VI.1. Chất siêu dẫn trong răng người
Các nhà khoa học tại đại học Warwick (Anh) cho biết phosphorus (diêm sinh), một chất vô cơ trong răng, có thểđóng vai trò là chất siêu dẫn (cho dòng điện truyền qua mà không có điện trở). Tuy nhiên, phosphorus chỉ biến thành chất siêu dẫn với một lực nén lớn gấp 30 ngàn lần lực nghiến răng của một người bình thường (2,5 megabar).
Ở áp suất 0,1 megabar, phosphorus đã có thể dẫn điện một cách rất hạn chế. Nếu hạ nhiệt độ xuống 100oK (khoảng - 263oC) thì Phosphorus đã thể hiện tính siêu dẫn, nhưng rất hạn chế, ở áp suất này. Khi áp suất tăng lên 2,5 megabars, cấu trúc của phosphorus đã có dạng y như cấu trúc kim loại.Bằng cách sử dụng các lý thuyết về chuyển động của electron và bức xạ ion, các nhà khoa học tại đại học Warwick đã chứng minh cấu trúc của phosphorus ở áp suất 2,5 megabar, 14 - 220K có tính siêu dẫn tốt hơn cấu trúc ở 0,1 megabar, 100K.
Các nhà khoa học tại Warwick còn đi xa hơn nữa trong khi họ đã đưa ra một cách kích họat tính siêu dẫn của phosphorus mà không cần đưa áp suất lên quá cao. Họ cho rằng, bằng cách đặt các nguyên tử phosphorus lên một kim lọai nền, cấu trúc siêu dẫn của Phosphorus sẽ được duy trì lâu bền mà không cần áp suất cao. Ngoài ra, nếu đặt phosphorus siêu dẫn giữa 2 nam châm điện, nó sẽ chuyển đổi liên tục giữa 2 trạng thái bán dẫn và dẫn điện thường.
VI.2. Chất siêu dẫn 1.5
Bất kì ai từng học qua vật lí vật chất hóa đặc đều biết rằng các chất siêu dẫn có thể phân loại rõ ràng thành loại 1 hoặc loại 2 theo cách thức chúng hành xử trong một từ trường ngoài. Nhưng nay các nhà vật lí ở Bỉ và Thụy Sĩ vừa tìm thấy ít nhất thì một chất - magnesium diboride – kết hợp các đặc điểm của cả hai loại, đưa đội nghiên cứu đến khẳng định đã khám phá ra một loại chất siêu dẫn mới gọi là “loại 1,5”
Đa số các chất siêu dẫn nhiệt độ thấp thông thường thuộc loại 1, nghĩa là từ trường thường không thể thâm nhập vào chất liệu. Tuy nhiên, từ trường có thể thâm nhập vào các chất siêu dẫn loại 2 bằng cách tạo ra những xoáy lượng tử nhỏ xíu tăng dần số lượng khi cường độ trường tăng lên. Từ trường đi qua cái xoáy của chất
Hình 5. 10
Các sọc xoáy nhìn thấy trong chất siêu dẫn “loại 1,5” do Victor Moshchalkov và các đồng sự nghiên cứu. Vạch màu trắng có chiều dài 10 μm (Ảnh: Victor
liệu bình thường tại chính giữa của mỗi xoáy. Các xoáy đẩy lẫn nhau, và khi số lượng của chúng tăng lên, chúng hình thành nên một mạng xoáy.
Sự phân biệt này không rõ ràng cho lắm vì dưới những điều kiện đặc biệt nhất định, các đường sức từ có thể xuyên vào các chất loại 1. Nếu nhiệt độ của chất thay đổi đột ngột, các xoáy sẽ hình thành nhưng sẽ hút lẫn nhau và tan biến mất lúc va chạm. Đồng thời, khi các mẫu rất mỏng chất siêu dẫn loại 1 phơi ra trước từ trường, thì các viền xen kẽ của chất siêu dẫn và chất bình thường có thể xuất hiện.
VI.3. Hành xử theo cả hai kiểu
Kết quả là một tập hợp các xoáy và các vùng phi siêu dẫn tổ chức thành hình ảnh sọc viền và tơ nhện – tùy thuộc vào nhiệt độ của mẫu và cường độ của từ trường. Moshchalkov phát biểu với physicsworld.com rằng các hình ảnh đó trông tương tự như hình ảnh thấy ở một số tinh thể lỏng và các màng polymer, trong đó các phân tử thành phần có các tương tác hút và đẩy tương tự. Nay, Victor Moshchalkov và các đồng sự tại trường Đại học Công giáo Leuven ở Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ở Zürich là những người đầu tiên chứng tỏ được rằng các xoáy trong các mẫu đơn tinh thể magnesium diboride (MgB2) hành xử theo cả hai kiểu. Họ đã đặt tên cho chất liệu là chất siêu dẫn loại 1,5 vì các xoáy của nó biểu hiện sựđẩy lẫn nhau trên những cự li ngắn và hút lẫn nhau trên những cự li lớn hơn (arXiv:0902.0997).
Moshchalkov tin rằng hành trạng loại 1,5 có thể hiểu được bằng cách nghĩ tới một chất chứa hai chất lỏng siêu dẫn gần nhưđộc lập nhau, chúng tương tác sao cho các electron siêu dẫn có thể chảy từ chất lỏng này sang chất lỏng kia.
VI.4. Hỗn hợp tương tác
Các hệ hai chất lỏng với các xoáy thuộc loại tương tác này đã được tiên đoán vào năm 2005 bởi Egor Babaev ở trường Đại học Massachusetts ở Mĩ, người đã mô
tả gồm một “hỗn hợp tương tác của hai thành phần siêu dẫn đồng thơi biểu hiện những tính chất của sự siêu dẫn loại 1 và loại 2”.
Moshchalkov tin rằng người ta có thể tìm thấy thêm nhiều chất loại 1,5 nữa, ngoài magnesium diboride, chất lần đầu tiên được phát hiện là siêu dẫn vào năm 2001. Đặc biệt, ông tin rằng một số trong những chất siêu dẫn gốc sắt đã phát hiện hồi năm ngoái là những ứng cử viên sáng giá. Ông cũng tin rằng các chất “nhân tạo” loại 1,5 có thể chế tạo cb đặt một lớp mỏng chất loại 1 lên trên một lớp mỏng chất loại 2 – cái đội của ông hiện đang nghiên cứu.
Babaev trông đợi người ta sẽ nghiên cứu thêm về các chất loại 1,5 vì nó có thể hé mở nhiều hình ảnh xoáy trước nay chưa từng thấy – với khả năng chuyển tiếp pha giữa các hình ảnh khi cường độ từ trường biến đổi. Ngoài ra, ông nói rằng công trình nghiên cứu đó sẽ thu hút các nhà thiên văn vật lí, những người cho rằng hành trạng loại 1,5 cũng có thể xảy ra một trạng thái siêu dẫn của các proton mà người ta tin là tồn tại trong các sao neutron.
VI.5. Silicon siêu dẫn ở nhiệt độ phòng
Các nhà khoa học Đức và Canada tuyên bố vượt qua siêu thử thách của ngành điện tử, đó là tạo ra chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng mà chỉ dùng các hợp chất thông thường.
Với khí SiH4 ở áp suất cao, các nhà khoa học đã tạo ra được vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Source: Wikipedia
Đầu năm 2008, TTCN đã tóm tắt về sự tiến triển trong việc tìm kiếm vật liệu siêu dẫn. Có lẽ bước tiến quan trọng nhất trong lĩnh vực này đã được một nhóm các nhà khoa học của Canana và Đức thực hiện thành công và đã được công bố mới đây. Nhóm này đã phát triển được một hợp chất siêu dẫn ở nhiệt độ thường bao gồm silicon và Hydro mà không cần bộ máy làm lạnh.
Chìa khóa của hiện tượng siêu dẫn ở nhiệt độ thường là áp suất, yếu tố mà trước đây được coi là rào cản không thể vượt qua trong ngành điện tử. Một số hợp chất, nếu được nén ở áp suất lớn sẽ có những đặc tính đặc biệt, trong đó có siêu dẫn. Giáo sư John Tse của Đại học Saskatchewan (University of Saskatchewan) Canada nói "Nếu hợp chất của Hydro được đặt dưới áp suất đủ lớn thì chúng sẽ có
tính siêu dẫn. Tính siêu dẫn này có thể được bảo toàn ngay cả ở nhiệt độ cao, không cần được làm lạnh.
Thế nhưng trong nhiều năm nay, những cố gắng để nén Hydro đến mức cần thiết đều đi đến thất bại. Những nhà nghiên cứu Canada và Đức đã tìm được chìa khóa của vấn đề mà mọi người khác thất bại, đó là pha tạp Silicon vào Hydro.
Chất siêu dẫn mới là một hợp chất có tên "Silane". Hợp chất này có cấu trúc tương tự Metal với nguyên tử Si thay cho nguyên tử C ở tâm.
Giáo sư Tse đã phát triển phần lí thuyết của hiện tượng siêu dẫn của Silane với sự giúp đỡ của Yansun Yao - một nghiên cứu sinh tại Đại học Saskatchewan. Lý thuyết này đã được chứng minh bằng thực nghiệm bởi nhà nghiên cứu Mikhail Eremets tại Học viện Max Planck (Max Planck Institute) Đức.
Các nhà khoa học hy vọng rằng những kết quả trên sẽ nhanh chóng được áp dụng trong công nghiệp, trong đó có cả làm dây dẫn điện cho các siêu máy tính.
VI.6. Vật liệu nano mới mang đồng thời tính siêu dẫn và tính sắt từ
Trước đây, người ta vẫn cho rằng tính sắt từ và tính siêu dẫn thường không thể cùng tồn tại tại một thời điểm. Tuy nhiên, các nhà vật lý Mỹ và Pháp đã làm thay đổi suy nghĩ này khi tạo ra một cấu trúc nano mang đồng thời cả tính sắt từ và tính siêu dẫn ở cùng một thời điểm. Các kết quảđã cho thấy một sựảnh hưởng qua lại giữa tính sắt từ và tính siêu dẫn, và sẽ được các nhà nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu ở Swiss Light Source (Thụy Sĩ) và Viện Paul Scherrer. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Theo lý thuyết siêu dẫn Bardeen - Cooper - Schrieffer (lý thuyết BCS), các electron có spin trái dấu nhau kết cặp với nhau (các cặp Cooper) và do đó có thể chuyển động không bị cản trở, tạo nên sự mất điện trở. Một từ trường có thể làm phá hủy trạng thái siêu dẫn theo 2 kiểu: hoặc là bẻ gãy các cặp Cooper; hoặc là tạo cho các electron có spin hướng song song với nhau. Các hiệu ứng này đều dẫn đến việc làm giới hạn một dòng điện chuyển dời trong các chất siêu dẫn do hiệu ứng đánh thủng của từ trường do chính dòng điện gây ra.
Năm ngoái, Jacques Chakhalian và các đồng nghiệp Viện Max Planck (Đức) và Đại học Grenoble (Pháp) đã công bố trên tạp chí Nature Physics vol. 2, pp. 229, 2007 một tính chất chất mới về vùng tiếp xúc giữa một chất siêu dẫn tạo ra bởi Yttrium, Barium, đồng và Oxygen và một chất sắt từ (LaCaMnO3). Các nhà nghiên cứu đã phát triển kỹ thuật cho phép họ tổ hợp 2 vật liệu trong một màng mỏng siêu mạng, và có đồng thời tính sắt từ và tính siêu dẫn.
Chakhalian và các đồng nghiệp đã lập ra kế hoạch quan sát sâu hơn vào các interface giữa 2 vật liệu sử dụng ánh sáng đồng bộ (các bức xạ điện từ với bước sóng khác nhau mà có thể điều chỉnh để có một bước sóng xác định cho những thí nghiệm riêng). Để giúp họ làm điều này, các nhà nghiên cứu đã được tài trợ kinh phí và thời gian nghiên cứu để làm việc hơn 2 năm tại Swiss Light Source - một trng những nơi có nguồn sáng đồng bộ hiện đại nhất thế giới.
Hình 5.11
Phổ ánh sáng tại Swiss Light Sourse biến đổi từ vùng hồng ngoại cho đến tia X cứng và tia X mềm. Tuy nhiên, không giống như các tia X truyền thống, có thể phát tán trong không gian, các tia X này được hội tụ rất hẹp. Thử thách chính về kỹ thuật của nhóm Chakhalian sẽ là làm sao để hội tụ một chùm photon năng lượng thấp vào một điểm có kích thước chỉ một vài trăm microns.
Nghiên cứu này sẽ mở ra nhiều lĩnh vực mới trong vật lý và thậm chí có thể sẽ dẫn đến việc phát hiện thêm nhiều vật liệu mới có đồng thời cả tính sắt từ và tính siêu dẫn - theo công bố của nhóm nghiên cứu.
VI.7. Tái tạo vũ trụ từ nam châm siêu dẫn to nhất thế giới
Nam châm siêu dẫn to nhất thế giới, với trọng lượng bằng 5 chiếc máy bay thương mại vừa được đưa xuống lòng đất vào sáng 28/2 tại Trung tâm nghiên cứu vật lý nguyên tử lớn nhất châu Âu (CERN), Thụy Sĩ để thực hiện thử nghiệm tái tạo vũ trụ.
Nam châm cân nặng gần 2.000 tấn này đã được xuống lòng đất sâu 100m trong một hệ thống đường hầm chạy theo vòng tròn dài 27km đi qua biên giới Pháp - Thụy Sĩ, gần Geneva
Với chiều cao 16m, chiều rộng 13m và chiều dài 17m, nam châm sẽđược lắp ráp dưới lòng đất với 14 thành phần khác trước khi được đưa vào hoạt động vào cuối năm nay. Nó đã từng vận hành trên bề mặt vào tháng 11/2006 trước khi được tháo dỡ.
Nam châm sẽ thực hiện một trong bốn thử nghiệm tại CERN nhờ máy gia tốc LHC (Large Hadron Collider) làm va chạm các hạt cơ bản với tốc độ gần bằng tốc
Hình 5.12
độ ánh sáng, cho phép các nhà nghiên cứu tìm hiểu về những giai đoạn đầu đời của vũ trụ. Họ sẽ tái tạo các điều kiện vật lý, sinh hóa vào thời điểm một phần tỉ giây đồng hồ sau khi vụ nổ "Big Bang" tạo ra vũ trụ xảy ra cách đây 15 tỉ năm.
Trung tâm CERN, phòng thí nghiệm đầu tiên trên thế giới nghiên cứu về vật lý hạt là một tổ chức quốc tếđược thành lập từ năm 1954 bởi 12 nước châu Âu.
Gần đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Tennessee và Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (Mĩ) do giáo sư vật lí Pengcheng Dai đứng đầu đã ra tuyên bố rằng họ đã khám phá ra được nguyên nhân của siêu dẫn. Kết quả nghiên cứu của nhóm (đăng tại Boston College) đã chỉ ra làm thế nào mà các dao động đặc biệt ở mức dưới nguyên tử trong mạng tinh thể, xét về mặt từ tính, có thể khiến cho các hạt phonon ghép các electron lại với nhau, từđó mà xảy ra hiện tượng siêu dẫn.
Trong số ra mới đây của tập san Đại học Tennessee (ngày 21/12/2007), Dai cho biết: “Những phát hiện này đã góp phần hiểu thêm rằng từ trường có sự đóng
góp trong việc tạo ra những cặp đôi (cặp Cooper) quan trọng. Đây chưa phải là hồi kết của những tranh cãi nhưng nó là một bước tiến lớn.”
Nếu kết quả nghiên cứu này thuyết phục được cộng đồng khoa học thì chắc hẳn đây sẽ là một bước tiến quan trọng nhất trong việc tìm ra cơ chế, nguyên nhân của sự siêu dẫn trong vật liệu. Từđó, nó sẽ cho phép các nhà khoa học dễ dàng tìm ra các chất siêu dẫn nhiệt độ cao mà mức ngưỡng chuyển đổi siêu dẫn sẽđược đẩy dần lên cao, cho tới một ngày nào đó, chúng ta có thể sẽ có một vật liệu siêu dẫn ngay cảở nhiệt độ thường.
Lời kết
Hiện tượng siêu dẫn thực sự là một vấn đề nóng bỏng mà giới khoa học quan tâm, và các khả năng ứng dụng tiềm tàng của các chất siêu dẫn là hết sức rộng rãi và quan trọng, sẽ đưa đến sự thay đổi lớn lao về kĩ thuật, công nghệ và có thể cả trong kinh tế và đời sống xã hội.
Siêu dẫn là một đề tài rất rộng lớn, tài liệu này do nhóm chúng tôi thực hiện cũng chỉ là một số vấn đề liên quan về hiện tượng này, do thời gian hạn hẹp cũng như khả năng có hạn nên tài liệu cũng còn một số vấn đề chưa đề cập đến, cũng còn những thiếu sót không thể tránh khỏi. Hy vọng sẽ được sựủng hộ và góp ý của thầy và các bạn.
Nhóm xin chân thành cám ơn thầy Lê Văn Hoàng đã hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài.
Tài liệu tham khảo
[1]. Thân Đức Hiền (2008), Nhập môn về siêu dẫn (vật liệu, tính chất và ứng dụng), Nhà xuất bản bách khoa, Hà Nội.
[2]. Nguyễn Huy Sinh (1994), Vật lý siêu dẫn, NXB Giáo dục. [3]. http://baigiang.violet.vn/present/show?entry_id=235645 [4]. http://html.khkt.net/t18726-Nano-Cong-nghe-hien-tai-cho-tuong-lai.html [5]. http://khoahoc.com.vn/congnghemoi/phat-minh/viet- nam/8323_Che_tao_thanh_cong_may_tuyen_tu_nam_cham_dat_hiem.aspx [5]. http://vi.wikipedia.org/wiki/Si%C3%AAu_d%E1%BA%ABn [6]. http://vi.wikipedia.org/wiki/L%C3%BD_thuy%E1%BA%BFt_BCS [7]. htp://vi.wikipedia.org/wiki/Si%C3%Aau_d%E1%BA%Abn_nhi%E1%BB%87 t_%C4%91%E1%BB%99_cao [8]. http://vietbao.vn/Khoa-hoc/Chat-sieu-dan-trong-rang-nguoi/40004925/188/ [9]. http://vietbao.vn/Khoa-hoc/Chat-sieu-dan-Vat-chat-cua-the-ky- 21/20360933/195/ [10]. http://vietbao.vn/Khoa-hoc/Lo-phan-ung-nhiet-hach-nang-luong-cua-tuong- lai/20038429/195/ [11]. http://vietnamnet.vn/khoahoc/xuhuong/2004/12/360933/ [12]. http://www.onthi.com/co-the-ban-chua-biet/the-nao-la-vat-lieu-sieu- dan_426.html [13]. http://www.dalat.gov.vn/congnghe/Desktop/default.aspx?nid=1654&tid=16 [14]. http://www.vatlyvietnam.org/home/modules.php?name=News&file=article&s id=264 [15].http://www.vatlyvietnam.org/home/modules.php?name=News&file=article&s id=311 [16]. http://www.scribd.com/doc/2251077/sieu-dn [17]. http://www.scribd.com/search?cx=007890693382555206581%3A7fgc6et2 hmk&cof=FORID%3A10&ie=UTF-8&c=all&ft=&q=sieu+dan&sa=Search