Đã lý giải được bí ẩn 30 năm nguồn gốc của tính siêu dẫn

Các nhà khoa học tại Đại học Cambridge vừa tuyên bố đã có thể lý giải được bí ẩn tồn tại trong suốt 30 năm qua nhằm tìm ra loại vật liệu siêu dẫn có thể hoạt động ở nhiệt độ cao. Bằng việc khám phá ra bản chất của đặc tính siêu dẫn, giờ đây các nhà khoa học đã có cơ sở vững chắc nhằm tìm kiếm thêm các loại vật liệu khác cũng có tính chất tương tự nhưng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao. Nói cách khác, giải quyết được câu hỏi trên đã mở đường cho sự phát triển của hàng loạt lĩnh vực từ thiên văn học cho đến khoa học máy tính, từ xe lửa đệm từ trường đến các siêu máy tính trong tương lai không xa.

Trong báo cáo vừa được đăng tải trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu đã tiết lộ rằng, đặc tính siêu dẫn xuất hiện là do các cặp electron bên trong vật liệu bị xoắn lại dưới tác động của sóng mật độ điện tích hoặc sự hình thành nên các gợn sóng electron.

Hiện tượng siêu dẫn được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1911 bởi nhà khoa học Heike Kamerlingh Onnes trong quá trình thực hiện thí nghiệm nhằm khảo sát các thuộc tính của kim loại ở nhiệt độ thấp. Siêu dẫn là 1 hiện tượng xảy ra ở một số vật liệu có điện trở bằng 0. Trong đa số các trường hợp, đặc tính siêu dẫn sẽ xuất hiện khi hạ nhiệt độ của vật liệu xuống gần âm 273 độ C. Những loại vật liệu sở hữu tính chất trên được gọi là chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấp.

Cấu trúc của đồng oxit ở trạng thái siêu dẫn​

Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số loại vật liệu có đặc tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn (vào khoảng âm 135 độ C). Các loại vật liệu này sẽ rất hữu ích trong công nghệ hiện đại và hứa hẹn sẽ được áp dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất chính là cho đến nay các nhà khoa học vẫn chưa có hiểu biết nhiều về loại vật liệu này.

Tiến sĩ Suchitra Sebastian, chủ nhiệm nhóm nghiên cứu tại Cambridge cho biết: "Một vấn đề lớn nhất với chất siêu dẫn nhiệt độ cao chính là chúng ta vẫn chưa tìm ra được nó. Nguyên nhân ở đây là chúng ta chưa thật sự hiểu được thành phần nào trong vật liệu đã thúc đẩy sự xuất hiện của tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao".

Không giống như các thiết bị điện tử thông thường, dòng điện trong chất siêu dẫn là dòng dịch chuyển của các cặp electron được liên kết chặt chẽ với nhau. Với cấu tạo này, các electron có thể di chuyển một cách trơn tru trong vật liệu và không hề có sự xuất hiện của điện trở. Ngược lại, nếu electron chỉ tồn tại lẻ loi một mình, dòng dịch chuyển sẽ trở nên hỗn loạn và thường xuyên va vào nhau, chính điều này đã tạo nên điện trở cho vật liệu. Do đó, chỉ cần đặt vật liệu siêu dẫn trong 1 nhiệt độ thích hợp, nó sẽ thể hiện tính chất siêu dẫn với độ dẫn điện hoàn hảo và hầu như không hề có điện trở.

Các nhà khoa học biết rằng phải có một thứ gì đó bên trong các vật liệu siêu dẫn hoạt động như chất kết dính nhằm ghép nên các cặp electron. Dù vậy, từ trước đến nay các nhà khoa học vẫn chưa biết thứ thần bí đó là gì? Tất cả những gì các nhà nghiên cứu biết được chính là "loại keo dán" nói trên sẽ bị suy yếu nếu như tăng nhiệt độ hoặc lực từ trường của vật liệu. Khi đó, các cặp electron bị tách ra và tính siêu dẫn sẽ bị mất đi.

Chính vì vậy, hướng tiếp cận của các nhà khoa học tại Cambridge là tìm hiểu nguyên lý của quá trình ngược lại nhằm tìm ra nguyên nhân dẫn đến sự ghép đôi của các electron. Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã thực hiện thí nghiệm với các loại vật liệu đang trong trạng thái không siêu dẫn.

Tiến sĩ Sebastian chia sẻ: "Chúng tôi cố gắng tìm hiểu loại tương tác nào đang xảy ra bên trong vật liệu trước khi các electron bắt cặp với nhau bởi đây chính là mấu chốt vấn đề. Một khi các electron đã được ghép đôi với nhau, chúng ta rất khó xác định được điều gì đã xảy ra. Tuy nhiên, nếu chúng ta có thể phá vỡ liên kết và chia cắt các electron, chúng ta có thể thấy được toàn bộ quá trình hoạt động của các electron. Đây chính là phương pháp để hiểu được hiện tượng siêu dẫn đến từ đâu?"

Trước đây, các nhà nghiên cứu đã biết được rằng trong phần lớn vật liệu, tính siêu dẫn có xu hướng bị phá hủy bởi các tác nhân bên ngoài như nhiệt độ hay từ trường. Nếu hiểu được bản chất của điều này sẽ tìm ra cách ngược lại để kiểm soát các tác nhân ở trạng thái bình thường và tạo ra siêu dẫn. Bằng cách sử dụng một trường từ tính cực mạnh, nhóm nghiên cứu đã có thể loại bỏ tính siêu dẫn của loại vật liệu mang tên cuprate, một chất siêu dẫn có nguồn gốc từ oxit đồng.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã có thể xác định được nguồn gốc của các cặp electron trong trạng thái siêu dẫn của vật liệu. Theo đó, một kết quả đáng ngạc nhiên chính là cặp electron được hình thành từ một lực liên kết hết sức yếu mà không phải là liên kết mạnh như các dự đoán trước đây. Trạng thái ghép cặp electron có nguồn gốc từ trạng thái uốn cong của các electron bởi tác dụng của sóng mật độ điện tích.

Theo tiến sĩ Sebastian: "Thông qua việc xác định được nguồn gốc của hiện tượng siêu dẫn, chúng tôi hoàn toàn hy vọng có thể tìm ra thêm nhiều loại vật liệu có tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn trước đây, thậm chí là ngay ở nhiệt độ phòng. Điều này cho phép ứng dụng loại vật liệu đặc biệt này trên phạm vi rộng rãi hơn ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ đó có thể phát triển những sản phẩm công nghệ cao dựa trên tính chất siêu dẫn mang lại điển hình như các thế hệ siêu máy tính của tương lai".