Vật lý siêu dẫn

N G U Y fN HUYSINH N H A X U A T B A N G IÄ O D U C NGUYỄN HUY SINH VẬT LỶ SIÊU DẪN (T i lẩn th ứ n h ấ t) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC 04 2006/C X B /179 - 1860/GD Mã số: 7K 646T6 - DAI LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình "V Ậ T LÝ SIÊU DẢNT biên soạn theo khung chương trinh chuvên ngành Vật lý Nlìiệt độ thấp, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Giáo trình đă sử dụng làm tài liệu giảng dạy thức cho sinh viên chuyên ngành năm thứ tư ciia Khoa Vật lý từ năm 1994 đến M ột số phần nâng cao đà sử dụng làm tài liệu giảng dạy cho học viên cao học nghiên cửu sinh thuộc chuyên ngành “ Vật lý Nhiệt độ thấp Kỹ thuật Cryogenics” năm qua Giáo trình tài liệu bồ ích cho cán hộ khoa học đườim tìm hiểu nghiên cứu vật lý vật liệu siêu dẫn Trong trình giảng dạy biên soạn giáo trinh, tác giả cố gant* đưa thông tin cập nhật kê ca vê lý thuyêt thực nghiệm, nhăm cung cấp cho sinh viên không chì kiến thức vật ly siêu dân mà giúp họ nam tính thời lĩnh vực khoa học mới, dó “ siêu dẫn nhiệt độ cao" Cuôii sách bao uồm chưưng: Các chương 2, 3, trình bày tính chất CO’ bàn số lý thuyết quan trọng cùa vật liệu sicu dân nhiệt độ thấp Phần trình bày số vấn đề nhiệt động học chuyên pha, vẽ lý tluivêt vi mô, tiếp xúc Josephson hiộu ứng xuyên ngầm chất siêu dẫn Các chương 7, trình bày tính chất cư số vật liệu điền hình tronu lĩn h vực sien dẫn nhiệt dộ cao - vấn đề danu thời từ thập ký qua Phần ứng chum chill siêu dần dược dua vào để minh chứng cho lợi ích to lớn sử dụng chất siêu dan clời sống, khoa học kỷ thuật Một số hình ảnh minh họa sinh động ứng dụniĩ vật liệi: siêu dần trinh bày giáo trinh đẻ độc giả tham khảo them Tác íiià dà tận chilli* kinh nghiệm giảng dạy nghicn cửu nhiêu năm qua, đồn« thời với viẹc tham khảo sách, báo, tạp chí khoa học chuyên ngành nước ngồi de bien soạn 3 13 1974 Lai-xCaxMn0 -Ba-Cu - 30-40 1986 Y(Re)-Ba-Cu-0 80-90 1987 Bi-Sr-Ca-Cu-0 1 -1 1983 TI-Ba-Ca-Cu-0 115-125 1988 KxCeo 18-30 1991 Hg-Ba-Ca-Cu-0 90-161 1993 (NH3)4Na2CsC60 33 1994 Y-Pd-B-C 23 1994 Ln(Re)-Ni-B-C 13-17 1994 (Cs.N 3)200 CU2 O 4CÍ2 49 1995 Ba-Ca-Cu-0 126 1996 LÌ2 BeH4 Bi-Ba-Ca-Cu-0 126-130 1997 (CuTI)B32C3n-lCUn02n+4-y 121 1998 MgB 39 2000 1997 Hiện nhà khoa học thực nghiệm vật lv vật liệu đă ntihiơn cứu tìm chất siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha cao hơn, nhằm mục đích ứng dụng tron« khoa học kỹ thuật dời sống Bàng 1.1 cho thấy chất siêu dẫn nhiệt độ cao đa dạng, hợp chất chứa đồng (Cu) oxy (O), có cà hợp chất đất liên kim loại Tuy nhiên, có nhiều hợp chất khơng chứa oxy khơng chứa câ dồim oxy Đặc biệt có hợp chất cacbon (được gọi chất Fulerence cỏ nhiệt độ chuyển pha khoảng 40 - 60 K) Sự phức tạp đa dạng hợp chất siêu dẫn đề tài hấp dẫn cho nhà vật lý lý thuyết thực nghiệm Các nhà lý thuyết íiắng sức tìm hiểu chế vi mơ clìất siêu dẫn nhiệt độ cao M ột số lý thuyết tập trung vào môi liên kết đặc biệt giừa nguyên tử đồng ôxy tạo nên mặt C u chuỗi CuO cấu trúc tinh thể Đây có the mạch nối cho lý thuyết chế siêu dẫn nhiệt độ cao không chửa đồng M ột nhà nghiên cứu sicu dẫn đâ phát biêu sau: "Siêu dân đa mờ kỷ nguyên ẹiống Laser bỏnạ bủn dân, nỏ cỏ thê sàn sinh tồn nơn cơng nghiệp chí Íí líi kháu bàn cùa nhiên ngành công nghiệp dại g iớ i” 1.2 Hiện tirọng sicu dẫn, nhiệt độ tói hạn độ rộng chuyến pha Năm 191 1, Kamerlingh Onnes khảo sát điện trở kim loại khác vùng nhiệt độ Hêli Khi nghiên cứu diện trờ tliuỷ ngân (Ilg ) phụ thuộc nhiệt độ, ỏim đà quan sát rằng: điện trở Hg trạng thái ran (trước điểm nóng chảy cỡ 234 K ( - 39°C) 39,7 Q Trong trạng thái lòng 0l)c (cờ 273 K) cỏ giá trị 172,7 Q, gần K có giá trị 8.10'~ Q - K có giá trị nhò 3.10'6Q Như coi nhiệt độ T < 4,0 K diện trở cùa Ha biến (hoặc xấp xi khơng) Hình 1.1 két thực nghiệm đo điện trở Mu Kamerlingh Onnes thực năm 1911 nhiệt độ xác định (7c) điện trờ chất đột ngột biến mất, nghĩa chất có the cho plìép dòng điện chạy qua trạne thái khơng có điện trờ, trạng thái gọi trạna thái sicu dẫn Chất có biểu trạng thái siêu dẫn gọi chất siêu dẫn Nhiệt độ mà điện trở hồn tồn biến gọi nhiệt độ tới hạn nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu 7c) Có thệ hiểu nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn nhiệt độ mà chất chuyền từ trạng thái thường sang trạng thái siêu đẫn Khoảng nhiệt độ từ điộn trờ bat đầu suy giảm đột ngột đến bằn!» không gọi độ rộng chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu A T) V í dụ độ rộng chuyển pha Hg ’à i\T = 5.10 K Độ rộng chuyên pha A T phụ thuộc vào bàn chất vật liệu siôu dẫn 1.3 Sự tồn tính sỉêu dẫn số vật liệu Tính siêu dẫn tồn nhiều kim loại, hợp kim, hợp chất Tuy nhiên tính siêu dẫn tồn chất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: áp suất, độ vật liệu, môi trường Trong chất siêu dẫn nhiệt độ cao, tính siêu dẫn phụ thuộc vào quy trình công nghệ tạo mẫu, nhiệt độ nung ủ, thành phần pha tạp Chúng ta xét kỹ vân dô tro n " phần siêu dẫn nhiệt độ cao Trong trình nghiên cứu, người ta củng đưa số nhận xét chất siêu dẫn Thơng thường chất có đặc điểm sau chất siêu dẫn: Các kim loại hoá trị Các kim loại sát từ phàn sắt từ Các kim loại đất (trừ Lanlan) có quỹ đạo điện tử f khơng lấp đầy (empty) Người ta nhận thấy rằng, thơng thường kim loại siêu dẫn nhiệt độ phòng, khơng dẫn điện tốt bàng kim loại thường Nhiều hợp chất sicu dẫn thân thành phần tạo nên hợp chất lại chất siêu dan Các chất sicu dẫn hợp kim, hợp chất có đặc điểm chung khác với chất siêu dẫn đơn kim loại là: Nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn Tc cao Từ trường tới hạn trôn H C2 HC| (xem mục sicu dẫn loại I siêu dẫn loại 11) Khơng biểu hồn tồn với hiệu ứng Meissncr Độ rộng chuyển pha AT tương đối lớn Không với hệ thức Silsbee - (1.2) Bảng 1.2 cho thấy nguyên tố siêu dẫn phát bảng tuần hoàn Bảng 1.2 Các nguyên tố kim loại chất siêu dẫn H He B* B c N Na Mg AI S* p Li K Ca Sc Ti V Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd Cs Ba* Lu Hf Ta Rb Sr Fr Mn ,Fe W w Re Os Ir Ni Pt Cu Zn Ga G * As Au Hg In Sn Sb* Te* TI Pb Bi* Po F Na Cl Ar Br Kr Xe At Rn Ra La c * Pr Nd Pm Sm Dy Ho Tm ’■ịĩ ■■ Yb í ■ ' Gd Tb ■ịítí) ■ Ac Th Pa u Np Pu Al Ị Nguyên tố siêu dẫn síl o s Nguyên tố sỉẻu dẫn áp suất cao (dạng màng) I B I Nguyên tố phi kim Nguyên tố có trật tự từ Li I Kim loại chưa tìm thấy có tính siêu dẫn Để minh chứng cho chất siêu dẫn tồn trạng thái khơng có điện trở, người ta làm vòng xuyến siêu dẫn đặt từ trường làm lạnh xuống thấp nhiệt độ chuyền pha Tc (T < Tc) Như vậy, vòng xuyến hồn tồn trạng thái siêu dẫn K hi ngẳt từ trường, vòng xuyến xuất dòng cảm ứng thực nghiệm cho thấy rằng: Dòng cảm ứng chạy xuyến siêu dẫn không suy giảm theo thời gian Dòng siêu dẫn gọi dòng dư (persistent current) File M ills dùng phương pháp cộng hường từ hạt nhân để đo từ trường tạo bời dòng siêu dẫn vòng xuyến Nbo 75Zro 25 đưa kết luận thời gian suy giảm dòng siêu dẫn vào cỡ 100.000 năm Với vòng xuyến siêu dẫn Pb có dòng dư chạy qua cỡ hàng trăm ampe nhà thực nghiệm quan sát thấy, năm dòng khơng suy giảm Tuy nhiên, số vật liệu siêu dẫn có dòng vĩnh cửu chạy qua có thời gian suy giảm hữu hạn có tượng tái phân bố từ thông bất thuận nghịch xảy vật liệu 1.4 Điện trở 1.4.1.Điên • trở kim loai • Điện trờ tất kim loại họp kim giám xuống bị làm lạnh Để hiểu điều đó, cần phải biết thân vật dẫn phải có điện trờ Dòng điện chạy vật dẫn mang “ điện tử dẫn” , điện tử chuyển động tự dạng sóng thuộc tính tự nhiên chúng Có thể biểu diễn trình truyền điện tử kim loại sóng phảng truyền theo hướng Do kim loại có cấu trúc tinh thể với nguyên tử nằm mạng tuần hồn nên sóng phẳng truyền suốt cấu trúc tuần hoàn tinh thể mà không tán xạ vào hướng khác Như điện tử có khả chạy qua suốt cấu trúc tinh thể hồn hảo mà khơng động lượng theo hướng ban đầu Nói cách khác, tinh thể hồn hảo bất đầu cho dòng điện chạy, dòng điện khơng chịu cản trở Tuy nhiên, mạng tuần hoàn tinh thể thường có khuyết tật Những khuyết tật làm tán xạ sóng điện từ điện trở sinh Ngồi hai hiệu ứng sinh điện trờ là: phá vỡ cấu trúc hoàn hảo mạng tinh thể tạp chất dao động nhiệt Tức là: nhiệt độ K, nguyên tử dao động dịch chuyển khỏi vị trí cân chúng Tiếp đó, nguyên tử lạ sai hòng khác phân bố ngẫu nhiên làm hòng tuần hoàn tinh thể Cả hai vấn đề: dao động nhiệt tạp chất sai hòng mạng làm tán xạ điện tử dẫn chuyển động làm tăng điện trở vật dẫn 00 Nhiệt độ Hình 1.2 Sự phụ thuộc điện trờ kim loại theo nhiệt độ Như hiểu rằng: nguyên nhân làm điện trở giảm kim loại hợp kim bị làm lạnh là: hạ nhiệt độ, dao động nhiệt cùa nguyên tử giảm xuống, đồng thời điện tử dẫn tán xạ với tần sổ nhỏ hơn."Do điện trở cùa kim loại giảm tuyến tính theo nhiệt độ T T T d (nhiệt độ Debye) Ở nhiệt độ điện trở giảm từ từ gần nlnr không đổi T ~ K (hình 1.2) Đ ối với kim loại hoàn toàn sạch, điện tử di động chi bị cản trở dao động nhiệt mạng, điện trờ có giá trị xấp xỉ nhiệt độ giảm phía K Những kim loại thuộc mẫu “ kim loại lý tường” mang tính hồn tồn giả thuyết Tuy nhiên, làm lạnh đến K mà điện trờ giảm tới 0, chưa dứt khốt phải vật liệu siêu dẫn Hình 9.9 Thiết bị dò tìm mạch điện sai hỏng siêu dẫn nhiệt độ cao 9.2.20 Bộ biến đổi analog/digital (A/D Converter) Nhờ tiếp xúc Josephson, biến đổi A/D chất siêu dẫn đă chế tạo thử lý nghiệm, thuyết biến đổi nhanh nhiều so với biến đổi thiết kế chất bán dẫn Do làm chất siêu dẫn làm tăng vùng tần số đo Hơn nữa, biến đổi A/D tiếp xúc Josephson đảm bào độ ổn định so với biến đổi thông thường bán dẫn 9.2.21 Màn chắn từ thiết bị dẫn sóng (Shields and Wave guides) Dựa hiệu ứng Meissner, chất siêu dẫn đẩy đường từ thơng khỏi trạng thái siêu dẫn, người ta sử dụng đề tạo nên vùng khơng có từ trường tạo thành vùng có dạng từ trường khác Các chất siêu dẫn phun thành plasma người ta sử dụng bề mặt plasma với hình dạng phức tạp Đó tiền đề cho việc dùng chất siêu dẫn tường chắn sóng micro; làm chắn chống lại vụ nổ hạt nhân làm màng chắn loại sóng điện từ khác không gian trước vào Trái Đất Nhiều ứng dụng quan trọng cho việc bảo mật lĩnh vực máy tính cơng nghệ thơng tin Sử dụng chấn chất siêu dẫn tường bảo vệ số liệu thông tin hội thoại 12-VLSDẪN 177 9.2.22 Thế chuẩn (Voltage Standard) Nhiều nước sàn 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 giải hoạt động cùa biến áp rộng 9.2.23 Thiết bị xử lý tín hiệu (Signal Processors) Có thể 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 xử lý tín hiệu thông thường 9.2.24 Cảm biến đo từ thông ba chiều (Three Dimensional Flux Sensors) Hệ SQUID YBCO sử dụng cho việc đo từ thông ba chiều Lợi ích thiết bị định vị tăng từ thơng cấu trúc cụ thể 9.2.25 Đầu dò xạ (Radiation Detectors) Có thể sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao để chế tạo máy dò xạ tia cực tím sóng micro Máy đạt độ nhạy bậc cao 9.2.26 Ơtơ điện (Electric Automobiles) Có thể sử dụng motor siêu dẫn cho ôtô điện máy kéo Điện tích trữ binh tích trữ lượng từ siêu dẫn, thiết bị lắp đặt phương tiện truyền tải Các trạm gas trờ thành trạm tái nạp điện 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 việc írng dụng nàv 9.2.27 Thiết bị Synchrotrons Bức xạ Synchrotrons có cường độ lớn gấp triệu lần so với ánh sáng phát từ bàn in quang khắc (photolithography), sử dụng chất siêu dẫn để chế tạo chip micro với hàng trăm triệu bit nhớ chip đơn Kích thước máy Synchrotrons thơng thường lOO’xlOO’ Khi sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ thấp, kích thước máy rúttgọn lại ’ x l5 ’ dùng chất siêu dẫn nhiệt độ cao cấu tạo máy nhỏ nhiều 9.2.28 Lò phản ứng nhiệt hạch từ (Magnetic fusion reactors) Để sử dụng cho thí nghiệm với lò phản ứng nấu chảy từ Nam châm siêu dẫn nhiệt độ thấp sản sinh từ trường lên đến 11 testla Trạng thái plasma gas nóng đưa vào bên từ trường Phản ứng nóng chảy tự xuất plasma nóng lên ngưng đọng lại Sử dụng chất siêu dần nhiệt độ cao làm giảm tổng lượng cần thiết để làm lạnh nam châm đơn giản hóa hệ thống làm lạnh 9.2.29 Máy gia tốc hạt (Particle Accelerators) Các nhà khoa học sử dụng máy gia tốc hạt để nghiên cứu chất vật chất Các máy gia tốc 178 tuần hoàn đưa đến hai chùm hạt hướng đối diện đập mạnh vào Các nhà khoa học nghiên cứu q trình va chạm Các nam châm siêu dẫn nhiệt độ thấp sử dựng để tạo nên từ trường đồng tính làm uốn cong chùm hạt theo dạng tròn Sử dụng nam châm siêu dẫn nhiệt độ thấp thay cho nam châm điện tiết kiệm hàng triệu đô la tiền điện Neu 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 9.10 Máy gia tốc hạt chất siêu dẫn nhiệt độ cao 9.2.30 Các băng siêu dẫn Các nhà khoa học M ỹ sản xuất băng siêu dẫn có độ đàn hồi thích họp mật độ dòng tới hạn đạt đến 1000 A/crn 77 K mẫu khối cỏ thể đạt 17.000 A/cm 77 K từ trường = 4000 A /cm từ trường testla 179 « PHỤ LỤ C Bảng Giá trị số số vật iý Ký hiệu Giá trị SI CGS Vặn tốc ánh sáng c 2.997925 108 ms” 1010 ems'1 Điện tích proton e 1,60219 10~19C —X oI o CD CO c Đại lượng 4,80325 h Hằng số Planck h 6,62620 10_34J.S 10 27 erg.s 1,05459 10“34 J.S 10~27 erg.s h =— 271 Số Avogadro Na 6,02217 Khối lượng nguyên từ amu 1,66053 10-27 kg 10"24 g Khối lượng điện tử nghỉ m 9,10156 10-31 kg 1Cf28 g Khối lượng proton nghi mp 1,67261 10'27 kg 10“24 g Bán kính điện tử (e2/mc2) re 2,81794 10_15m 10"13cm Bản kính Bohr (fl2 / me2) r0 5,29177 10- ’ m 10“9 cm Manheton mB 9,27410 10'24 J T 10"21 erg.G” 1,60219 10-19 J 10"12erg 10” 16 erg.K-1 Bohr 1023 m o r1 (eh / me) Electron Volt eV Hằng so Boltzmann I