coi bể điện tích lớp dẫn điện CuO2 19 CHƯƠNG 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO Như ta biết, trạng thái siêu dẫn vật liệu tồn vùng nhiệt độ nhiệt độ tới hạn TC, từ trường nhỏ từ trường tới hạn HC dòng điện nhỏ dòng tới hạn IC Với điều kiện trên, điện trở vật liệu siêu dẫn Ngoài ra, đặt chất siêu dẫn loại I vào từ trường ngoài, từ trường bị đẩy khỏi chất siêu dẫn Và đó, từ trường chất siêu dẫn (Bin = 0) Đối với chất siêu dẫn loại II (đa số hợp chất chất siêu dẫn nhiệt độ cao) có hai từ trường tới hạn Tại H < , từ trường hoàn toàn bị đẩy khỏi chất siêu dẫn Trong đó, < Ho < từ trường thấm vào chất siêu dẫn (trạng thái trung gian) Tuy nhiên điện trở suất chất siêu dẫn Các ứng dụng siêu dẫn dựa đặc trưng quan trọng chất siêu dẫn ; Bin = tính chất lượng tử siêu dẫn kể ứng dụng quan trọng siêu dẫn là: - Chế tạo nam châm siêu dẫn - Truyền tải điện - Ứng dụng quan sát nội trạng người ảnh cộng hường từ hạt nhân MRI - Tạo từ trường để tích trữ lượng - Chế tạo động cơ, biến - Cầu chì giới hạn dòng - Chế tạo tàu hỏa chạy đệm từ với tốc độ cực nhanh - Các thiết bị dựa hiệu ứng Josephson với độ nhạy cực cao - Giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID) nhiều ứng dụng khác Với ứng dụng khác nhau, cần có dòng điện có cường độ tối thiểu (I < I c) từ trường cho trước Theo đánh giá chuyên gia kinh tế (năm 2002) phạm vi ứng dụng siêu dẫn thống kê lĩnh vực sau: - Lĩnh vực điện tử: 46% - Lĩnh vực lượng: 18% - Giao thông vận tải: 9% - Y tế: 11% - Các ứng dụng khác: 16% Ngân hàng giới (WB) dự đoán giá trị thương mại sản phẩm có sử dụng vật liệu siêu dẫn toàn giới lên đến 244 tỷ USD vào năm 2020 Theo tạp chí Time (năm 2000), công nghệ chế tạo nghiên cứu ứng dụng chất siêu dẫn vị trí thứ loại công nghệ hàng đầu kỷ XXI Để sử dụng chất siêu dẫn cần đáp ứng số yêu cầu định nêu 20 21 Bảng 3.1: Các thông số Jc từ trường B thiết bị tương ứng Các ứng dụng B(T) Jc(A/cm2) Các phần tử chuyển mạch 0,1 5.106 Dây dẫn dòng điện xoay chiều 0,2 105 Dây dẫn dòng điện chiều 0,2 2.104 SQUID 0,1 2.102 Motor máy phát điện 104 Cầu trì 105 Ngoài nhiệt độ làm việc chất siêu dẫn (T lv) ứng dụng có ứng dụng có công suất lớn với ứng dụng điện tử Như vậy, chất siêu dẫn nhiệt độ thấp cần ngâm Heli lỏng (4,2K), chất siêu dẫn nhiệt độ cao Nitơ lỏng (77K) nhiệt độ Hydro lỏng (20,28K) Về mặt kỹ thuật, chế tạo sử dụng vật liệu siêu dẫn cần có điều kiện phức tạp Đối với chất siêu dẫn nhiệt độ cao việc thiết kế chế tạo để ứng dụng đơn giản Tuy nhiên, chất siêu dẫn nhiệt độ cao vật liệu gốm, giòn nên người ta phải bọc bột siêu dẫn ống bạc, ép tạo dáng nung nhiệt độ thích hợp tạo thành dây tương đối mềm dẻo dễ sử dụng 3.1 Sử dụng hiệu ứng điện trở không 3.1.1 Ngành công nghiệp điện 3.1.1.1 Truyền tải lượng (Electric Power Transmission) Hình 3.1: Dây siêu dẫn nhiệt độ cao Hiện nay, đường dây tải điện siêu dẫn nhiệt độ cao xây dựng số nước tiên tiến Mỹ, Nhật,…Tải điện cáp siêu dẫn có lợi lớn so với đường dây tải điện thông thường Lợi ích lớn khả tải dòng lớn không bị tổn hao lượng trình tải điện Thực nghiệm cho thấy: dây 22 cáp làm lạnh trạng thái siêu dẫn tải dòng lớn gấp ba lần dòng điện cáp đồng bình thường với đường kính dây hiệu điện giống Một lợi ích có dây tải điện bình thường là, tải điện trạng thái siêu dẫn, không bị mát lượng điện trở dây dẫn (nhiệt Jun) Điều cho phép truyền tải lượng điện đến khoảng cách xa mà không tốn Cáp siêu dẫn tải lượng địa nhiệt, lượng điện Hydro lượng mặt trời, lượng lấy từ than đá lượng hạt nhân từ nguồn đến trung tâm dân cư sử dụng nơi tiêu thụ 3.1.1.2 Máy phát điện động điện siêu dẫn Máy phát điện siêu dẫn có dạng giống turbin thông thường Sự điều khiển hoạt động máy phát điện siêu dẫn giống turbin mặt nguyên lý Nhưng khác motor siêu dẫn bao bọc buồng chân không quay tròn Chất lỏng Nitơ bơm vào buồng chân không lực hướng tâm để trì nhiệt độ motor trạng thái siêu dẫn Máy phát điện siêu dẫn chứng tỏ tính tốt, kích thước nửa kích thước máy phát điện thường, giá thành rẻ cỡ 40% so với máy phát điện thông thường 300MW; hiệu suất nâng lên 98 - 99% Hình 3.2: Motor siêu dẫn nhiệt độ cao 3.1.1.3 Bình tích trữ lượng từ siêu dẫn (Superconducting Magnetic Energy Storage – SMES) Trong SMES, lượng sinh từ từ trường cuộn dây siêu dẫn lớn chôn lòng đất Năng lượng tích trữ cuộn dây siêu dẫn mạch điện hệ thống không bị tiêu hao Năng lượng không cần chuyển đổi từ dạng lượng khác vào bình chứa (Ví dụ dạng lượng hóa học, học nhiệt hoc v.v.) Khi cần sử dụng, lượng phóng nhanh với cường độ mạnh Điều làm giảm từ trường giảm lượng tích trữ SMES có hiệu suất đến 97% Hiện nay, nghiên cứu chế tạo SMES có công suất vài ngàn MW triển khai 23 Hình 3.3: Bình tích trữ lượng từ siêu dẫn Ngoài ra, SMES có nhiều ứng dụng khoa học quân như: lượng laser, súng chạy đường ray bắn loại tên lửa tầm xa với tốc độ lớn Có thể sử dụng thiết bị để phóng loại máy bay phản lực, tàu vũ trụ v.v… 3.1.2 Máy gia tốc hạt (Particle Accelerators) Sử dụng nam châm siêu dẫn nhiệt độ thấp thay cho nam châm tiết kiệm hàng triệu đô la tiền điện Nếu sử dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao thay hiệu suất máy gia tốc hạt tăng đáng kể giá thành điện giá thành làm lạnh giảm Hình 3.4: Máy gia tốc hạt chất siêu dẫn nhiệt độ cao 24 3.1.3 Lò phản ứng nhiệt hạch từ (Magnetic fusion reactors) Để sử dụng cho thí nghiệm với lò phản ứng nấu chảy từ Các nam châm siêu dẫn giữ plasma không trung lò phản ứng Tokamak hình bánh Nam châm siêu dẫn nhiệt độ thấp sản sinh từ trường lên đến 11 testla Trạng thái plasma khí gas nóng đưa vào bên từ trường Phản ứng nóng chảy tự xuất plasma nóng lên ngưng đọng lại Sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao làm giảm tổng lượng cần thiết để làm lạnh nam châm đơn giản hóa hệ thống làm lạnh 3.2 Ứng dụng hiệu ứng Meissner: Hiệu ứng nâng 3.2.1 Ôtô điện (Electric Automobils) Người ta chế tạo motor siêu dẫn dựa sở hiệu ứng Meissner Tính chất motor siêu dẫn gây nên đẩy đường từ thông Sức đẩy sử dụng để lái rotor motor điện Các motor siêu dẫn rắn có kích thước cỡ 1/3 kích thước motor thường Sự mát dòng motor siêu dẫn ước tính giảm cỡ 50% so với motor thường Motor siêu dẫn có nhiều ứng dụng công nghiệp sản xuất ôtô, loại bơm, quạt, máy thổi, máy khí, máy nghiền nhiều phương tiện khác Có thể sử dụng motor siêu dẫn cho ôtô điện máy kéo Điện tích trữ bình tích trữ lượng từ siêu dẫn, thiết bị lắp đặt phương tiện truyền tải Các ôtô máy kéo chạy êm, hiệu suất lượng cao không làm ô nhiễm môi trường Chất siêu dẫn nhiệt độ cao nhiệt độ phòng tương lai làm tăng hiệu giá thành cho ứng dụng Hình 3.5: Ôtô điện 25 3.2.2 Sự treo từ (Magnetic Levitation) Hình 3.6: Hiệu ứng treo từ (sử dụng nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao YBCO) Kể từ có phát minh siêu dẫn có nhiều quan tâm đặc biệt dành cho ứng dụng lĩnh vực điện từ Thực ứng dụng dựa vào đặc tính trường sử dụng nhiều đa dạng ứng dụng việc giảm bớt điện trở nhiều 3.2.3 Tách chiết từ (Magnetic Separation) Hình 3.7: Bộ lọc sóng micro siêu dẫn nhiệt độ cao Tách lọc từ phương pháp tách chiết thành phần tạp chất xác định khỏi hỗn hợp Do khác tính chất từ thành phần riêng tạo nên hỗn hợp, vài thành phần bị kéo có từ trường đặt vào hỗn hợp Các thành phần khác hỗn hợp lại theo ý muốn Nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao có nhiều khả ứng dụng cho công nghệ như: tách chiết sunfurơ từ than đá, tách chiết tạp chất từ khoáng vật tách chiết mảnh kim loại lòng đất, thiên thạch v.v…Có thể sử dụng phương pháp tách từ cho tái chế 26 làm nước thải, hóa chất tách lọc khí đốt Phương pháp cho giá thành rẻ, kích thước thiết bị nhỏ từ trường chất siêu dẫn cao làm cho có khả hút đẩy tạp chất mạnh sử dụng 3.2.4 Các giá đỡ từ Các giá đỡ từ siêu dẫn thường sử dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao hoạt động nhiệt độ 77K Cơ cấu chuyển động không ma sát nâng từ giá siêu dẫn dựa hiệu ứng Meissner Ví dụ hiệu ứng nâng từ rotor nặng 2,4kg quay giá đỡ từ làm vật liệu YBCO với vận tốc 30000 vòng/phút 3.2.5 Các chắn từ Các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao ứng dụng làm chắn từ Tuy nhiên để hoạt động nhiệt độ cao (77K) từ trường tới hạn che chắn vài trăm Oe 3.3 Ứng dụng hiệu ứng lượng tử: Điện tử học siêu dẫn 3.3.1 Cảm biến đo từ thông ba chiều (Three Dimensinal Flux Sensors) Hình 3.8: Thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID) Một lĩnh vực ứng dụng quan trọng khác chất siêu dẫn có từ thời kỳ “nhiệt độ thấp” dụng cụ đo xác Đặc biệt sở khám phá B.Josephson năm 1962 hiệu ứng mang tên ông (dòng siêu dẫn “chui qua” lớp điện môi mỏng để phát sóng điện từ) Trong từ kế phổ thông, người ta sử dụng cuộn dây thu tín hiệu đối xứng nhau, gọi cặp cuộn dây pick-up (pick- up coil) - hệ cuộn dây đối xứng nhau, ngược chiều lõi vật liệu từ mềm Để tăng độ nhạy cho từ kế, người ta thay cuộn dây thu tín hiệu thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (superconducting quantum interference device - SQUID), lớp tiếp xúc chui hầm Josephson đo lượng tử từ thông Do đó, độ nhạy thiết bị tăng lên nhiều Người ta dùng cuộn dây siêu dẫn (hoạt động nhiệt độ thấp) để tạo từ trường cực lớn ổn định Ngày nay, hệ siêu dẫn nhiệt độ cao SQUID YBCO sử dụng cho việc đo từ thông ba chiều Việc thay nâng cao chất lượng hạ giá thành sản phẩm 27 Lợi ích thiết bị định vị tăng cường từ thông cấu trúc cụ thể Ví dụ để phát thăng giáng từ trường não người, thăng giáng bắt nguồn từ trình phóng điện có liên quan (hiện tượng động kinh) 3.3.2 Thiết bị thu phát sóng Viba Ứng dụng tính không thấm sâu sóng điện từ vào chất siêu dẫn (độ thấm sâu London) so với kim loại thường để dùng thiết bị tần số cao Cùng với việc sử dụng siêu dẫn nhiệt độ cao YBCO, người ta chế tạo lọc sóng viba với hệ số phẩm chất tăng lên hàng trăm lần điện trở bề mặt chất siêu dẫn nhỏ nhiều lần so với kim loại thông thường (Al, Cu, Au,…) Ví dụ tần số 10GHz 77K, điện trở chất siêu dẫn YBCO điện trở bề mặt Cu 13mΩ Điều làm giảm tổn hao tín hiệu viba xuống lần thay chất siêu dẫn cho Cu lọc vi sóng Công nghệ lọc sử dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS) cho phép loại bỏ gần hoàn toàn tín hiệu nhiễu bảo toàn tín hiệu gốc Khi sử dụng HTS, ta không cần phải thay thiết bị thu vô tuyến hay ăng-ten thực gọi vốn thực thiết bị thông tin tăng khoảng cách dải thông chúng Các hệ thống lọc đầu vào sử dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao có tính độc đáo, tạo cấp độ lọc cần thiết nhiễu dải sóng thiết bị gây nhiễu phát ra, đồng thời tăng độ nhạy thiết bị thu lên nhiều tín hiệu yếu Vật liệu siêu dẫn có tính hẳn vật liệu thông thường điện trở chúng nhỏ nhiều (bằng với dòng điện chiều) Tuy nhiên, vật liệu siêu dẫn phải làm lạnh đạt đặc tính Mặc dù công nghệ HTS mẻ song chứng tỏ tính khả thi nó, có 1.000 trạm thông tin vô tuyến thành phần sử dụng Các lọc HTS trang bị tàu hải quân, máy bay hàng ngày sử dụng để hỗ trợ cho hoạt động quan tình báo quan hành pháp Việc cải tiến công nghệ thiết bị làm lạnh vật liệu HTS tạo hệ thống nhỏ hơn, có nhiều lọc Ứng dụng đặc biệt sử dụng lọc kiểu hệ thu phát sóng điện thoại di động ngày số nước công nghiệp triển khai để tăng chất lượng dịch vụ phục vụ khách hàng Ở độ nhạy tính lọc lựa tăng lên đáng kể Ngoài ra, người ta chế tạo cần ăng-ten siêu nhỏ chất siêu dẫn đưa vào sử dụng Ăng-ten làm chất siêu dẫn nhiệt độ cao có kích thước 5% kích thước loại ăng-ten thông dụng Ăng-ten mini làm việc theo nguyên lý mạch xuyên ngầm có độ nhạy gấp 20 lần loại ăng-ten khác Ví dụ ăng-ten siêu dẫn nhiệt độ cao có độ dài 2,6 inch thay cho ăng-ten thông thường có độ dài 52 inch sử dụng để bắt tần số FM 28 3.3.3 Thiết bị dò sóng milimet (Milimet waves delector) Sử dụng tiếp xúc Josephon màng mỏng siêu dẫn YBCO thành công việc chế tạo thiết bị bắt sóng milimet, điều khó thực công cụ bán dẫn thông thường Từ nguồn nhiệt thấp xạ sóng milimet, thiết bị dò màng mỏng YBCO phát định vị phận bị sai hỏng không gian ba chiều Đó vùng có nhiệt độ thấp so với phận bình thường xung quanh Hình 3.9: Thiết bị dò tìm mạch sai hỏng siêu dẫn nhiệt độ cao 3.3.4 Máy phát sóng tần số Terahertz (THz) Các xạ điện từ dải tần THz (1012 Hz) đem lại ứng dụng to lớn, từ việc phát chất nổ chẩn đoán, điều trị ung thư Nhưng trở ngại khoảng cách từ sóng vi ba (microwave) hồng ngoại (bức xạ THz) nên không dễ dàng vượt qua xạ THz khó sinh tần số chúng cao linh kiện phát dựa vật liệu bán dẫn, lại thấp để tạo nhờ máy laser chất rắn Gần đây, nhà nghiên cứu Hoa Kỳ, Thổ Nhĩ Kì Nhật Bản giải vấn đề cách khai thác lớp tiếp xúc Josephson vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao Lớp tiếp xúc Josephson cấu tạo hai lớp vật liệu siêu dẫn ngăn cách lớp điện môi mỏng điển hình hiệu ứng đường hầm lượng tử 29 Hình 3.10 Cấu trúc linh kiện nhóm Welp Ulrich Welp (thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Argone, Hoa Kỳ) cộng khẳng định hai vấn đề giải cách sử dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao Khác vật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp, chất siêu dẫn nhiệt độ cao không cần phải tạo lớp tiếp xúc Josephson chúng tự nhiên chứa lượng chất khắp nơi cấu trúc lớp đơn Và đồng thời chúng có khe lượng tương đối lớn đủ để phát xạ dải sóng THz Hình 3.11: Kết tần số phát Quan trọng hơn, nhóm Welp phát cách đơn giản để đồng hóa xạ (pha sóng phát nội từ lớp tiếp xúc Josephson vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao) để tạo công suất phát mức miliwatts (mW) Nhóm nghiên cứu sử dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao Bi 2Sr2CaCu2O8, biết đến với tên viết tắt BSCCO với lớp Josephson nội tạo xếp liên tục Quan trọng hơn, nhóm Welp phát cách đơn giản để đồng hóa xạ (pha sóng phát nội từ lớp tiếp xúc 30 Josephson vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao) để tạo công suất phát mức miliwatts (mW) Nhóm nghiên cứu sử dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao Bi2Sr2CaCu2O8, biết đến với tên viết tắt BSCCO với lớp Josephson nội tạo xếp liên tục lớp siêu dẫn CuO dải lớp điện môi BiO SrO Khi đặt hiệu điện ngang qua mẫu BSCCO, khiến cho lớp phát xạ điện từ tần số định không kết hợp pha Cũng giống với laser, thủ thuật để tạo nên xạ đồng pha thay đổi hiệu điện tần số phát tương ứng với tần số cộng hưởng hốc Tại tần số đó, điện trường tự bù trừ mặt pha giúp cho xạ đồng hóa Ban đầu có vài lớp tiếp xúc đồng pha, sau hiệu ứng làm mạnh thêm cách dội hơn, nhờ kiểu phản hồi dẫn đến việc dải sóng phát đồng pha 3.3.5 Thế chuẩn (Voltage Standard) Nhiều nước sản xuất máy biến áp, loại máy hoạt động nhờ tiếp xúc Josephson với tần số xạ xác Sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao tiếp xúc Josephson để chế tạo làm biến áp hạ giá thành sản phẩm, chất lượng bền, độ xác cao hoạt động biến áp rộng 3.3.6 Thiết bị xử lý tín hiệu (Signal Processors) Phát triển máy xử lý tín hiệu tốc độ cao việc sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao Máy hoạt động với độ nhạy gấp 50 lần thiết bị sử lý tín hiệu thông thường 3.3.7 Đầu dò xạ (Radiation Detectors) Các chất siêu dẫn nhiệt độ cao để chế tạo máy dò xạ tia cực tím sóng micro Máy đạt độ nhạy bậc cao 3.3.8 Công tắc quang học Trong hệ tin học điều khiển truyền thông tin cáp quang máy tính quang điện hệ mới, người ta chế tạo sử dụng loại thiết bị công tắc quang học tư chát siêu dẫn nhiệt độ cao Các công tắc nhỏ, nhẹ, điều khiển xác, bền có độ nhạy cao thời gian điều khiển cực nhanh 31 PHẦN 3: KẾT LUẬN Đề tài “Hiện siêu dẫn nhiệt độ cao” thực với mong muốn nâng cao hiểu biết tượng siêu dẫn, nhanh chóng tiếp cận với kiến thức ứng dụng lạ tượng khoa học – đời sống Tìm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao bước tiến quan trọng trình cải tiến tìm kiếm vật liệu Kể từ đó, nhà khoa học bắt tay vào công nghiên cứu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao đạt nhiều thành tựu rực rỡ Chỉ với hai đặc trưng: mát lượng trình truyền tải điện khả đẩy từ trường chất siêu dẫn, vật liệu siêu dẫn ứng dụng rộng rãi ngành khoa học, công nghệ đời sống Nhiều nhà vật lý cho rằng, tác động công nghệ siêu dẫn nhiệt độ cao vượt xa công nghệ bóng bán dẫn laser Hiện nay, chưa thể tưởng tượng hết tiềm khổng lồ ứng dụng vật liệu Trong đề tài, chúng em có trình bày vài nét trình lịch sử phát chất siêu dẫn; vài lý thuyết liên quan; khái niệm, đặc điểm tượng siêu dẫn nhiệt độ cao cuối ứng dụng cụ thể khoa học – đời sống siêu dẫn nhiệt độ cao Đề tài giúp bạn có nhìn cụ thể tượng siêu dẫn, biết điều lạ, thú vị việc ứng dụng siêu dẫn vào công nghệ đại Hy vọng đề tài tư liệu bổ ích cho bạn sinh viên, người đam mê khoa học có mong muốn tìm hiểu thêm tượng siêu dẫn – vấn đề nhiều điều kỳ bí 32 TÀI LIỆU THA M KHẢ O Lê Khắc Bình - Nguyễn Nhật Khanh, Vật lý chất rắn, Nhà xuất Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2002 Thân Đức Hiền, Nhập môn siêu dẫn (Vật liệu, tính chất ứng dụng), Nhà xuất bách khoa Hà Nội, 2008 Nguyễn Nhật Khanh, Siêu dẫn - Hiện tượng đầy bí ẩn, Nhà xuất giáo dục, 2000 Nguyễn Huy Sinh, Vật lý siêu dẫn, Nhà xuất giáo dục, 2005 http://www.hppc.evn.com.vn/ /160-truyn-ti-in-vi-cong-ngh-sieu-dn.html http://www.quocphong.baodatviet.vn › › Khoa học - Công nghệ › Khoa học 24h http://www.khoahocviet.org › › Vật Lý Học › Vật Lý Và Đời Sống http://www.may-phat-dien-gia-re.blogspot.com/ /may-phat-ien-voi-chatsieu http://www.hiendaihoa.com/ /su-dung-chat-sieu-dan-cho-thiet-bi-han-che 10 http://www.vatlyvietnam.org › › Vật lý chất rắn, Vật liệu, Laser 11 http://www.bkeps.com/ /nhung-tien-bo-ky-thuat-trong-cong-nghe-truyentai 12 http://www.vi.m.wikipedia.org/wiki/Từ_kế_mẫu_rung 13 http://www.khoahoc.com.vn › › Phát minh khoa học › Thế giới 14 http://www.vi.wikipedia.org/wiki/Giải_Nobel_Vật_lý 15 http://www.thiennhien.net › Khoa học - công nghệ 33