CHƯƠNG 3 : QUANG SÓNG – QUANG LƯỢNG TỬ
a. Tính chất siêu dẫn và nhiệt độ tới hạn
Đầu thế kỷ XX, vật lý kim loại mới bắt đầu phát triển. Vấn đề mà các nhà nghiên cứu quan tâm nhiều là điện trở của kim loại, đặc biệt là sự phụ thuộc của điện trở của kim loại vào nhiệt độ. Năm 1908 nhà bác học người Hà Lan ở trường đại học tổng hợp Leiden tên là H. Kamerlingh – Onnes đã điều chế được heli lỏng (nhiệt độ sơi là 4,21K). Nhờ có heli lỏng, Kamerlingh có thể nghiên cứu điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp (dưới 4,21K). Năm 1911 khi nghiên cứu điện trở của thủy ngân, Kamerlingh đã phát hiện ra hiện tượng là ở nhiệt độ 4K điện trở của Hg đột ngột giảm xuống bằng không.
Ở nhiệt độ T > 4K điện trở của Hg là khác khơng. Sau đó người ta phát hiện ra khơng phải chỉ có Hg mà nhiều chất khác cũng có tính chất như vậy. Nhiệt độ tại đó điện trở của một chất đột ngột giảm xuống bằng không gọi là nhiệt độ tới hạn siêu dẫn (gọi tắt là nhiệt độ tới hạn, TC). Trạng thái của các chất ở nhiệt độ ở nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ tới hạn (T < TC) với điện trở suất
= 0 gọi là trạng thái siêu dẫn.
Tính chất của các chất với điện trở suất bằng khơng, cho phép chuyển dịng điện qua không mất mát năng lượng (do tỏa nhiệt) gọi là tính chất siêu dẫn. Tính chất siêu dẫn khơng phải là tính chất duy nhất của một số chất siêu
127
dẫn. Tùy theo khoảng nhiệt độ, trong đó tồn tại trạng thái siêu dẫn, người ta chia các chất siêu dẫn thành:
Siêu dẫn nhiệt độ thấp là các chất siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn TC < 20K và siêu dẫn nhiệt độ cao là các chất siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn TC 80k. Năm 1987, người ta đã chế tạo được các chất siêu dẫn nhiệt độ cao với TC trong khoảng từ 80 đến 90K, năm 1988 đã đạt được TC trong khoảng từ 120 đến 130K.
b. Ứng dụng
Ứng dụng của các chất siêu dẫn có rất nhiều, về nguyên tắc có thể kể hai loại ứng dụng. Đó là:
Thay thế các kim loại thường bằng siêu dẫn trong tất cả các thiết bị không cần đến sự tỏa nhiệt của dây dẫn
Chế tạo các thiết bị và máy móc mới với những nguyên tắc hoạt động hồn tồn mới dựa trên các tính chất đặc biệt của siêu dẫn. Các máy móc thiết bị này thường được chia làm hai loại:
Ứng dụng trên bình diện lớn, các máy có kích thước lớn: bao gồm việc chế tạo các nam châm cực mạnh (nam châm siêu dẫn có thể được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như điều khiển phản ứng hạt nhân nhiệt hạch, điều hòa, dự trữ năng lượng, các ứng dụng trong y học, sinh học, vật lý…); chế tạo các động cơ siêu dẫn và các máy phát điện siêu dẫn; chế tạo các tàu trên nguyên tắc đệm từ…
Các thiết bị và máy móc có kích thước nhỏ: bao gồm máy tính điện tử và kỹ thuật điện tử nói chung; nguyên tắc hoạt động của các máy này hồn tồn mới dựa trên các tính chất của siêu dẫn. Chế tạo ra các máy đo như máy đo từ trường, đo điện thế, đo bức xạ…
128
+ Hiệu suất cao do điện trở suất bằng khơng, khơng tỏa nhiệt, do tính nghịch từ lý tưởng có thể giảm ma sát tới mức tối đa, do đó sự tiêu phí năng lượng giảm tới mức thấp nhất và hiệu suất có thể đạt tới 98,8%.
+ Chất lượng cao: có độ chính xác cao, độ nhạy cao, tốc độ làm việc lớn, độ ồn thấp, tốc độ tắt mở của các chuyển mạch siêu dẫn đạt tới 10-10S, tốc độ chọn lọc thông tin từ bộ nhớ siêu dẫn vượt quá khả năng của bộ óc con người (để chọn một thông tin trong số 1011
đơn vị thông tin chỉ cần 10-6s). + Gọn nhẹ: linh kiện siêu dẫn kích thước nhỏ, do khơng tỏa nhiệt có thể đặt sát nhau (nam châm thường tạo từ trường 1,5T có khối lượng lớn hơn 16 nghìn tấn, nam châm siêu dẫn tạo từ trường 12,5T có khối lượng nhỏ hơn 1 tấn).
5.5.2. Nanơ và ứng dụng