Các tính chất không ngờ ở những chất siêu dẫn nhiệt độ cao

Khám phá gần đây về vật lý học của các chất siêu dẫn bằng gốm có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về điện năng không có điện trở.

Các vùng có tính siêu dẫn nhỏ và biệt lập tồn tại bên trong các chất này ở nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ được biết trước đây, theo một nghiên cứu của các nhà khoa học Princeton, những người vừa phát triển được các kỹ thuật mới để chụp ảnh các tính chất siêu dẫn ở cấp độ nano.

Tính siêu dẫn, hay khả năng mang dòng điện mà không có điện trở, có thể cách mạng hoá sự truyền điện năng nếu tính chất này xuất hiện trong vật liệu với nhiệt độ gần với nhiệt độ bình thường. Ngay cả những cái được gọi là chất siêu dẫn bằng gốm ở nhiệt độ cao được phát hiện cách đây hai thập kỷ cũng phải được làm lạnh đến hơn -100^oC để hoạt động.

Bằng cách sử dụng kính hiển vi thích hợp đặc biệt, nhóm nghiên cứu Princeton đã khám phá ra các dấu vết siêu dẫn vẫn hiện diện bên trong chất liệu bằng gốm này ngay cả khi chúng bị nóng lên đến nhiệt độ tới hạn, ở nhiệt độ mà chúng mất điện trở của mình. Mặc dù mẫu vật thí nghiệm nóng đến nỗi không thể biểu lộ tính siêu dẫn nhưng những vùng bị ngắt điện bên trong nó lại mang cặp Cooper – cặp electron mang dòng điện đi qua chất siêu dẫn – cặp electron mà trước đây người ta chỉ biết là xuất hiện dưới nhiệt độ tới hạn, ở nhiệt độ mà một chất liệu trở nên siêu dẫn.

Sử dụng một kính hiển vi phù hợp, các nhà khoa học Princeton đã xác định được sức mạnh của các cặp electron mang dòng điện khi chúng hình thành trong một chất siêu dẫn bằng gốm. Từ phía bên trái đỉnh qua, các bức hình cho thấy cùng một vùng hình vuông rộng 30 nanomet của chất siêu dẫn bằng gốm tại nhiệt độ lần lượt thập hơn. Vùng màu đỏ hiển thị sự có mặt của các cặp siêu dẫn. Ngay ở nhiệt độ trên nhiệt độ tới hạn 10 độ C, tại nhiệt độ mà toàn bộ vật mẫu đều biểu lộ tính siêu dẫn, thì các cặp electron vẫn tồn tại trong các khu vực khu biệt ảnh trái trên.

Những vùng này chỉ rộng vài nanomet nhưng chúng xuất hiện ở một số chất liệu ở nhiệt độ trên nhiệt độ tới hạn đến 50^oC. Ông Ali Yazdani, tác giả chính của nghiên cứu này, cho biết: Việc hiểu được tại sao những vùng có tính siêu dẫn rất nhỏ tồn tại ở nhiệt độ cao - và làm thế nào để tạo ra một chất liệu biểu lộ tính chất này ở mọi nơi – có thể là phương pháp để tăng cường tính siêu dẫn.

“Các đo đạc của chúng tôi cho thấy, cặp Cooper tồn tại trong vùng bên trong của vật liệu tại nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tới hạn rất nhiều,” ông Yazdani, giáo sư vật lý trường đại học Princeton nói: “Trong những vùng rất nhỏ này, có sự sắp xếp đặc biệt của các nguyên tử, sự sắp xếp này có thể làm cho các cặp electron hình thành ở nhiệt độ rất cao. Những vùng này là “tiền thân” của tính siêu dẫn và là những vùng quan trọng để tăng cường tính siêu dẫn.”

Trong hơn hai thập kỷ, các nhà khoa học đã nghiên cứu để giải thích và tăng cường hiệu suất các chất gốm dựa trên đồng oxit, các chất gốm mà cách đây hai thập kỷ được phát hiện là siêu dẫn tại nhiệt độ cao hơn rất nhiều so với các chất liệu khác được biết đến từ đó đến nay - mặc dù vẫn đòi hỏi phải có nhiệt độ mà theo chuẩn của con người thì khá lạnh. Tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao trong gốm đã thách đố một giải thích được chấp nhận rộng rãi trước đó và được xem là một trong những bài toán khó chính trong ngành vật lý.

Lời giải của bài toán khó này là phải xác định được làm thế nào mà electron, những hạt mang điện tích âm và đẩy nhau, thay đổi tính chất của chúng đối với nhau và hình thành nên cặp Cooper theo một cách đầy bí ẩn. Dưới nhiệt độ tới hạn, cặp này hình thành ở khắp mọi nơi trong vật liệu và sau đó có thể hoạt động phối hợp như là một “chất siêu lỏng” để mang dòng điện đi qua vật liệu mà không có điện trở.

“Trong các chất siêu dẫn nhiệt độ thấp hơn, electron kết đôi với nhau và hình thành nên một chất siêu lỏng ở nhiệt độ tới hạn” ông Yazdani nói. “Tuy nhiên, trong gốm, nhóm của chúng tôi phát hiện ra sự ghép đôi electron diễn ra ở nhiều nhiệt độ khác nhau và sự ghép đôi của chúng là một hoạt động hóa học hết sức khu biệt trong vật mẫu làm thí nghiệm, và thường trong các vùng chỉ rộng có vài nguyên tử.”

Và việc nghiên cứu ở cấp độ rất nhỏ này có thể được thực hiện nhờ vào kính hiển vi quét đường hầm tiên tiến nhất mà nhóm nghiên cứu Princeton thiết kế đặc biệt là để thấy rõ các tính chất siêu dẫn ở cấp độ đơn nguyên tử trong khi họ thay đổi nhiệt độ. Nhóm nghiên cứu còn áp dụng kỹ thuật của mình một cách có hệ thống cho một số lượng lớn các mẫu siêu dẫn đồng oxit chất lượng cao.

Không giống như kính hiển vi quang học, kính hiển vi sử dụng ánh sáng để phóng đại, kính hiển vi quét đường hầm sử dụng một tia electron từ một đầu nhọn để chụp ảnh mẫu vật nghiên cứu. Tia này phục vụ cho 2 mục đích của cuộc thử nghiệm: Nó chẳng những cung cấp hình ảnh của mẫu vật ở cấp độ có chiều rộng chỉ vài nguyên tử mà tia này còn có khả năng tách các cặp electron nếu nó có đủ năng lượng. Bằng cách thay đổi năng lượng của tia electron, nhóm nghiên cứu có thể xác định được liệu các cặp có hình thành trước đó ở một nơi định trước trong vật liệu hay không.

“Chúng tôi đã mất hai năm rưỡi để quan sát các mẫu vật khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau để giải mã câu chuyện này,” ông Yazdani nói. “Chúng tôi được thúc đẩy tìm kiếm sự ghép cặp ở nhiệt độ cao là nhờ vào công trình nghiên cứu của những người khác, mà đặc biệt là nghiên cứu của đồng nghiệp của tôi, ông Phuan Ong.”

Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ sử dụng các kết quả thí nghiệm này nhằm làm rõ cái gì kiểm soát nhiệt độ ghép cặp ở cấp độ nguyên tử trong các chất siêu dẫn bằng gốm, và ngoài ra để xác định được điều gì làm giới hạn khả năng phối hợp cùng nhau để tạo ra sự siêu dẫn của các cặp Cooper.

“Kiểu thí nghiệm độ chính xác này diễn ra trong lúc đang thay đổi nhiệt độ đã cho chúng ta một cái nhìn mới về vấn đề phức tạp của các chất siêu dẫn bằng gốm,” ông Yazdani phát biểu. “Nếu chúng ta có thể hiểu được các chi tiết về những gì đang diễn ra ở các vùng bên trong những mẫu vật liệu này thì chúng ta sẽ có thể tạo ra được một chất liệu có hiệu suất tốt hơn một cách toàn diện.”

Nhà vật lý Mike Norman, một người không tham gia vào nghiên cứu này, cho rằng một thành tích như thế này có thể cách mạng hóa công nghệ về công nghiệp điện.

“Nếu chúng ra có thể tăng nhiệt độ tới hạn bằng cách làm cho mẫu vật liệu nghiên cứu đồng nhất hơn thì việc ứng dụng tính siêu dẫn vào các công nghệ sử dụng hàng ngày như hệ thống điện, sẽ trở nên thực tế hơn nhiều,” ông Norman phát biểu. “Một cái hay của các chất siêu dẫn là không có sự mất mát năng lượng, vì vậy chúng có thể là người chơi chính trong các công nghệ “xanh” và “hiệu quả” đối với việc truyền tải năng lượng.”

Thanh Vân