Đề tài Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học - đời sống - Vũ Trúc Thanh Hoài

Nội dung text: Đề tài Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học - đời sống - Vũ Trúc Thanh Hoài

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ lớp 3A    Đề tài: Giáo viên hướng dẫn: TS. Lê Văn Hoàng Nhóm thực hiện: Vũ Trúc Thanh Hoài Huỳnh Thị Hương Nguyễn Thị Ngọc Lan (26 – 06) Nguyễn Thị Mỹ Linh Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 – 2009
2. 1 Mục lục Mục lục 1 Lời mở đầu 3 Lý do chọn đề tài 4 I. Hiện tượng siêu dẫn 7 I.1. Khái niệm hiện tượng siêu dẫn 7 I.2. Điện trở không 7 I.3. Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha 8 II. Các vật liệu siêu dẫn 9 II.1. Vài nét về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn 9 Bảng thống kê một số vật liệu siêu dẫn 12 II.2. Tính chất từ 13 II.2.1. Tính nghịch từ của vật dẫn lí tưởng 13 II.2.2. Vật siêu dẫn không lý tưởng 14 II.2.3. Hiệu ứng Meissner 15 II.2.4. Từ trường tới hạn 18 II.2.5. Dòng tới hạn 18 II.2.6. Mối liên hệ giữa từ trường tới hạn và dòng tới hạn 21 II.2.7. Phân loại các chất siêu dẫn theo tính chất từ 24 II.3. Tính chất nhiệt 25 II.3.1. Sự lan truyền nhiệt trong chất siêu dẫn 25 II.3.2. Nhiệt dung của chất siêu dẫn 27 II.3.3. Độ dẫn nhiệt của chất siêu dẫn 28 II.3.4. Hiệu ứng đồng vị 30 II.3.5. Các hiệu ứng nhiệt điện 30 II.3.6. Các tính chất khác 31 II.4. Phân biệt giữa vật liệu siêu dẫn và vật dẫn điện hoàn hảo 31 III. Các lý thuyết liên quan về siêu dẫn 32 III.1. Entropi của trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường 32 III.2. Sự xâm nhập của từ trường vào chất siêu dẫn 32 III.3. Lý thuyết Ginzburg - Landau 33 III.3.1. Phương trình Ginzburg – landau 33 III.3.2. Độ dài kết hợp 35 III.4. Lý thuyết BCS 35 III.4.1. Lý thuyết BCS 35 III.4.2. Cặp Cooper 36 IV. Chất siêu dẫn nhiệt độ cao 37 IV.1. Sơ lược về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn nhiệt độ cao 37 IV.2. Lý thuyết liên quan đến siêu dẫn nhiệt độ cao 40 IV.3. Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình 41 IV.3.1. Vài nét về oxit siêu dẫn 41
3. 2 IV.3.2. Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình chứa Cu và Oxy 42 IV.3.3. Chất siêu dẫn MgB2 44 IV.4. Tính chất khác 45 V. Các ứng dụng của vật liệu siêu dẫn 46 V.1. Tàu chạy trên đệm từ. 46 V.2. Máy chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) 48 V.3. Máy gia tốc hạt bằng chất siêu dẫn nhiệt độ cao 50 V.4. Truyền tải năng lượng ( Electric Power Tranmission) 50 V.5. Nam châm siêu dẫn trong lò phản ứng nhiệt hạch 51 V.6. Khả năng giữ được trạng thái plasma: 52 V.7. Bom E: 52 V.8. Siêu máy tính: 53 V.9. Ăngten mini ( Miniature Antennas) 53 V.10. Công tắc quang học: 54 V.11. Bình tích trữ năng lượng từ siêu dẫn ( Superconducting Manetic Energy Storage - SMES) 54 V.12. Các bệ phóng điện từ ( Electrmagetic Launchers): 54 V.13. Tách chiết từ: 55 V.14. Hệ thống từ thủy động lực ( Magnetohydro Dynamic System, MHD) 55 V.15. Máy lạnh từ: 56 V.16. Biến thế siêu dẫn 56 V.17. Máy phát điện siêu dẫn 56 V.18. Động cơ siêu dẫn 57 V.19. Thiết bị máy phát – Động cơ siêu dẫn kết hợp 57 V.20. Tàu thủy siêu dẫn 57 V.21. Thiết bị dò sóng milimet 58 V.22. Bộ biến đổi analog/digital(A/D convertor) 58 V.23. Màn chắn từ và thiết bị dẫn sóng 58 V.24. Thiết bị sử lý tín hiệu 59 V.25. Ôtô điện 59 V.26. Cảm biến đo từ thông ba chiều 59 V.27. Thiết bị Synchrotrons 59 V.28. Lò phản ứng nhiệt hạch từ 60 VI. Một số phát hiện mới về hiện tượng siêu dẫn 60 VI.1. Chất siêu dẫn trong răng người 60 VI.2. Chất siêu dẫn 1.5 61 VI.3. Hành xử theo cả hai kiểu 62 VI.4. Hỗn hợp tương tác 62 VI.5. Silicon siêu dẫn ở nhiệt độ phòng 63 VI.6. Vật liệu nano mới mang đồng thời tính siêu dẫn và tính sắt từ 64 Lời kết 68 Tài liệu tham khảo 69
4. 3 Lời mở đầu Đề tài “ Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học – đời sống” được nhóm chúng em nghiên cứu với mong muốn được nâng cao hiểu biết của mình về hiện tượng siêu dẫn, nhanh chóng tiếp cận với những kiến thức và những ứng dụng mới lạ của hiện tượng này trong khoa học – đời sống Trong tài liệu này, chúng em có trình bày về vài nét của quá trình lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn, những lý thuyết liên quan, những khái niệm, đặc điểm điển hình của hiện tượng siêu dẫn, vật liệu siêu dẫn và cuối cùng là những ứng dụng cụ thể trong khoa học – đời sống. Có thể giúp các bạn có một cái nhìn cụ thể hơn về hiện tượng này, và biết được những điều mới lạ, thú vị trong việc ứng dụng siêu dẫn vào công nghệ hiện đại. Hy vọng tài liệu này sẽ là một tư liệu bổ ích cho các bạn sinh viên, cũng như những người đam mê khoa học có mong muốn tìm hiểu thêm về hiện tượng siêu dẫn – một vấn đề còn rất nhiều điều kỳ bí.
5. 4 Lý do chọn đề tài Chúng ta đã biết điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ, khi nhiệt độ giảm đều thì điện trở của kim loại giảm cũng giảm đều.Tuy nhiên không phải đa số các vật liệu đều có tính chất này. Một đặc tính kỳ diệu của một số vật liệu là dưới một nhiệt độ nhất định (tùy theo từng chất) điện trở suất của vật liệu bằng không, độ dẫn điện trở nên vô cùng. Đó là hiện tượng siêu dẫn. Hiện tượng lý thú này được phát hiện lần đầu tiên ở thủy ngân cách đây gần một thế kỷ (năm 1911) ở vùng nhiệt độ gần không độ tuyệt đối (≤ 4,2 K). Sau này, tính chất siêu dẫn đã được tìm thấy ở hàng loạt kim loại, hợp kim và hợp chất. Ngoài đặc tính siêu dẫn, người ta còn phát hiện thấy với chất siêu dẫn từ trường bên trong nó luôn luôn bằng không và có hiện tượng xuyên ngầm lượng tử Mãi hơn 40 năm sau, hiện tượng kỳ lạ của chất siêu dẫn đã được lý giải bằng lý thuyết vi mô. Theo đó, khác với các chất dẫn điện thông thường, ở trạng thái siêu dẫn, hiện tượng dẫn điện là do các cặp điện tử kết hợp với nhau và khi chuyển động tạo nên dòng điện, các cặp không bị mất mát năng lượng và điện trở suất bằng không. Với các đặc tính nêu trên, các chất siêu dẫn đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực điện, điện tử Các thiết bị có độ nhạy, độ tin cậy cực cao đã được chế tạo. Một ví dụ: thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ dùng trong các bệnh viện để chuẩn đoán chính xác bệnh tật trong con người không thể không sử dụng cuộn dây tạo từ trường bằng dây siêu dẫn.
6. 5 Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao được phát hiện cách đây hơn 20 năm đã mở ra triển vọng to lớn trong việc nghiên cứu, ứng dụng các chất siêu dẫn. Để sử dụng các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, chỉ cần dùng tới nitơ lỏng (nhiệt độ sôi là 77 K hay - 196οC) với giá thành hạ hơn hàng trăm lần so với dùng chất siêu dẫn thông thường. Chất siêu dẫn có một số đặc tính gần gũi với kỹ thuật nghe nhìn công nghệ cao, bởi vì chúng không có điện trở. Về nguyên tắc, khi dòng điện bắt đầu chạy trong một vòng siêu dẫn, gần như nó có thể chạy mãi. Cùng kích thước, chất siêu dẫn mang một lượng điện lớn hơn dây điện và dây cáp tiêu chuẩn. Vì vậy, thành phần siêu dẫn có thể nhỏ hơn nhiều so với các chất khác hiện nay. Và điều quan trọng là chất siêu dẫn không biến điện năng thành nhiệt năng. Điều này đồng nghĩa với việc một máy phát hoặc chip máy tính siêu dẫn có thể hoạt động hiệu quả hơn nhiều so với hiện nay. Các khả năng ứng dụng tiềm tàng của các chất siêu dẫn là hết sức rộng rãi và quan trọng, đến mức nhiều nhà khoa học đã cho rằng, việc phát minh ra chất siêu dẫn có thể so sánh với việc phát minh ra năng lượng nguyên tử, việc chế tạo ra các dụng cụ bán dẫn; thậm chí một số nhà khoa học còn so sánh vơi việc phát minh ra điện. Các vật liệu siêu dẫn 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. Các vấn đề về hiện tượng siêu dẫn luôn là vấn đề nóng hổi mà giới khoa học quan tâm. Hơn hai mươi năm qua, các nhà vật lý vẫn không thể lý giải một cách chính xác hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao tại sao dường như chỉ xảy ra ở nhóm đặc biệt các hợp chất hầu như chỉ dựa trên đồng (Cu) và xảy ra như thế nào. Và mới đây, các nhà khoa học ở Nhật Bản đã khám phá ra một loại chất siêu dẫn nhiệt độ cao hoàn toàn mới dựa trên sắt mà có thể cho phép các nhà vật lý những cách thức mới để có thể tìm hiểu một cách dễ dàng hơn về hiện tượng này – và làm sáng tỏ những điểm quan trọng về hiện tượng đầy bí ẩn trong vật lý chất rắn này.
7. 6 Chúng ta thấy rằng hiện tượng siêu dẫn đã mang đến cho khoa học và đời sống những ứng dụng hết sức rộng rãi và to lớn. Ngày nay khoa học kĩ thuật đã và đang đang phát triển đòi hỏi các nhà khoa học phải vận dụng và khai thác tối đa các ứng dụng của chất siêu dẫn để phục vụ cho con người trong mọi lĩnh vực. Qua đó có thể thấy các ứng dụng của chất siêu dẫn không còn xa lạ gì với con người nữa. Hiện tượng siêu dẫn đã mang đến một sức hút kì lạ cho những ai biết đến và mong muốn khám phá nó bởi những ứng dụng hết sức rộng rãi và kì diệu. Và đó cũng là một trong những lí do để nhóm quyết định chọn đề tài “Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học và đời sống” với mong muốn được nâng cao hiểu biết của mình về vấn đề này, nhanh chóng tiếp cận với những kiến thức và những ứng dụng mới lạ của hiện tượng siêu dẫn. Hy vọng đề tài sẽ là một tư liệu bổ ích cho các bạn sinh viên có mong muốn tìm hiểu thêm về một hiện tượng siêu dẫn. Nhóm sinh viên thực hiện.
8. 7 I. Hiện tượng siêu dẫn I.1. Khái niệm hiện tượng siêu dẫn Siêu dẫn là một trạng thái vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn mà ở đó nó cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở và khi đặt siêu dẫn vào trong từ trường thì từ trường bị đẩy ra khỏi nó. Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng mà điện trở của một chất nào đó đột ngột giảm về 0 ở một nhiệt độ xác định. 80 60 ) W 40 R ( 20 0 0 20 40 60 T (K) Hình 1.1 Sự mất điện trở của chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấp I.2. Điện trở không Về nguyên tắc, ở dưới nhiệt độ chuyển pha, điện trở của chất siêu dẫn xem như hoàn toàn biến mất. Vậy thực chất: trong trạng thái siêu dẫn, điện trở thành không hay là có giá trị rất nhỏ ? Tất nhiên, không thể chứng minh được bằng thực nghiệm rằng điện trở trong thực tế là 0; bởi vì điện trở của nhiều chất trong trạng thái siêu dẫn có thể nhỏ hơn độ nhạy mà các thiết bị đo cho phép có thể ghi nhận được. Trong trường hợp nhạy hơn, cho dòng điện chạy xung quanh một xuyến siêu dẫn khép kín, khi đó nhận thấy dòng điện hầu như không suy giảm sau một thời gian rất dài. Giả thiết rằng tự cảm
9. 8 của xuyến là L, khi đó nếu ở thời điểm t = 0 ta bắt đầu cho dòng I(0) chạy vòng quanh xuyến, ở thời gian muộn hơn t ≠ 0, cường độ dòng điện chạy qua xuyến tuân theo công thức : R t i(t) = i(0)e L Ở đây R là điện trở của xuyến. Chúng ta có thể đo từ trường tạo ra dòng điện bao quanh xuyến. Phép đo từ trường không lấy năng lượng từ mạch điện mà vẫn cho ta khả năng quan sát dòng điện luân chuyển không thay đổi theo thời gian và có thể xác định được điện trở của kim loại siêu dẫn cỡ < 10-26 Ωm. Giá trị này thỏa mãn kết luận điện trở của kim loại siêu dẫn bằng 0. I.3. Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha Năm 1911, Kamerlingh Onnes đã khảo sát điện trở của những kim loại khác nhau trong vùng nhiệt độ Heli. Khi nghiên cứu điện trở của thủy ngân (Hg) trong sự phụ thuộc nhiệt độ, ông đã quan sát được rằng: điện trở của Hg ở trạng thái rắn (trước điểm nóng chảy cỡ 234K (- 390C ) là 39, 7 Ω. Trong trạng thái lỏng tại 00 (cỡ 273 K) có giá trị là 172,7Ω , tại gần 4K có giá trị là 8.10-2 Ω và tại T ~ 3K có giá nhỏ hơn 3.10-6 Ω. Như vậy có thể coi là ở nhiệt độ T<4,0 K, điện trở của Hg biến mất (hoặc xắp xỉ bằng không). Ở nhiệt độ xác định (TC) điện trở của một chất đột ngột biến mất, nghĩa là chất đó có thể cho phép dòng điên chạy qua trong trạng thái không có điện trở, trạng thái đó được gọi là trạng thái siêu dẫn. Chất có biểu hiện trạng thái siêu dẫn gọi là chất siêu dẫn. Nhiệt độ mà tại đó điện trở hoàn toàn biến mất được gọi là nhiệt độ tới hạn hoặc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu là TC). Có thể hiểu rằng nhiệt độ chuyển
10. 9 pha siêu dẫn là nhiệt độ mà tại đó một chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn. Khoảng nhiệt độ từ khi điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến khi bằng không được gọi là độ rộng chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu là ∆T). Ví dụ độ rộng chuyển pha của Hg là ∆T = 5.10-2 K. Độ rộng chuyển pha ∆T phụ thuộc vào bản chất của từng vật liệu siêu dẫn. II. Các vật liệu siêu dẫn II.1. Vài nét về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn Cách đây gần một thế kỷ siêu dẫn còn chưa ai biết tới thì giờ đây lại đang là một vấn đề rất nóng đối với các nhà vật lý hiện đại. Năm 1908 Kamerlingh Onnes đã đặt bước tiến đầu tiên trong việc ra siêu dẫn khi ông hóa lỏng được khí trơ cuối cùng là Heli tại truwòng đại học tổng hợp quốc gia Leiden, Hà LaNăm 1911 cũng chính Kamerligh đã phát hiện ra tính chất siêu dẫn của thủy ngân khi nghiên cứu sự thay đổi diện trở một cách đột ngột của mẫu kim loại này ở 4.2 K. Hình 2.1 Đường cong siêu dẫn theo Ba năm sau chính ông là người đầu nhiệt độ của thủy ngân tiên chế tạo được nam châm siêu dẫn. Năm 1914 phát hiện ra hiện tượng dòng điện phá vỡ tính chất siêu dẫn. Năm 1930 hợp kim siêu dân đầu tiên được tìm ra.
11. 10 Năm 1933 Meissner và Ochsenfeld tìm ra hiện tượng các đường sức từ bị dẩy ra khỏi chất siêu dẫn khi làm lạnh chất siêu dẫn trong từ trường. Hiệu ứng này được đặt tên là hiệu ứng Meissner. Walter Meissner & Robert ochsenfeld Năm 1957 lý thuyết BCS ra đời bởi Cooper, Bardeen,và Schriffer đã giải thích hầu hết các tính chất cơ bản của siêu dẫn lúc bấy giờ, và lý thuyết này đã đạt được giải thưởng Nobel. John Bardeen, Leon Cooper,and John Schrieffer
12. 11 Tóm lại hầu hết những phát kiến về chất siêu dẫn trong suốt những năm trước 1985 đều không vượt quá 24 K. Chất lỏng He vẫn là môi truờng duy nhất nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn. Năm 1986, J.G. Bednorz và K.A Muller (Thụy Sỹ) đã tìm ra hiện tượng siêu dẫn có trong hợp chất gốm La – Ba – Cu – O với nhiệt độ chuyển pha nằm trong vùng nhiệt độ Nitơ lỏng. Với phát minh này J.G. Bednorz và K.A Muller đã được nhận giải thưởng Nobel về vật lý năm 1987. Từ đây, ngành vật lý siêu dẫn đã bắt đầu một hướng mới- đó là siêu dẫn nhiệt độ cao. Sự phát minh ra siêu dẫn nhiệt độ cao đã mở ra một kỉ nguyên mới cho ngành vật lý siêu dẫn. Nó đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong quá trình tìm kiếm của các nhà vật lý và công nghệ trong lĩnh vực siêu dẫn Giải Nobel Vật lý 2003 được chia đều cho ba khoa học gia đã có những đóng góp có tính cách cơ bản vào việc khảo cứu hiện tượng Siêu dẫn (Superconductivity) và Siêu lỏng (Superfluidity). Đó là: Alexei A. Abrikosov Vitaly L. Ginzburg Anthony J. Leggett Alexei A. Abrikosov (sinh năm 1928, quốc tịch Mỹ và Nga) làm việc tại Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois, Hoa Kỳ. Vitaly L. Ginzburg (sinh năm 1916, quốc tịch Nga) làm việc tại P.N. Lebedev Physical Institute, Moscow, Nga.
13. 12 Anthony J. Leggett (sinh năm 1938, quốc tịch Anh và Mỹ) làm việc tại University of Illinois, Urbana, Illinois, Hoa kỳ. Ở Việt Nam, nghiên cứu về siêu dẫn cũng đã được các nhà khoa học của Trường đại học Tổng hợp Hà Nội trước đây, nay là Đại học Quốc gia Hà Nội thực hiện trong khoảng gần hai chục năm qua. Các nhà khoa học Việt Nam làm lạnh bằng Nitơ lỏng và đã tạo ra được một số vật liệu siêu dẫn thuộc loại rẻ tiền Bảng thống kê một số vật liệu siêu dẫn Vật liệu ToC năm Vật liệu ToC Năm Hg 4,2 1911 KxC60 18 - 30 1991 Hg-Ba-Ca- Pb 7,2 1913 90 - 161 1993 Cu-O (NH3)4Na2 Nb 9,2 1930 33 1994 CsC60 Nb3Sn 18,1 1954 Y-Pd-B-C 23 1994 Nb3 Ln(Re)-Ni- (Al0,75Ge0 20 – 21 1966 13 - 17 1994 B-C ,25) (Ca,Na)2Ca Nb3Ga 30,3 1971 49 1995 Cu2O4Cl2 Ba-Ca-Cu- Nb3Ge 23,2 - 23,9 1973 126 1996 O BaPb1- 13 1974 Li2BeH4 1997 xBixO3 La1- Bi-Ba-Ca- xCaxMnO3 30 – 40 1986 126 - 130 1997 Cu-O -Ba-Cu-O (CuTl)Ba2 Y(Re)-Ba- Can- 80 - 90 1987 121 1998 Cu-O 1CunO2n+4 -y Bi-Sr-Ca- 110 – 120 1988 MgB 39 2000 Cu-O Tl-Ba-Ca- 115 -125 1988 Cu-O
14. 13 II.2. Tính chất từ II.2.1. Tính nghịch từ của vật dẫn lí tưởng Chất siêu dẫn ở dưới nhiệt độ chuyển pha của nó biểu hiện không có điện trở. Hãy xem xét các tính chất từ của vật dẫn không có điện trở. Những vật dẫn như vậy dược gọi là vật dẫn lý tưởng hoặc vật dẫn hoàn hảo. Giả thiết rằng: làm lạnh mẫu kim loại xuống dưới nhiệt độ chuyển pha của nó, mẫu trở thành vật dẫn hoàn hảo. Điện trở vòng quanh đoạn dường khép kín tưởng tượng bên trong kim loại là 0. Do đó, tổng từ thông bao quanh vật là không đổi. Điều này chỉ đúng trong những trường hợp mật độ từ thông ở tất cả các diểm bên rong kim loại không thay dổi theo thời gian, ví dụ:   dB B 0 (tức là 0 ) (2.1) dt Đó sự phân bố từ thông trong kim loại cần phải được duy trì giống như trước khi kim loại mất điện trở. Giả thiết rằng mẫu bị mất điện trở khi không có từ trường ngoài tác dụng. Vì mật độ từ thông trong kim loại không thay đổi, cho nên nó phải là 0 thậm chí cả sau khi có từ trường đặt vào. Trong thực tế, từ trường có tác dụng nên mẫu siêu dẫn gây ta dòng điện chạy quanh bề mặt mẫu và như vậy, tạo ra mật độ từ thông ở mọi nơi trong lòng mẫu, chính xác bằng và ngược chiều với mật độ từ thông của từ trường ngoài. Vì các dòng này không biến mất, nên mật độ từ thông mạng bên trong vật liệu vẫn duy trì là 0. Các dòng mặt I sinh ra mật độ bên trong kim loại. Các dòng mặt này thông thường được gọi là các dòng chắn. Mật độ từ thông tạo nên do những dòng mặt dư (persistent) không biến mất ở biên của mẫu, mà các đường từ thông tạo thành các đường cong khép kín liên tục
15. 14 vòng qua không gian bên ngoài mẫu, mặc dù mật độ từ thông này ở mọi nơi bên trong mẫu là bằng nhau và ngược với từ thông sinh ra do từ trường ngoài. Bây giờ hãy xem xét một trình tự khác cho việc làm lạnh trong từ trường đối với một vật liệu không có điện trở. Giả thiết rằng, từ trường Ba được đặt vào khi mẫu ở trên nhiệt độ chuyển pha. Sau đó mẫu được làm lạnh đến nhiệt độ thấp sao cho điện trở của nó biến mất. Sự biến mất điện trở này không gây ảnh hưởng lên độ từ hóa và sự phân bố từ thông vẫn duy trì không đổi. Khi giảm từ trường về 0 thì mật độ từ thông bên trong kim loại có độ dẫn lý tưởng không thể thay đổi và dòng bề mặt sẽ xuất hiện để duy trì từ thông bên trong nó. Ta thấy rằng trạng thái từ hóa của vật dẫn lý tưởng không xác định duy nhất bằng các điều kiện bên ngoài, mà nó phụ thuộc vào chuỗi các điều kiện tại vị trí đang tồn tại. II.2.2. Vật siêu dẫn không lý tưởng Các mẫu lý tưởng là các mẫu không chứa tạp chất hoặc không có những sai hỏng về tinh thể. Trong thực tế, nhiều mẫu không được hoàn hảo như vậy. Tuy nhiên, vẫn có khả năng chế tạo những mẫu gần như lý tưởng sao cho chúng biểu hiện các tính chất gần giống vật liệu lý tưởng. Mẫu lý tưởng có từ trường tới hạn rất sắc nét và đường cong từ hóa lá hoàn toàn thuận nghịch.Có thể thấy rằng độ từ hóa là không thuận nghịch khi từ trường tăng và giảm, các đường cong từ hóa biểu hiện khác nhau. Ở đây xuất hiện hiện tượng từ trễ. Khi từ trường giảm đến 0 vẫn có thể còn sót lại một chút độ từ hóa dương của mẫu và nó làm tăng mật độ từ thông riêng BT và độ từ hóa Ir. Đó là hiện tượng từ thông bị hãm. Trong điều kiện này, siêu dẫn giống như nam châm vĩnh cửu. Như vậy mẫu không lý tưởng cho thấy: Có ba từ trường tới hạn khác nhau (HC1, HC2 và HC3). Có đường cong từ trễ. Có từ thông bị hãm (bẫy).
16. 15 Các biểu hiện này không nhất thiết phải cùng xuất hiên. Ví dụ, mẫu có thể không có từ trường tới hạn sắc nét và có thể có tính từ trễ nhưng sẽ không bẫy các đường từ thông. Các sai hỏng bao gồm một số lớn các nguyên tử như là các hạt của vật thể khác hoặc hoặc những mắt xích của các nguyên tử dịch chuyển như là những sai hỏng mạng, có khuynh hướng làm tăng tính từ trễ và bẫy từ thông. Các nguyên tử tạp chất và sự phân bố không đồng đều của thành phần của mẫu cũng làm giảm độ sắc nét của từ trường tới hạn trong các mẫu không lý tưởng. II.2.3. Hiệu ứng Meissner Một vật dẫn lý tưởng có thể có điện trở không ở nhiệt độ tuyệt đối (0K). Tuy nhiên, nó không phải là chất siêu dẫn. Người ta thấy rằng biểu hiện tính chất của chất siêu dẫn khi nó có từ trường khác với vật dẫn lí tưởng. Năm 1933, Meissner và Ochsenfied phát hiện ra rằng: Nếu chất siêu dẫn được làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ chuyển pha TC, thì đường sức của cảm ứng từ B sẽ bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn. Tức là chất siêu dẫn nằm trong từ trường ngòi Ha còn cảm ứng từ bên trong  mẫu B = 0. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Meissner. Hình 2.1 Tính chất từ của chất siêu dẫn Hiệu ứng Meissner cho biết, chất siêu dẫn biểu hiện tính chất: Trong lòng nó  các đường cảm ứng từ B = 0. Nghĩa là, siêu dẫn biểu hiện như một chất nghịch từ lý tưởng.
17. 16 Hệ số từ hóa của chất siêu dẫn trong hệ ( CGS) sẽ là: M 1  (2.2) Ha 4 Hoặc trong hệ SI: H = Ha + M = 0 (2.3) M  1 (2.4) Ha Hiệu ứng Meissner là tính chất từ cơ bản của chất siêu dẫn. Đặc trưng hệ số từ hóa  = 1 đã nói lên siêu dẫn là chất nghịch từ lý tưởng. Mặt khác, đặc trưng cơ bản của chất siêu dẫn về tính chất điện là điện trở không (ρ = 0). Xuất phát từ phương trình cơ bản của điện động lực học thì định luật Omh được biểu diễn trong điện trường theo mật độ và điện trở suất là:   EJ (2.5) Trong trạng thái siêu dẫn ρ = 0, nên:  rotE 0 (2.6) Theo phương trình Maxwell:  d B  CrotE (2.7) dt Và có:  d B 0 (2.8) dt
18. 17  Như vậy, các đường cảm ứng từ B phải là một hằng số.  Khi ρ = 0 thì B = const. Nghĩa là, ngay cả khi làm lạnh chất siêu dẫn xuống  dưới nhiệt độ TC thì phương trình B = const vẫn đúng.  Vậy, hiệu ứng Meissner cho biết cảm ứng từ B trong lòng chất siêu dẫn bằng 0 là hiệu ứng thực nghiệm quan sát được. Về phương diện lý thuyết xét ở đây chỉ là  chấp nhận B const 0 theo thực nghiệm. Từ các dẫn chứng trên đây đã đưa đến kết luận là: Trạng thái siêu dẫn có điện trở không và hiệu ứng Meissner biểu hiện rằng, chất siêu dẫn là một nghịch lý từ lý tưởng (χ = -1). Hai tính chất độc lập này có đặc trưng cơ bản riêng biệt nhưng cả hai đều đồng thời là tiêu chuẩn quan trọng để xem xét một chất có phải là siêu dẫn hay không. Hình 2.2 Sự phụ thuộc của từ trường tới hạn vào nhiệt độ và đường cong ngưỡng
19. 18 II.2.4. Từ trường tới hạn Một vật đang ở trạng thái siêu dẫn, nếu ta tăng dần từ trường đến một giá trị (Hc) xác định có thể làm mất trạng thái siêu dẫn. Nghĩa là, dưới tác dụng của từ trường đã làm cho trạng thái siêu dẫn chuyển sang trạng thái thường. Giá trị xác định của từ trường (Hc) được gọi là từ trường tới hạn hoặc từ trường tới hạn nhiệt động. Từ trường tới hạn Hc là hàm của nhiệt độ T và hàm đó được mô tả gần đúng như sau: 2 T Hc H o 1 (2.9) TC Với H0 là từ trường tại T = 0 và tại T = TC thì Hc(TC) = 0. Đường cong Hc phụ thuộc T được gọi là đường cong ngưỡng. Đường này chính là ranh giới phân chia giữa trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường. Bên trong đường cong ngưỡng thuộc trạng thái siêu dẫn và bên ngoài đường cong ngưỡng là trạng thái thường. II.2.5. Dòng tới hạn Dòng cực đại đạt dược trong trạng thái siêu dẫn được gọi là dòng tới hạn. Nói cách khác dòng tới hạn trong trạng thái siêu dẫn là dòng điện lớn nhất khi điện trở cùa chất siêu dẫn xem như bằng không. Dòng tới hạn dược ký hiệu là IC. Năm 1913, Kamerlingh Onnes lần đầu tiên đã phát hiện ra rằng: Nếu trong dây siêu dẫn có dòng điện I lớn hơn dòng tới hạn Ic chạy qua thì trạng thái siêu dẫn cũng bị phá vỡ. Đó là hiệu ứng dòng tới hạn. Ba năm sau (năm 1916) Silsbee mới giải thích và làm sáng tỏ hiện tượng này. Ông cho rằng vai trò quyết định để đưa vật liệu từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thường trong hiệu ứng dòng tới hạn không
20. 19 phải do bản thân dòng lớn I gây ra mà chính là từ trường do dòng I sinh ra trong dây dẫn đã phá vỡ trạng thái siêu dẫn. Điều này có bản chất giống như hiệu ứng Meissner đã được xét ở mục trước. Thực nghiệm cho thấy rằng, nếu dây siêu dẫn tròn có đường kính a, dòng trong dây siêu dẫn là I > Ic thì mối quan hệ giữa từ trường tới hạn và các đại lượng I và a sẽ là: Hình 2.3 Mật độ dòng tới hạn phụ thuộc từ trường 2I H = (2.10) của dây dẫn Nb-25%Zr c a với đường kính dây khác nhau. Công thức (2.10) được gọi là công thức Silsbee, chỉ đúng cho một số chất siêu dẫn nhất định, chủ yếu là các chất siêu dẫn đơn kim loại (còn gọi là chất siêu dẫn lý tưởng). Các chất siêu dẫn là hợp chất, hợp kim hoặc chất siêu dẫn có tạp chất đều không thỏa mãn hệ thức Silsbee. (Các chất siêu dẫn loại này còn gọi là chất siêu dẫn không lý tưởng). Ngoài khái niệm dòng tới hạn (Ic) thông thường, người ta còn dùng khái niệm mật độ dòng tới hạn (Jc) để thay khái niệm dòng tới hạn. Đó là giá trị dòng tới hạn Ic trên một đơn vị diện tích bề mặt vật dẫn. Đơn vị thường dùng cho đại lượng 2 này là A/cm , giá trị Jc phụ thuộc rất mạnh vào từ trường và đường kính của dây siêu dẫn. Phần trên đã cho thấy, nếu dòng điện chạy trong mạch lớn hơn dòng tới hạn thì trạng thái siêu dẫn bị phá vỡ. Thực nghiệm cho thấy dòng tới hạn có liên quan đến độ lớn từ trường tới hạn Hc. Các dòng trong chất siêu dẫn đều chạy trên bề mặt bên trong đoạn đường thấm sâu, mật độ dòng giảm nhanh từ một vài giá trị Ja ở bề
21. 20 mặt. Trạng thái siêu dẫn cũng bị phá vỡ nếu mật độ dòng siêu dẫn vượt quá một giá trị xác định, đó là giá trị mật độ dòng tới hạn Jc. Thông thường, có hai sự đóng góp vào dòng điện chạy trên bề mặt chất siêu dẫn. Hãy xem xét dòng điện chạy dọc theo dây siêu dẫn từ nguồn bên ngoài như pin, acquy. Chúng ta gọi dòng này là “dòng truyền” bởi vì nó truyền điện tích vào và ra khỏi dây. Nếu dây dẫn đặt trong từ trường, các dòng chắn sẽ bao quanh để hủy các đường từ thông ở bên trong kim loại. Các dòng chắn này chồng lên trên dòng   truyền và ở nhiểu điểm, mật độ dòng J có thể xem như là tổng các thành phần Ji ,  do dòng truyền và thành phần JH được làm tăng lên từ các dòng chắn:    JJJ i H (2.11) Có thể dự đoán rằng siêu dẫn sẽ bị phá vỡ nếu độ lớn của tổng mật độ   dòng J ở các điểm vượt quá mật độ dòng tới hạn J c . Phương trình London biểu diễn mối liên hệ giữa mật độ dòng siêu dẫn ở các điểm và mật độ từ thông tại điểm đó. Mối liên hệ này giữ cho dòng diêu dẫn là dòng chắn, dòng truyền hoặc là sự kết hợp của cả hai. Do vậy, khi dòng điện chạy trong chất siêu dẫn thì mật độ từ thông B sẽ ở trên bề mặt và độ lớn từ trường tương ứng B H = liên quan với mật độ dòng mặt Ja. µ 0 Nếu tổng dòng điên chạy trên chất siêu dẫn là đủ lớn thì mật độ dòng ở bề mặt đạt đến giá trị tới hạn Jc và độ lớn từ trường tham gia ở bề mặt sẽ có giá trị là Hc. Ngược lại, từ trường có độ lớn Hc ở bề mặt luôn luôn kết hợp với mật độ dòng siêu dẫn mặt Jc. Điều này dẫn đến giả thuyết chung sau đây:
22. 21 “Chất siêu dẫn bị mất đi điện trở không của nó khi mà tổng độ lớn từ trường do dòng truyền và từ trường đặt vào vượt quá độ lớn từ trường tới hạn Hc tại các điểm trên bề mặt của nó”. Giá trị cực đại của dòng truyển dọc theo một nguyên tố siêu dẫn không có điện trở chính là dòng tới hạn của nguyên tố đó. Rõ ràng rằng từ trường đặt vào chất siêu dẫn càng lớn thì dòng tới hạn của nó càng nhỏ. Nếu không có từ trường đặt vào, mà chỉ có từ trường được sinh ra do các dòng truyền, thì dòng tới hạn sẽ là sinh ra độ lớn từ trường tới hạn Hc ở bề mặt vật dẫn. Trường hợp đặc biệt này cho bởi công thức và giả thuyết Silsbee trong phương trình (2.10) trước khi có khái niệm về mật độ dòng tới hạn. Ta có thể gọi công thức tên đây là “dạng thông thường” của giả thuyết Silsbee. Có thể thấy rằng độ lớn của từ trường tới hạn Hc phụ thuộc vào nhiệt độ, nó giảm đi khi nhiệt độ tăng lên và trở thành 0 tại nhiệt độ chuyển pha TC. Điều này chứng minh rằng mật độ dòng tới hạn phụ thuộc vào nhiệt độ theo cách giống nhau, như mật độ dòng tới hạn giảm đi ở những nhiệt độ cao hơn. Ngược lại, nếu chất siêu dẫn tải dòng điện, thì nhiệt độ chuyển pha của nó sẽ hạ xuống thấp. II.2.6. Mối liên hệ giữa từ trường tới hạn và dòng tới hạn Hãy xét dâu dẫn hình trụ có bán kính a và dòng điện chạy qua nó là i. Nếu không có từ trường ngoài, thì dòng điện I sẽ sinh ra từ trường ở bề mặt dây dẫn với độ lớn Hi tuân theo phương trình sau: 2πaHi =i (2.12) Do đó dòng tới hạn tương ứng sẽ là: ic =2πaH i (2.13)
23. 22 Hệ thức này có thể xác định bằng thực nghiệm cho dòng tới hạn ic bằng cách đo dòng cực đại của dây siêu dẫn. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng: trong trường hợp không có từ trường ngoài, phương trình (2.13) tiên đoán được chính xác giá trị ic. Trong từ trường yếu hoặc khi không có từ trường thì giá trị dòng tới hạn của các chất siêu dẫn có thể rất cao. Ví dụ, một dây dẫn siêu dẫn bằng Pb có đường kính 1 mm được làm lạnh xuống 4,2 K (nhúng trong Hêli lỏng) thì từ trường tới hạn của nó (Pb) khoảng 4,4 x 104 Am-1(cỡ 550 Gauss). Như vậy, khi không có từ trường ngoài thì dây có thể tải dòng điện lên đến 140 A trong trạng thái không có điện trở. Hãy xét xem nguyên nhân làm cho dòng tới hạn giảm đi do sự có mặt của trường ngoài. Đầu tiên giả thiết rằng từ trường đặt vào có mật độ từ thông Ba và độ Ba lớn từ trường Ha () chạy dọc theo dây sinh ra từ trường bao quanh dây và độ 0 i lớn của từ trường sinh ra trên bề mặt dây là: H .Từ trường này và từ trường i 2πa đặt vào là hai vec tơ vuông góc với nhau, nên độ lớn H của từ trường tổng hợp ở bề mặt dây là: 1 2 2 2 HHa i (2.14) Hoặc : 2 2 2 i HH a (2.15) 2 a Giá trị dòng tới hạn ic xuất hiện khi H = Hc từ phương trình trên ta có:
24. 23 i2 HH2 2 c (2.16) c a 4π2 a 2 Ở đây Hc là hằng số, vì vẫy phương trình này biểu diễn sự thay đổi của ic theo Ha: 1 i2 = H 2 - H 2 (2.17) 4π2 a 2 c c a Đây là phương trình ellip. Hệ quả là, đồ thị biểu diễn sự giảm dòng tới hạn theo lớn của từ trường đặt vào theo chiều dọc tăng lên, có dạng một phần tư của ellip. Trong cấu hình này, mật độ từ thông phân bố đều trên bề mặt của dây va các đường từ thông chạy theo hình xoắn ốc. Trường hợp quan trọng khác xuất hiện khi từ trường đặt vào là vuông góc với trục của dây (giả thiết là từ trường không đủ mạnh để đưa chất siêu dẫn vào trạng thái trung gian). Trong trường hợp này, tổng mật độ từ thông là không đồng đều trên bề mặt dây. Độ lớn của từ trường cực đại xuất hiện dọc theo đường L. Do có hiện tượng khử từ nên từ trường 2Ha đặt lên từ trường Hi để cho tổng từ trường là : i H 2H H 2H (2.18) a i a 2πa Dạng thông thường của công thức Silsbee công bố rằng, điện trở đầu tiên xuất hiện khi độ lớn từ trường tổng ở tất cả các thành phần trên bề mặt Hc và dòng tới hạn trong trường hợp này là: ic 2πa(H c 2H a ) (2.19) Do đó trong trường hợp này dòng tới hạn giảm tuyến tính theo sự tăng của từ 1 trường đặt vào cho đến khi đạt giá trị bằng 0 ở H . 2 c
25. 24 II.2.7. Phân loại các chất siêu dẫn theo tính chất từ Trở lại công thức mô tả trường khử từ : giá trị 4 M chính là từ trường sinh ra bởi dòng siêu dẫn. Ở trên từ trường tới hạn Hc, chất siêu dẫn trở thành vật dẫn thường có giá trị 4 M rất nhỏ. Trong trường hợp này, siêu dẫn chính là chất nghịch từ lý tưởng - nó biểu hiện hoàn toàn hiệu ứng Meissner và dược gọi siêu dẫn loại 1. Siêu dẫn loại 1 thường là các kim loại sạch. Hình 2.4 Đường cong từ hóa của các chất siêu dẫn theo từ trường  Dựa vào hiệu ứng Meissner: - Siêu dẫn loại I: hoàn toàn đúng. - Siêu dẫn loại II: không hoàn toàn đúng, vậy siêu dẫn loại II đã tồn tại vùng trung gian (vùng hỗn hợp). 1 k Loại I  2  Tiêu chuẩn Ginzburg – Landau:- k  1 k Loại II 2
26. 25 II.3. Tính chất nhiệt II.3.1. Sự lan truyền nhiệt trong chất siêu dẫn Xét quá trình điện trở hoàn trở lại với dây dẫn khi dòng điện chạy trong dây siêu dẫn vượt quá dòng tới hạn. Giả thiết dây là hình trụ. Trong thực tế không có dây dẫn nào mà toàn bộ chiều dài của nó, tất cả các nguyên tố dây dẫn có tính chất hoàn toàn đồng tính. Bởi vì những thay đổi về thành phần, về độ dày có thể xuất hiện hoặc là nhiệt độ ở một số điểm trong dây dẫn cao hơn những điểm khác. Như vậy thì giá trị dòng tới hạn sẽ thay đổi từ điểm nọ đến điểm kia và sẽ xuất hiện một số điểm trên dây dẫn có dòng tới hạn thấp hơn so với các điểm khác. Giả thiết dòng điện chạy dọc theo dây dẫn và độ lớn của nó tăng cho đến khi vượt qua dòng tới hạn ic (A) tại tiết diện A. Do tiết diện nhỏ nên A sẽ trở thành vật cản dòng điện trong khi các phần khác của dây vẫn duy trì dòng siêu dẫn. Hậu quả này làm cho trong dây dẫn xuất hiện một điện trở nhỏ r. Như vậy, tại tiết diện A dòng điện i xuyên suốt vật liệu đã có điện trở và đồng thời tại đây nhiệt đựo6c sin ra. Nhiệt lượng này tỷ lệ với i2r. Kết quả là nhiệt độ tại A tăng lên và xuất hiện dòng nhiệt chạy từ A dọc theo kim loại và đi vào môi trường xung quanh. Dòng nhiệt này phụ thuộc vào nhiệt độ tăng lên ở A, phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của kim loại và nhiệt lượng bị mất thông qua bề mặt dây dẫn Nhiệt độ tại A sẽ tăng cho đên khi tỉ số dòng nhiệt truyền từ A bằng i2r tại nơi mà nhiệt sinh ra. Nếu tỉ số nhiệt sinh ra là thấp thì nhiệt độ tại A chỉ tăn lên một lượng nhỏ, trong trường hợp này dòng siêu dẫn vẫn được duy trì. Tuy nhiên, nếu nhiệt sinh ra có tỉ số lớn vì điện trở của A cao hoặc do dòng i là lớn, thì nhiệt độ ở A có thể tăng lên vượt quá nhiệt độ tới hạn của dây dẫn. Trong thực tế sự xuất hiện dòng điện đã làm giảm nhiệt độ chuyển pha của dây siêu dẫn từ nhiệt độ TC đến nhiệt độ thấp hơn TC(i). Vậy, nếu có nhiệt sinh ra ở A thì các vùng cận kề với A cũng bị nung nóng lên trên nhiệt độ TC(i) và các vùng này sẽ trở thành vùng thường. Dòng điện i chạy qua các vùng thường này và lại sinh ra nhiệt. Nhiệt lượng này lại đưa các vùng lân cận trở thành vùng thường và cứ thế tiếp diễn. Kết quả là, mặc dù dòng điện duy trì là hằng số, nhưng vùng thường cứ
27. 26 thế mở rộng mãi ra từ A cho đến khi toàn bộ đây dẫn trở thành trạng thái thường. Khi đó, trong trạng thái thường, điện trở của toàn bộ dây dẫn sẽ trở lại đúng giá trị Rn . Nhờ có quá trình này, vùng thường có thể mở rộng ra từ trung tâm điện trở cho đến toàn bộ dây dẫn. Qúa trình này được gọi là sự truyền nhiệt. Qúa trình này xuất hiện nhiều hơn nếu dòng tới hạn lớn và điện trở ở trạng thái kim loại có giá trị cao. Để tính toán sự truyền nhiệt, cần phải xác định dòng tới hạn. Việc đo dòng tới hạn của mẫu có thể gặp khó khăn, đặc biệt là trong từ trường thấp hoặc là trong từ trường bằng không, thường có giá trị dòng rất cao. Hãy xét dòng siêu dẫn có độ dày đồng nhất và giả thiết là dòng tới hạn đo được bằng cách tăng dòng điện chạy trong dây siêu dẫn cho đến khi quan sát được hiệu điện thế. Nếu dòng điện bé hơn dòng tới hạn, thì không có sự sụt thế dọc theo mẫu và cũng không có nhiêt sinh ra trong mẫu. Tuy nhiên, các dây dẫn mang dòng điện tới mẫu thường là kim loại không siêu dẫn. Như vậy, nhiệt sẽ sinh ra trong các dây dẫn đó do dòng điện chạy qua. Kết quả là các phần cuối của mẫu tiếp xúc với dây dẫn sẽ nóng lên chút ít và tại đó dòng tới hạn sẽ thấp hơn so với phần thân của mẫu. Do dòng điện tăng lên, các phần cuối của mẫu chuyển thành phần thường tại nơi mà dòng điện nhỏ hơn so với dòng tới hạn thực của mẫu. Các vùng thường còn lại tiếp tục lan rộng ra toàn bộ dây dẫn nhờ sự truyền nhiệt. Cuối cùng, ta quan sát được hiệu diện thế ở mọi nơi có dòng điện nhỏ hơn dòng tới hạn thực. Để làm giảm khả năng ttruyền nhiệt tới các điểm tiếp xúc, cần phải sử dụng các dây dẫn dày sao cho nhiệt sinh ra tại các điểm tiếp xúc là nhỏ hoặc không đáng kể. Như vậy có thể đo được dòng tới hạn của tiết diện mong muốn trước khi có sự truyền nhiệt bắt đầu từ các điểm tiếp xúc. Đặc trưng sự trở lại của điện trở do sự truyền nhiệt là sự xuất hiện hoàn toàn của điện trở thường, ngay lập tức khi dòng điện xác định vượt qua dòng tới hạn. Kết quả là, vùng thường lan rộng chiếm suốt toàn bộ mẫu và trạng thái siêu dẫn bị phá vỡ.
28. 27 II.3.2. Nhiệt dung của chất siêu dẫn Một số kết quả nghiên cứu về nhiệt dung và độ dẫn nhiệt đã trùng hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Nhiệt dung của một chất thường bao gồm sự đóng góp của mạng (phonon) và của điện tử. Nó được biễu diễn theo công thức sau: 3 C = CP + Ce = βT + γT (2.20) Thông thường ở dưới nhiệt độ chuyển pha, nhiệt dung của kim loại siêu dẫn là rất nhỏ, nhỏ hơn cả nhiệt dung của kim loại ở nhiệt độ thường. Thực nghiệm cho thấy rằng tại điểm chuyển pha từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn, nhiệt dung có bước nhảy. Mặt khác, các giá trị đo được của nhiệt dung mạng cho thấy ở cả hai trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường, phần nhiệt dung của mạng βT3 là không đổi. Như vậy trong công thức (2.20) sự thay đổi nhiệt dung toàn phần ở trạng thái siêu dẫn chỉ do sự đóng góp của nhiệt dung điện tử (ًγT). Nhưng rất khó xác định chính xác giá trị nhiệt dung của các chất siêu dẫn bằng phương pháp thực nghiệm, bởi vì ở nhiệt độ thấp giá trị nhiệt dung rất nhỏ. Tuy nhiên, một số thiết bị đo chính xác ở nhiệt độ thấp đã chứnh minh được rằng ở trạnh thái dưới nhiệt độ chuyển pha (T < TC ), nhiệt dung điện tử của kim loại trong trạng thái siêu dẫn thay đổi theo nhiệt độ theo quy luật sau: b kB T Ce a. e (2.21) Ở đây a và b là các hằng số. Sự thay đổi theo hàm e mũ cho thấy rằng, nhiệt độ đã làm tăng các điện tử bị kích thích vượt qua khe năng lượng ở trên trên thái cơ bản của chúng. Số điện tử bị kích thích vượt qua khe cũng sẽ thay đổi bằng hàm e mũ theo nhiệt độ (vấn đề này đã được lý thuyết BCS xác nhận mà ta sẽ xét ở
29. 28 phần sau). Điều này cũng chứng tỏ trong trạng thái siêu dẫn có sự tồ tại của các khe năng lượng và đó chính là một đặc trưng cơ bản của trạng thái siêu dẫn. Lần đầu tiên Keesom và Bok đưa ra rằng: khi không có từ trường ngoài tác dụng, khi có sự chuyển pha siêu dẫn thì nhiệt dung điện tử (ًγT) cũna dạng gồm hai phần và có đặc trưng riêng. Tại điểm chuyển pha T = TC , bước nhảy của nhiệt dung có giá trị là: e e CTCTSD( ) 3 N ( ) (2.21) Tại T < TC nhiệt dung siêu dẫn giảm mạnh và không tuyến tính cho đến 0. Ehrenfest phát hiện ra rằng: Chuyển pha nhiệt dung tại T = TC là chuyển pha loại II (loại dối xứng), chuyển pha loại II có hai đặc điểm quan trọng: một là nó không đi kèm nhiệt Latent mà là các trạng thái của hệ thay đổi liên tục tạo ra sự thay đổi đột ngột về sự đối xứng của hệ. Hai là nhiệt dung có bước nhảy. Ở nhiệt độ chuyển pha, entropy của trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường là như nhau. Nói cách khác, tại điểm chuyển pha, entropy của hệ không thay đổi và do đó nó không có ẩn nhiệt Latent. Trong trường hợp có từ trường tác dụng (H ≠0 ), nếu mẫu chuyển pha trong vùng T ≤ TC thì quá trình chuyển pha có kèm theo ẩn nhiệt và khi đó sẽ là chuyể pha loại I. Sự tăng, giảm entropy trong quá trình chuyển pha siêu dẫn có liên quan trực tiếp đến nhiệt dung. II.3.3. Độ dẫn nhiệt của chất siêu dẫn Độ dẫn nhiệt (k) của kim loại là vấn dề phức tạp. Đây là bài toán về các quá trình không cần bằng với các thành phần da dạng.
30. 29 Ta biết rằng, năng lượng nhiệt được truyền trong kim loại bằng cả điện tử và photon. Quá trình truyền nhiệt là quá trình truyền nhiệt va chạm của từng loại hạt tải với chính loại đó, với các loại hạt tải khác, với các sai hỏng mạng và các biên hạt. Cơ chế này phụ thuộc nhiệt độ, nồng độ, tạp chất vá kích thước mẫu .Ở trạng thái siêu dẫn còn phụ thuộc cả vào từ trường và các xoáy từ. Vì vậy, khó có thể làm sáng tỏ mọi sự đóng góp vào độ dẫn nhiệt của vật trong trạng thái siêu dẫn, mà chỉ có thể xác định được những thành phần tương đối đơn giản và để phân tích trong quá trình thực nghiệm. Các kết quả thực nghiệm cho rằng: Thông thường độ dẫn nhiệt (k) trong trạng thái siêu dẫn thấp hơn nhiều so với trạng thái thường . Trạng thái siêu dẫn, độ dẫn nhiệt của vật liệu (kSD ) giảm mạnh trong vùng nhiệt độ T<TC . Về mặt định lượng, có thể giả định mô hình hai chất lỏng. Bản chất của nó là : Khi nhiệt độ giảm, nồng độ của chất siêu chảy điện tử tăng lên (electron superfluid). Chất siêu chảy điện tử trong Heli lỏng không mang năng lượng cho nên độ dẫn nhiệt bị giảm xuống theo nhiệt độ. Trong nhiều chất siêu dẫn khi T<TC độ dẫn nhiệt giảm giảm xuống xấp xỉ hoặc bằng 0. Như vậy, có thể cho rằng các điện tử siêu dẫn không đóng vai trò trong sự dẫn nhiệt. Tính chất này không được áp dụng để chế tạo các công tắc nhiệt siêu dẫn trong kĩ thuật nhiệt độ thấp. Trong một số hợp kim hoặc hợp chất siêu dẫn, người ta còn quan sát thấy độ dẫn nhiệt tăng tại vùng chuyển pha, sau đó mới giảm theo nhiệt độ. Hiện tượng này được Hulm giải thích là: Trong siêu dẫn loại II, quá trình chuyển pha siêu dẫn đã có sự tán xạ nhẹ của các sóng phonon lên các điện tử làm tăng бSD (độ dẫn nhiệt). Các sóng này mất dần theo sự giảm nhiệt trong trạng thái siêu dẫn.
31. 30 II.3.4. Hiệu ứng đồng vị Kinh nghiêm cho thấy rằng nhiệt độ tới hạn của các chất siêu dẫn (TC) thay đổi theo khối lượng đồng vị. Maxwell, Regnols và các đồng nghiệp lần đầu tiên đã tiến hành thí nghiệm chứng minh vấn đề này. Một số kết quả đã đươc kiểm định trên các đồng vị của Pb và Hg, nhiệt độ chuyển pha (TC) thay đổi theo khối lượng đồng vị như : TC = 4,185 K khi khối lượng đồng vị M là 199,5 và TC = 4,146 K khi M là 203,4. Các kết quả thực nghiệm thu đươc thỏa mãn hệ thức sau: α 1 M TC = const với 2 Trong một dãy đồng vị, tỷ lệ giữa nhiệt dộ tới hạn (TC ) và niệt độ Debye (θD ) là một hằng số : T c const D Từ sự phụ thuộc của nhiệt độ TC vào khối lượng đồng vị cho thấy rằng tác dụng quan trọng của các dao động mạng đến chất siêu dẫn và do đó các tương tác điện tử và mạng cũng rất quan trọng trong trạng thái siêu dẫn. Đây là một phát minh cơ bản. Bản chất của hiệu ứng đồng vị là: nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn TC phụ thuộc vào số nơtron trong hạt nhân. II.3.5. Các hiệu ứng nhiệt điện Cả lý thuyết và thực nghiệm đều thấy rằng các hiệu ứng nhiệt điện không xuất hiện trong chất siêu dẫn.
32. 31 Tuy nhiên các hiệu ứng nhiệt điện có thể xuất hiện trong một số chất siêu dẫn loại II. II.3.6. Các tính chất khác Chất siêu dẫn không thay đổi kích thước khi chuyển pha trong từ trường bằng 0 (H = 0). Tuy nhiên có xuất hiện từ giảo nhỏ trong trạng thái siêu dẫn ở những nhiệt độ thấp hơn và có sự thay đổi đột ngột về klích thước khi mẫu trở lại trạng thái thường dưới tác dụng của từ trường. điều này cho thấy tính dị hướng của tinh thể. Trong siêu dẫn nhiệt độ cao tính dị hướng đã được xác định ở nhiều hợp chất. Trong trạng thái siêu dẫn (T < Tc) hệ số đàn hồi của vật thường nhỏ hơn trạng thái thường. Siêu âm tắt dần trong chất siêu dẫn. Sự tắt dần này tương ứng với sự tương tác của các sóng âm với các điện tử dẫn phonon và các sai hỏng mạng. Hiệu ứng này cho thấy sự suy giảm điện tử. Khi nghiên cứu các hiệu ứng về suất điện động nhiệt điện Daunt và Mendelssohn đã tìm được rằng: hệ số Thomson của siêu dẫn chì gần bắng không nhỏ hơn rất nhiều hệ số Thomson ở trạng thái thường. Các phép đo điện trở còn cho biết: điện trở suất của chất siêu dẫn phụ thuộc lớn vào tần số lớn và tần số nhỏ. II.4. Phân biệt giữa vật liệu siêu dẫn và vật dẫn điện hoàn hảo Từ trường bên trong vật dẫn điện hoàn hảo và vật siêu dẫn dưới tác động của môi trường ngoài ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ thấp (nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ Curi). Từ trường bị đẩy ra khỏi vật siêu dẫn ở nhiệt độ thấp không phụ thuộc vào
33. 32 trạng thái ban đầu của vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Trạng thái của vật siêu dẫn ở nhiệt độ thấp là trạng thái không thuận nghịch. III. Các lý thuyết liên quan về siêu dẫn III.1. Entropi của trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường Ta có thể tính hiệu entropi của trạng thài siêu dẫn và trạng thái thường bằng thuyết nhiệt động lực học, và có kết quả trong từ trường không đổi là: 1 dH C S = SN – SS = H . (3.1) 4 c dT dH Từ trường tới hạn luôn giảm khi nhiệt độ tăng nên C luôn luôn âm, nghĩa dT là vế bên phải của phương trình trên luôn dương. Như vậy S > 0 nghĩa là entropi của trạng thái siêu dẫn nhỏ hơn trạng thái thường. như vậy bằng lý thuyết nhiệt động học ta đẽ tìm ra tính chất giảm entropi của trạng thái siêu dẫn đã quan sát được bằng thực nghiệm. III.2. Sự xâm nhập của từ trường vào chất siêu dẫn Để giải thích hiệu ứng Meissner khi từ thông bị đẩy khỏi chất siêu dẫn (B = 0), người ta cần giả định chất siêu dẫn là nghịch từ lý tưởng. Giả định này chỉ đúng cho các chất siêu dẫn lý tưởng (siêu dẫn loại I) vì nó không tính đến vấn đề từ thông có thể thấm sâu vào các vật liệu trong siêu dẫn loại II. Lý thuyết London đã thiết lập được các phương trình (gọi là phương trình London) biến đổi từ các phương trình nhiệt động lực để nhận lại hiệu ứng Meissner. Như vậy lý thuyết London đã chứng minh được sự tồn tại của hiệu ứng Meissner trong chất siêu dẫn.
34. 33 Phương trình London:   c A J 2 (3.2) 4 L Từ biểu thức này để dẫn đến minh chứng cho hiệu ứng Meissner, cần phải biểu diễn phương trình London dưới dạng khác có liên quan đến từ trường bên   trong chất siêu dẫn, đó là cảm ứng từ B rot A . Lấy rot hai vế phương trình (3.2) và sử dụng phương trình Maxwell trong điện động lực học :  4  rotB J (3.3) c Và thực hiện các biến đổi toán học ta được phương trình:   2 B B 2 (3.4) L  Phương trình này có nghiệm duy nhất B = 0 vì từ trường đồng nhất không  thể tồn tại trong chất siêu dẫn và B = const. Ở đây L là số đo độ dài thấm sâu của từ trường ngoài vào trong chất siêu dẫn và được gọi là độ thấm sâu London. Kết quả này mô tả đúng với hiệu ứng Meissner trong lòng chất siêu dẫn mà thực nghiệm quan sát thấy. Tuy nhiên chỉ đúng hoàn toàn cho chất siêu dẫn loại I. III.3. Lý thuyết Ginzburg - Landau III.3.1. Phương trình Ginzburg – landau Ginzburg - Landau đã đưa ra lý thuyết hiện tượng luận về chuyển pha siêu dẫn (1951). Giả thuyết của Ginzburg - landau là trạng thái siêu dẫn trật tự hơn trạng thái thường như vậy xuất phát từ vấn đề chuyển pha có thể diễn tả được bằng một
35. 34 thông số trật tự (), đó là một đại lượng vật lý mô tả được các trạng thái khác nhau của hệ. Biểu diễn năng lượng tự do của chất siêu dẫn theo thông số trật tự. Xuất phát điểm: Giải thích trạng thái siêu Nhà khoa học Vitaly Ginzburg dẫn trật tự hơn trạng thái thường. Vậy chuyển pha siêu dẫn sang trạng thái thường khác nhau của hệ bằng đại lượng vật lý gọi là thông số trật tự  . Với  là hàm sóng phụ thuộc tọa độ không gian ( r ) có tính chất là:   * (r ).  ( r ) nS ( r ) nS () r : Nồng độ (định xứ) của các điện tử siêu dẫn. Thiết lập phương trình Ginzburg- landau: 2 2  i   A() r  () r  () r  |()|  r2  ()0 r 2m c Tính mật độ dòng siêu dẫn: iq q2 JS *()()()*()*()()() r   r r r  r  r A r 2m mc Phương trình này khẳng định thông số trật tự  là một hàm sóng vĩ mô. Vì phương trình này cũng chính là phương trình Schrodinger và  ()r chính là hàm sóng của cặp điện tử (cặp Cooper) trong trạng thái siêu dẫn, m là khối lượng hiệu dụng của điện tử siêu dẫn và q = - 2e. Đây cũng chính là phương trình mô tả mật độ dòng của các cặp Cooper trong trạng thái siêu dẫn. Để hiểu rõ cặp Cooper là gì,
36. 35 chúng ta sẽ nghiên cứu vấn đề này trong phần lý thuyết BCS, đó là lý thuyết lượng tử về siêu dẫn - một lý thuyết được coi là hoàn hảo nhất trong các lý thuyết áp dụng cho các chất siêu dẫn cổ điển. III.3.2. Độ dài kết hợp Đó là khoảng cách nS = nS( r ) thay đổi rất chậm theo r : 4 Đối với siêu dẫn loại I:  10 cm r  nSS n ()   10 7 cm r  n 0 Đối với siêu dẫn loại II: S 1 2 2 Từ phương trình Ginzburg- landau tính được:   2m 1/ 2 1/ 2 mc2 mc 2 Từ phương trình London tính được:  2 2 2 4 q 4 q  o III.4. Lý thuyết BCS III.4.1. Lý thuyết BCS Lý thuyết BSC do Bardeen- Cooper và Schrieffer đưa ra năm 1957 đã giải thích thỏa đáng hầu như tất cả các kết quả thực nghiệm mà các lý thuyết trước đó không làm được. Chúng ta hãy xem xét một cách sơ lược lý thuyết này theo quan điểm lượng tử. Có hai kết quả thực nghiệm để kiểm tra lý thuyết đó là: 1. Nhiều lý thuyết trước đây đều dựa trên cơ sở các điện tử tương tác trực tiếp lẫn nhau thông qua tương tác đẩy Coulomb. Hiệu ứng đồng vị (isotop) cho biết rằng, khối lượng hạt nhân nguyên tử (số neutron) đóng vai trò cơ bản trong việc quyết định giá trị nhiệt độ TC. Vậy là,
37. 36 trong hiện tượng siêu dẫn có vai trò cơ bản của dao động mạng và sự chuyển động của các hạt nhân nguyên tử. Như vậy, lý thuyết mới BCS không dựa trên đặc trưng tương tác đẩy Coulomb giữa các điện tử, mà dựa trên tương tác hút electron – photon. 2. Thực nghiệm cho thấy rằng trong trạng thái cơ bản, phổ năng lượng kích thích của các điện tử kim loại có trong trạng thái cơ bản (trạng thái thường) thay đổi liên tục bắt đầu từ 0 cho đến khi đạt được giá trị là 2Δ trong trạng thái siêu dẫn (ví dụ trong siêu dẫn chì(Pb) là: 2Δ m ≈ 3kB TC). Giá trị khe năng lượng 2Δ này được gọi là khe năng lượng. Như vậy khe năng lượng được sinh ra trong vùng bị kích thích. Ý nghĩa của nó là: Các trị điện tử ở trạng thái siêu dẫn đã tạo thành những cặp liên kết và phải cần một năng lượng đúng bằng giá trị khe (2Δ) mới làm tách chúng ra được. III.4.2. Cặp Cooper Cách sử lý đối với siêu dẫn gợi ý rằng hai electron được ghép cặp với nhau ở khoảng cách cỡ hàng trăm nano mét, gấp hàng nghìn lần khoảng cách giữa các phân tử trong mạng tinh thể. Những cặp electron này có thể diễn rả như hình (3.1). Sự kết hợp của cặp electron này là cơ sở của lý thuyết siêu dẫn BCS. Ảnh hưởng sức hút của mạng lưới giữa các electron thường đẩy nhau thành ra 1 cặp năng lượng liên kết có bậc cỡ MeV đủ sức liên kết chúng thành cặp ở tại nhiệt độ rất thấp. • Một electron tương tác với mạng tinh thể gây ra một sóng xung động trên đường đi của nó. • Một electron khác di chuyển ngược chiều cũng tương tác ở khoảng cách đó.
38. 37 Mô hình cặp Cooper: Hình 3.1 Các điện tử tương tác trong hình cầu số sóng k IV. Chất siêu dẫn nhiệt độ cao IV.1. Sơ lược về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn nhiệt độ cao Siêu dẫn nhiệt độ cao, trong vật lý học, nói đến hiện tượng siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn từ vài chục Kelvin trở lên. Các hiện tượng này được khám phá từ thập kỷ 1980 và không thể giải thích được bằng lý thuyết BCS vốn thành công với các chất siêu dẫn cổ điển được tìm thấy trước đó. Mốc lịch sử đang được chú ý là năm 1974, vật liệu gốm siêu dẫn được phất hiện với hợp chất BaPb1-xBix03 (x = 0,25) có TC cực đại cỡ 13K. Mặc dù chuyển pha ở hợp chất này không cao nhưng nó mở ra một hứơng mới là: Có thể tìm kiếm vật liệu siêu dẫn ngay cả trong hợp chất gốm, chứ không phải ở kim loại nguyên chất hoặc hợp kim.
39. 38 Với nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn TC không vượt quá 24K, có thể nói rằng trong vòng 75 năm (1911-1985) chất lỏng Heli vẫn là môi trường duy nhất dùng để nghiên cứu vật liệu siêu dẫn. Việc tồn tại tính siêu dẫn trong vùng nhiệt độ Heli là một hạn chế lớ trong việc nghiên cứu và ứng dụng đối với nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới, vì vấn đề tạo ra Heli lỏng là cả một quá trình phức tạp và tốn kém. Để khắc phục điều đó, sự tìm tòi chủ yếu của các nhà khoa học được tập trung vào vấn đề, làm sao taọ được các chất siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha cao hơn. Ngày 27 tháng 01 năm 1986, hai nhà vật lý là K.A.Müller và J.G.Bednorz làm việc tại phòng thí nghiệm của hãng IBM ở Zurich (Thụy Sĩ) đã công bố trên tạp chí “Zeitschrift Fur Physik” của Đức rằng: “Hợp chất gốm Ba0.75La4.25Cu5O4(3-y) có điện trở giảm mạnh trong vùng 30 - 35K và trở về không ở 12 K. Phát minh này làm chấn động dư luận trên toàn thế giới. Một lần nữa các nhà khoa học đã quay lại với phát hiện về siêu dẫn có trong hợp chất gốm (1974). Phát minh của Müller và Bednorz mở ra một chân trời mới đầy hy vọng, nó có sức hấp dẫn và lôi cuốn đa số các nhà vật lý trên toàn thế giới, nó như một phát súng đại bác mở đầu cho một cuộc tấn công mạnh mẽ vào lĩnh vực khoa học hoàn toàn mới: “lĩnh vực siêu dẫn nhiệt độ cao”. Ngay sau đó là sự bùng nổ thông tin nghiên cứu về siêu dẫn nhiệt độ cao trên toàn cầu. Các phòng thí nghiệm, các nhóm nghiên cứu ở rất nhiều nước trên thế giới chạy đua nhau công bố các kết quả về siêu dẫn nhiệt độ cao.Những vật liệu siêu dẫn mới không ngừng được phát hiện thêm và nhiệt đọ chuyển pha TC ngày càng được nâng cao một cách đáng kể. Tiếp sau phát minh của Müller và Bednorz, ngay trong năm 1986 nhóm TOKYO đã xác đinh được (La0.85Ba0.15)2CuO4  có cấu trúc Perovkite loại K2NiF4 TC cỡ 30 K. Nhóm Houston đã nghiên cứu hiệu ứng áp suất cao ở hợp chất gốm này và tìm thấy TC tăng cỡ 1K/kbar, đồng thời cũng xác định được nhiệt độ bắt đầu chuyển pha của nó cỡ 57 K ở áp suất 12 kbar. Sau kết quả này nhóm Houston-
40. 39 Alabamad đã thay thế một lượng nhỏ Ba bằng Sr và đã xác định được nhiệt độ bắt đầu chuyển pha siêu dẫn TC  42,5K trong hợp chất (La0.9Sr0.1)2CuO4  ở áp suất thường. Nhiều phòng thí nghiệm khác nghiên cứu về siêu dẫn nhiệt độ cao trên thế giới A&T.Bell, Beijing, Belcore, Argone, và Naval Research Laboratory cũng khẳng định các kết quả được nghiên cứu trên đây. Cho đến năm 1991,một số nhà khoa học đã tìm ra siêu dẫn còn có trong cả các hợp chất hữu cơ KxC60 với nhiệt độ chuyển pha lên đến 28 K. Một phát hiện rất quan trọng cũng vào năm đó là các nhà khoa học ở AT&T đã tìm thấy siêu dẫn hữu cơ là chất C60Rb3 có nhiệt độ TC cỡ 30 K. Kết quả này là một sự ngạc nhiên lớn cho các nhà khoa học, nó không chỉ ngạc nhiên về siêu dẫn thực sự tồn tại trrong chât hữu cơ mà cơ chế siêu dẫn nhiệt độ cao gây bởi các lớp Cu-O trong vật liệu mới này đã trở nên không còn ý nghĩa. Phải chăng, một hướng mới trrong siêu dẫn nhiệt độ cao cần được hình thành để giải thích cho sự tồn tại siêu dẫn trong các hợp chất được gọi là “Fullerence”. Một phát hiện đáng quan tâm nữa là ngày 20/01/1994 nhóm tác giả R.J.Cava đã công bố tìm thấy siêu dẫn trong hợp chất Intermetallic-LnNi2B2C (Ln=Y, Tm, Er, Ho, Lu) có nhiệt độ TC = 13 - 17 K. Mặc dù TC của hợp chất này không cao nhưng đây là một phát minh quan trọng vì nó mở ra con đường tìm kiếm vật liệu siêu dẫn trong các hợp kim liên kim loại (Intermetallic) và trong các vật liệu từ - một vấn đề mà từ trước đến nay người ta vẫn cho rằng không có khả năng tồn tại siêu dẫn. Như vậy, cho đến năm 2001 đã có rất nhiều hợp chất siêu dẫn mới được phát hiện. Sự phân loại tạm thời hôm nay có thể ngày mai sẽ bị thay đổi.
41. 40 Đồng thời với nhiều chất siêu dẫn mới được phát hiện, nhiệt độ chuyển pha của chúng cũng không ngừng được nâng cao. Cho đến nay, một số thông tin cho biết một vài tác giả đã tổng hợp được chất siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha ở nhiệt độ phòng. IV.2. Lý thuyết liên quan đến siêu dẫn nhiệt độ cao Do đặc điểm các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao hiện nay đều có cùng một cấu trúc gồm các mặt tinh thể oxit đồng, nên các mô hình lý thuyết hiện nay thường tập trung vào giải bài toán của mạng tinh thể oxit đồng trong không gian hai chiều. Mô hình lý thuyết đơn giản nhất được đề ra hiện nay là mô hình Hubbard hai chiều nhằm mô tả cấu trúc tinh thể này. Cũng giống như hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ thấp, các nhà vật lý lý thuyết cho rằng nguyên nhân của hiện tượng siêu dẫn là do sự xuất hiện các "cặp điện tử Cooper". Các cặp điện tử này không còn tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli và có thể tạm hiểu rằng hai điện tử được liên kết tạo thành một dạng phân tử Bose. Do đó các cặp điện tử này có thể ngưng tụ lại cùng một trạng thái lượng tử ở nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ chuyển pha nào đó, gần giống như hiện tượng ngưng tụ Bose trong vật lý nguyên tử lạnh. Chúng tạo ra một trạng thái lượng tử đồng pha và là nguyên nhân của hiện tượng siêu dẫn. Tuy nhiên, để tạo ra một cặp điện tử Cooper ta cần một tương tác hút hiệu dụng giữa các điện tử, tương tự tương tác "điện tử với phonon" trong lý thuyết BCS. Cho đến này nguyên nhân của tương tác đó vẫn chưa được tìm ra hoặc chưa được tất cả các nhà khoa học cùng đồng tình. Từ những phát hiện về các tính chất của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao ở trạng thái không siêu dẫn, một trong những hướng nghiên cứu được quan tâm là xuất phát từ trạng thái cơ bản của hệ oxit đồng khi chưa được cấy các nguyên tử lạ là một "chất cách điện Mott". Ví dụ như lý thuyết RVB của Philip Anderson (đoạt giải thưởng Nobel về vật lý năm 1977) vào những năm 1987, 1988 nhằm giải thích siêu dẫn nhiệt độ cao. Lý thuyết này đề ra một trạng thái cơ bản mới RVB là sự cộng
42. 41 hưởng (hay chồng chập) của tất cả các trạng thái mà trong đó có các liên kết hóa trị giữa các điện tử trên những nút tinh thể kề nhau. Sau này người ta đã chứng minh rằng trạng thái này không phải là trạng thái cơ bản của hệ không cấy nguyên tử lạ. Nhưng trong những năm cuối thập kỉ 1990, Philip Anderson đã hoàn thiện lý thuyết này và cho rằng nồng độ của chất được cấy ghép vào hệ oxit đồng là nguyên nhân khiến trạng thái RVB trở nên bền. Tuy nhiên cho đến nay chưa một lý thuyết nào đủ hoàn thiện để có thể giải thích đầy đủ các tính chất và cấu trúc của các vật liệu này. Ngoài những tính toán lý thuyết, những phương pháp mô phỏng số cũng đóng một vai trò rất quan trọng. Hiện nay phương pháp DMFT1và phiên bản mở rộng của nó CDMFT đang cho nhưng kết quả rất phù hợp với thực nghiệm. IV.3. Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình IV.3.1. Vài nét về oxit siêu dẫn Dấu ấn đầu tiên trong lịch sử phát hiện ra siêu dẫn có trong oxit đó là chất SrTiO3 do Schooley, Hooler và Cohen tìm thấy năm 1964 với nhiệt độ chuyển pha 19 3 TC 0.25 K và các hạt tải điện tử là n = 3.10 /cm . Hiện tượng này không nằm trong khuôn khổ của lý thuyết BCS. Mười bảy năm sau người ta đã pha tạp Nb và 21 3 SrTiO3 và đã nâng được nồng độ điện tử lên n = 10 /cm và nhiệt độ chuyển pha TC 1,3 K. Chín tháng sau, nhóm Matthias đã tìm thấy siêu dẫn trong NaxWO3 với 1 DMFT: là một lý thuyết trường trung bình mới được bắt đầu giới thiệu và phát triển từ đầu nhưng năm 1990 bởi hai nhà vật lý Antoine Georges (Pháp) và Gabriel Kotliar ( Mỹ). Cho đến nay, lý thuyết đang được dần hoàn chỉnh với các phiên bản mới như C-DMFT (Cluster-DMFT).
43. 42 22 3 x = 0,3; n = 10 /cm và TC 0,57 K. Như vậy hiện tượng siêu dẫn đã xuất hiện trrong nhiều loại ôxit khác nhau với nồng độ electron đủ lớn. Năm 1965 hiện tượng siêu dẫn cũng được tìm thấy trong TiO và NbO với các nhiệt độ chuyển pha tương ứng là 0,65 K và 1,25 K. Năm 1973, Johnston và đồng nghiệp đã tìm ra siêu dẫn có trong LiTi2O4 với TC = 11 K. Năm 1975, Sleight và đồng nghiệp đã tìm ra siêu dẫn có trong hệ 21 3 perovskite BaPb1-xBixO3. Với x = 0,25 thì nồng độ hạt tải n = 2,4.10 /cm và TC = 11,2 K. Điều này cho phép dự đoán có thể tìm thấy siêu dẫn trong nhiều oxit khác nhau. Sau đó người ta thay K+1 vào Ba+2 trong chất cách điện BaBiO và tìm thấy TC 30 K trong hợp chất Ba-K-Bi-O. Vậy là từ năm 1986 trở về trước người ta tìm được siêu dẫn tồn tại trong nhiều oxit kim loại nhưng không phải trong các hợp chất chứa oxit đồng. IV.3.2. Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình chứa Cu và Oxy Từ năm 1988 đến nay, hàng loạt các oxit siêu dẫn chứa Cu được phát hiện ngoài La(R)-214 và Y(R)-123 còn có họ hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình sau đây: Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt là Bi-22(n-1)n với n=1,2,3 ) Ti2Ba2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt là Tl-22(n-1)n với n=1,2,3 ) HgBa2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt là Hg-12(n-1)n với n= 1,2,3 ) CuBa2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt là Cu-12(n-1)n với n=1,2,3 ) A1-xb2xCuO2 (A là kim loại đất hiếm, B là kim loại kiềm hoặc valency) Các vật liệu siêu dẫn này có nhiệt độ chuyển pha đã vượt quá 120 K và cấu trúc của chúng cũng đặc biệt hơn, có thể lưu ý những nét đặc trưng riêng của một số loại điển hình trong các bộ phận siêu dẫn nêu trên.
44. 43 IV.3.2.1 Hệ Bi-22(n-1)n: Vật liệu này do Maeda và đồng nghiệp phát hiện vào tháng 1/1988. Điển hình là: Bi-Sr-Ca-Cu-O (gọi tắt là BSCCO system) Đây là loại vật liệu đa pha mà TC 105 K. Cấu trúc tinh thể gồm ba pha ứng với n=1,2,3 được xác định là cấu trúc lớp theo trật tự sắp đặt: BiO2-SrO-CuO2-(Ca)- CuO2- -(Ca)-CuO2-SrO, với n là lớp CuO2 được ngăn bằng (n-1) lớp Ca. Ứng với n=1,2 và 3 thì TC có các giá trị cỡ 22 K, 80 K và 110 K, ở đây đã có sự tăng nhiệt độ chuyển pha theo thư tự tăng số lớp n. IV.3.2.2 Hệ Tl-22(n-1)n: Do Shung và Herman công bố vào cuối năm 1987. Khi thay thế nguyên tố phi từ, hóa trị 3 (Tl) cho (R)-123 (TlBa2Cu3Ox) nhận thấy nhiệt độ chuyển pha của hợp chất đã tăng lên xấp xỉ 90 K. Tháng 2 năm 1988, Shung và Herman đã thay một phần Ca và Ba và được hợp chất Tl-Ba-Ca-Cu-O hay (TBCCO), hợp chất này có cấu trúc giống như siêu dẫn Bi-2223 với hai lớp kép (TlO2) và có TC=90 K, 110 K và 125 K khi n=1,2,3. IV.3.2.3 Hệ Hg-12-(n-1)n: Năm 1991 người ta thay thế Hg cho Cu và sau đó Putilin và đồng nghiệp tạo ra hợp chất HgBa2CuO4+ (n=1) với TC =94 K. Schilling và đồng nghiệp thay n=2,3 trong Hg-12(n-1)n đã làm tăng TC= 133 K – 134 K ở áp suất cao 16 Gpa và 164 K ở 30 Gpa. Cấu trúc được sắp đặt là: HgOd-BaO-CuO2-(Ca)-CuO2- - (Ca)-(CuO2)-BO. Với n lớp CuO2 được ngăn cách bằng (n - 1) lớp Ca, cấu trúc này giống với cấu trúc TlBa2Can-1CunO2n+
45. 44 IV.3.2.4 Hệ CuBa2Can-1CunO2n+2+ Công thức chung: AmX2Can-1CunO2n+m+2+ với m=1 hoặc 2, X=Ba hoặc Sr, n=1,2,3 tăng theo sự thay đổi của A trong bảng hệ thống tuần hoàn. Từ nhóm V B (Bi), nhóm III B (Tl) đến nhóm II B (Hg) trong bảng hệ thống tuần hoàn, có khả năng làm tăng TC bằng cách thay đổi A liên tiếp đến nhóm I B như Au hoặc Ag và TC đạt được 124 K trong hệ này. IV.3.3. Chất siêu dẫn MgB2 Chẳng bao lâu nữa chất siêu dẫn mới magnesium diboride (MgB2) có thể được ứng dụng rộng rãi nhờ một kỹ thuật do các nhà nghiên cứu Mỹ phát triển. Kỹ thuật này giúp họ biến MgB2 thành những tấm màng cực mỏng. Năm ngoái, các nhà nghiên cứu vô cùng sửng sốt khi MgB2 có thể dẫn điện ở nhiệt độ 234oC, cao hơn so với các chất siêu dẫn tương tự. Tuy nhiên, khó khăn nhất là biến chúng thành màng mỏng để sử dụng trong mạch điện tử siêu dẫn. Hiện giờ trở ngại trên đã được Thiếu Hạnh Tề cùng đồng nghiệp thuộc đại học Pennsylvania State khắc phục. Nhóm nghiên cứu vừa tìm ra một phương pháp đơn giản và rẻ tiền để tạo ra những tấm màng mỏng MgB2 chất lượng cao. Theo nguyên tắc, các mạch tích hợp làm bằng chất bán dẫn có thể hoạt động với hiệu suất cao hơn mạch bán dẫn như silicon, mở đường cho công nghệ thông tin tốc độ nhanh hơn. Một trong những công nghệ đó là thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (superconducting quantum interference devices - SQUIDs). Nó được sử dụng để dò từ trường rất nhỏ, chẳng hạn như trong kỹ thuật hình ảnh cộng hưởng từ (magnetic resonance imaging - MRI). Thật không may là các mạch và thiết bị này chỉ có thể hoạt động ở nhiệt độ cực thấp. Chẳng hạn như SQUIDs được chế tạo từ niobium, và hợp kim này phải
46. 45 được làm lạnh bằng helium lỏng tới khoảng - 269 oC. Các đặc tính siêu dẫn của nó bị mất ở nhiệt độ cao. Do đó, các nhà nghiên cứu luôn muốn tìm những vật liệu có thể duy trì khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn. Vật liệu gốm có tên là oxide đồng Tc siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn MgB2 vài độ, song giá thành lại cao hơn MgB2. Trước đây có 2 phương pháp sản xuất màng siêu dẫn MgB2. Phương pháp thứ nhất là nung nóng màng boron trong điều kiện có hơi magnesium, tạo cho màng boron có đặc tính siêu dẫn, song lại có bề mặt thô ráp. Các thiết bị như là SQUIDS thường cần nhiều lớp màng chồng lên nhau. Vì vậy, bề mặt thô ráp là một khiếm khuyết nghiêm trọng. Phương pháp thứ hai là đồng thời ngưng tụ hơi magnesium và boron, tạo ra các tấm màng nhẵn song siêu dẫn ở nhiệt độ thấp hơn. Nhóm nghiên cứu của ông Tề làm bốc hơi các cục magnesium ở khoảng 700oC. Hơi magnesium sau đó kết hợp với diborane, một loại hợp chất dạng khí bao gồm boron và hydrogen, trong môi trường khí hydrogen áp suất cao. Màng MgB2 mỏng hình thành trên những chiếc đĩa làm bằng vật liệu cứng như sapphire hay silicon carbide. Chìa khoá ở đây là hydrogen. Nó ngăn không cho magnesium oxide ảnh hưởng tới các tấm màng cũng như khả năng siêu dẫn của chúng. IV.4. Tính chất khác Ngoài tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao, lớp các vật oxit đồng này còn có những tính chất rất khác thường ngay ở trong trạng thái không siêu dẫn. Hai đặc điểm khác thường này có thể kể đến trạng thái với "hố thế giả" và trạng thái không phải là chất lỏng Fermi, một lý thuyết do Landau đề xuất để giải thích bài toán heli lỏng. Trong trạng thái bình thường các kim loại và hợp kim được mô tả rất tốt bởi lý thuyết chất lỏng Fermi. Có nghĩa là có thể định nghĩa được trạng thái "chuẩn hạt" (quasi-particle) và từ đó định nghĩa được "mặt Fermi" giống như trong khí Fermi tự do. Nhưng những thí nghiệm ARPES dựa trên hiệu ứng phát xạ photon lại cho thấy
47. 46 các "mặt Fermi" bị suy biến không còn là một mặt liên tục mà lúc này nó trở thành các "túi" rời rạc. Điều đáng chú ý ở đây là không hề có một sự phá vỡ đối xứng nào. V. Các ứng dụng của vật liệu siêu dẫn V.1. Tàu chạy trên đệm từ. Kể từ khi có sự phát minh ra siêu dẫn có rất nhiều sự quan tâm đặc biệt dành cho những ứng dụng trong lĩnh vực điện từ. Thực ra ứng dụng dựa vào đặc tính từ trường của nó được sử dụng nhiều và đa dạng hơn ứng dụng trong việc giảm bớt diện trở rất nhiều. Dựa vào "nam châm siêu dẫn", người Nhật và người Đức thiết kế ra các đoàn tàu chạy trên đệm từ. Người Nhật đã thử nghiệm với khoảng 3 - 4 công nghệ tàu chạy trên đệm từ khác nhau, lấy tên là Maglev dựa theo: thực hiện phép nâng điện - động lực học bằng cách tạo ra 2 từ trường đối nhau giữa các nam châm siêu dẫn đặt trên con tàu và những cuộn dây lắp trong đường ray hình chữ U bằng bê tông. Sau đây là một hình mẫu nhiều triển vọng nhất đã thử nghiệm đến lần thứ ba, có thông số kỹ thuật: tàu chạy từ Tokyo đến Osaka cách nhau khoảng 500km, mục tiêu chở 100 khách chạy trong một giờ. Từ trường do nam châm siêu dẫn tạo ra cực mạnh đủ để nâng con Hình 5.1 tàu lên 10 cm khỏi đường ray. Đường High Một con tàu của Nhật ứng dụng hệ thống Speed Surface transport ray có mặt cắt hình chữ U, trên nó có lắp 3 cuộn dây từ, được cung cấp điện bởi các trạm nguồn đặt dưới đất dọc đường tàu. Nam châm siêu dẫn đặt trên tàu và đặt trong những bình chứa Helium đã hoá lỏng, tạo ra nhiệt độ thấp là 269 độ dưới
48. 47 không độ, khi có dòng điện đi qua, sinh ra một từ trường khoảng 4,23 tesla nâng tàu bổng lên trong khung đường ray chữ U. Nhờ lực hút và lực đẩy xen kẽ giữa hai cực Nam - Bắc của cuộn dây và nam châm, con tàu cứ thế tiến lên phía trước. Điều khiển tốc độ nhờ điều chỉnh biến đổi tần số dòng điện trong cuộn dây từ 0 đến 50 Hz và điều chỉnh tốc độ từ xa tại trung tâm điều khiển. Để hãm tàu, người ta làm cách hãm như trên máy bay. Người Nhật đã phải vừa sản xuất vừa thử nghiệm trong 7 năm với kinh phí trên 3 tỷ USD. Hệ thống trên đôi khi còn được gọi là hệ thống "Vận tải trên bộ tốc độ cao" (High Speed Surface transport - HSST). Theo hướng công nghệ HSST này, người Đức chế tạo ra tàu "Transrapid" chạy trên đệm từ và cũng theo nguyên lý phát minh từ những năm 1960 theo công nghệ hơi khác người Nhật đôi chút, đó là phương pháp nâng điện từ nhờ tác động của những thanh nam châm đặt trên tàu, với những nam châm vô kháng chạy bên dưới và hai bên đường tàu hình chữ T. Ước vận tốc đạt 450 km/giờ chạy trên đường Berlin tới Hambourg, kinh phí khoảng 6 tỷ USD. Ngoài ra, người Pháp cũng đã và đang quan tâm đến vấn đề vận tải siêu tốc trên bộ bằng siêu dẫn. Hình 5.2 Hình 5.3 Sơ đồ hoạt động của tàu chạy trên đệm Tàu hỏa siêu tốc MALEGV từ
49. 48 Hình 5.4 Tàu Yamanashi Hình 5.4 Tàu Yamanashi Vào tháng 12 năm 2003, tàu Yamanashi MLX01 đã được thử nghiệm với vận tốc 581km/giờ. Tuy nhiên các nhà khoa học cũng cảnh báo rằng các phương tiện giao thông sử dụng công nghệ này có thể gây nguy hiểm đến hệ sinh thái do từ trường rất mạnh. V.2. Máy chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) Hình 5.5 Máy chụp ảnh cộng hưởng MRI MRI (Magnetic Resonance Imaging) là loại máy sử dụng nam câm siêu dẫn để có một từ trường đủ mạnh để cho nguyên tử hydro bên trong chất béo của con người và các phân tử nước được tăng lên mức năng lượng nào đó có thể đo được bằng các dụng cụ đặc biệt. Dùng trong y học (quét ảnh bằng cách đo tiếng dội lại của âm thanh) để khám các mô trong cơ thể người.
50. 49 Khi bác sĩ cần kiểm tra những gì đang diễn ra trong cơ thể người bệnh, họ phải đặt vào trong cơ thể một nguồn từ trường mạnh có nguồn gốc siêu dẫn. Bằng cách này các nguyên tử hiđrô có trong nước và mỡ sẽ bị buộc phải chấp nhận năng lượng của từ trường. Sau đó các nguyên tử hiđrô sẽ giải phóng năng lượng này ra theo tần số mà máy tính có thể nhận biết và vẽ nên biểu đồ. Công nghệ MRI đã ra đời vào giữa những năm 1940 và được thử nghiệm Hình 5.6 lần đầu tiên trên người vào năm 1977. Hình ảnh sọ người sử dụng công nghệ MRI Tuy nhiên, tại thời điểm đó, kỹ thuật này phải mất đến 5 tiếng mới tạo ra được 1 hình ảnh. Dù vậy, công nghệ này vẫn làm vinh danh 2 nhà nghiên cứu khoa học Felix Bloch và Edward Purcell với giải Nobel Vật lý năm 1952. Đến năm 1986, công nghệ MRI cho ra hình ảnh chỉ trong vòng 5 giây. Năm 1992, công nghệ này đã có thể lập nên bản đồ của nhiều vùng chức năng trong não. Quá trình nghiên cứu và cải tiến công nghệ MRI non trẻ đã mang lại cho 3 nhà khoa học khác 1 giải Nobel Hoá học năm 1991 và giải Nobel Y khoa năm 2003.Thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID) H Hình 5.7 Thiết bị SQUID là thiết bị nhận biết nhạy cảm nhất được biết đến hiện nay trong khoa học được sử dụng để đo từ trường.
51. 50 Hiện nay, nhóm Korean Superconductivity Group đã nâng công nghệ MRI lên một tầng cao mới với sự phát triển của thiết bị SQUID (Superconducting Quantum Interference Device = máy giao thoa lượng tử dùng siêu dẫn) trong công nghệ lập bản đồ các vùng chức năng của não (MEG). Thiết bị này có thể cảm nhận được sự thay đổi rất nhỏ của từ trường, nhỏ hơn cả 1 phần tỉ lần lực để di chuyển cái kim của compa. Với công nghệ mới này, bác sĩ có thể thăm dò cơ thể người đến 1 mức độ nhất định mà không cần sử dụng từ trường mạnh như của công nghệ MRI. Đây là một máy dò nhạy nhất về các tín hiệu trường điện từ. Thiết bị là sự ghép nối của hai tiếp xúc Josephson và có thể đo các từ trường nhỏ tới 1/10 tỷ của từ trường trái đất. Được ứng dụng để đo các tín hiệu từ trường cực nhỏ như: dò xung của các dây thần kinh trong xương và bắp thịt, thăm dò khoáng sản và dầu trong lòng trái đất và đại dương. Còn có khả năng phát hiện dò tìm, truyền thông tin dưới biển phục vụ cho công nghiệp quốc phòng và nghiên cứu hải dương học. Sử dụng hệ thống này dễ dàng kiểm tra được đối tượng mà không làm hại đến các quá trình công nghiệp. V.3. Máy gia tốc hạt bằng chất siêu dẫn nhiệt độ cao Một ứng dụng quan trọng khác nữa là, có thể tạo ra được máy gia tốc mạnh để nghiên cứu đặc tính gốc của nguyên tử. Người ta dùng những nam châm cực mạnh để bẻ cong các chùm hạt, làm cho chúng chạy theo đường tròn để chúng va đập vào nhau, qua đó nghiên cứu những "mảnh" sinh ra do những va đập mạnh đó; người ta gọi đó là "siêu va đập siêu dẫn", dựa theo nguyên tắc này, các nhà khoa học Mỹ đang tiến hành xây dựng một "máy gia tốc cực mạnh" trong đường hầm dài 88 km ở bang Texec để nghiên cứu các hạt cơ bản của vật chất. V.4. Truyền tải năng lượng ( Electric Power Tranmission) Hiện nay các đường dây tải điện siêu dẫn nhiệt độ cao đã dược xây dựng ở một số nước tiên tiến như Mỹ, Nhật, tải điện bằng cáp siêu dẫn có lợi rất lớn so
52. 51 với đường dây tải điện thông thường. Có khả năng tải dòng rất lớn và không bị hao tổn năng lượng trong quá trình tải điện. Thực nghiệm cho thấy dây cáp được làm lạnh trong trạng thái siêu dẫn có thể tải dòng lớn gấp 3 lần trong dây cáp đồng bình thường với đường kính dây và hiệu điện thế giống nhau, và có thể truyền đi rất xa mà không bị tốn kém. Cáp siêu dẫn có thể tải năng lượng địa nhiệt, năng lượng điện hydro và năng lượng mặt trời, năng lượng lấy từ than đá hoặc năng lượng hạt nhân từ nguồn đến các trung tâm dân cư sử dụng hoặc nơi tiêu thụ. V.5. Nam châm siêu dẫn trong lò phản ứng nhiệt hạch Pháp và Nhật Bản đang cạnh tranh quyết liệt để được lựa chọn là nơi xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch thí nghiệm quốc tế (ITER) trị giá 5 tỷ USD. Nó có thể là thí nghiệm lớn cuối cùng trước khi một nhà máy điện nhiệt hạch chính thức được xây dựng trên thế giới. ITER là dự án hợp tác giữa Liên minh châuÂu, Nhật Bản, Nga, Canada, Trung Quốc, Hàn Quốc và Mỹ. Các nước này sẽ bỏ phiếu lựa chọn vào tháng tới. Mục đích của lò phản ứng ITER là tái tạo trên trái đất tiến trình cung cấp năng lượng cho mặt trời và những vì sao khác: phản ứng nhiệt hạch. Nó sẽ nung nóng hỗn hợp Hình 5.8 gồm deuterium và tritium - hai đồng vị của hydrogen - Mô hình ITER. tới 200 triệu độ C. Các nam châm siêu dẫn sẽ giữ plasma ở giữa không trung trong lò phản ứng tokamak hình bánh rán. ITER sẽ là lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên tạo nhiệt. Nhiệt đó có thể sánh với nhiệt được tạo ra từ các nhà máy điện thông thường. Deuterium và tritium là nhiên liệu rẻ tiền và dồi dào. Deuterium được tách từ nước biển trong khi tritium được sản xuất từ nguyên tố phổ biến - lithium. Khi được nung nóng, hai nhiên liệu này sẽ hợp nhất với nhau để tạo helium và các neutron tốc độ cao. Nhiệt do neutron tạo ra sẽ được sử dụng để vận hành turbine.
53. 52 Phản ứng nhiệt hạch là nguồn năng lượng của các ngôi sao giống như mặt trời. Mặt trời có một lò phản ứng tổng hợp hạt nhân ở lõi. Áp lực lớn và nhiệt độ 16 triệu độ C buộc hạt nhân nguyên tử hoá hợp và giải phóng năng lượng. Ước tính có 4 tỷ tấn vật chất được biến thành ánh sáng mặt trời mỗi giây. Nếu Pháp giành thắng lợi, ITER sẽ được xây dựng tại Cadarache. Trong trường hợp ngược lại, ITER sẽ nằm tại Rokkasho, Nhật Bản. Lò phản ứng nhiệt hạch là bước tiến quan trọng trong việc phát triển năng lượng hạt nhân. Nó không có khả năng gây ô nhiễm như lò phản ứng hạt nhân sử dụng plutonium và uranium hiện nay. V.6. Khả năng giữ được trạng thái plasma: Chúng ta biết rằng phản ứng nhiệt hạch (Thermonuclear reactions) với khả năng tạo ra một năng lượng khổng lồ, hãy thử hình dung năng lượng được tạo ra do phản ứng nhiệt hạch từ một gam D-T tương đương với năng lượng từ 10000 lits dầu.Nhưng ở trạng thái plasma với thành phần chủ yếu là Hidro nà hêli và nhiệt độ khoảng 60000C sẽ không co loại vật liệu nào có thể giữ, khống chế được nguồn năng lương này. Với khả năng ưu việt của mình các Ions và electrons quay xung quanh các đường từ trường tạo ra một áp lực tử vô cùng lớn có thể giữ được trạng thái plasma trong các lò phản ứng hạt nhân. V.7. Bom E: Tính năng nguy hiểm nhất của chất siêu dẫn đang được quân đội Mỹ triển khai chính là E-bomb. Thiết bị này đã sử dụng một lực từ trường có nguồn gốc siêu dẫn cực mạnh để tạo nên xung điện từ rất nhanh và mạnh nhằm phá hỏng các thiết bị điện tử của đối phương. Lần đầu tiên thiết bị này được sử dụng là trong cuộc chiến vào tháng 3/2003, khi quân đội Mỹ phá huỷ hệ thống phát thanh của Iraq. Quân đội Mỹ hi vọng công nghệ E-bomb này sẽ được trang bị cho Bộ binh, hải quân và không quân để làm nổ hoặc tê liệt đạn và pháo của đối phương. Nếu điều
54. 53 này thành hiện thực thì nó sẽ trở thành vũ khí công nghệ tinh vi nhất mà quân đội Mỹ từng tạo nên từ trước đến nay. V.8. Siêu máy tính: Hình 5.9 Mô hình siêu máy tính Tổ chức Khoa học tự nhiên cùng với NASA, DARPA và một số trường đại học đang nghiên cứu máy tính “petaflop”. Máy tính này có thể thực hiện một nghìn tỷ tỷ thao tác 1 giây nhờ các nút bấm tí hon làm bằng chất siêu dẫn. Máy tính nhanh nhất hiện nay mới chỉ đạt được tốc độ “teraflop”. Kỷ lục hiện nay thuộc về IBM Blue Gene/L với tốc độ 70.7 teraflop/giây. Các máy tính sử dụng linh kiện bằng chất siêu dẫn có ưu điểm: nhỏ, nhẹ, nhanh, cấu hình mạnh. Các mạch điện đóng mở nhanh và có thể tích nhỏ. Trong các máy tính siêu dẫn các đường truyền là các vi mạch siêu dẫn nối với thiết bị bán dẫn. Ví dụ trong tiếp xúc Josephson, công tắc siêu dẫn chỉ đóng mở trong 6 pico giây (nhanh gấp 10 lần công tắc bán dẫn). V.9. Ăngten mini ( Miniature Antennas) Người ta chế tạo các cần ăngten siêu nhỏ bằng chất siêu dẫn và đưa vào sử dụng. Ăngten làm bằng chất siêu dẫn nhiệt độ cao chỉ có kích thước bằng 5% các loại ăngten thông thường. Ăngten mini này làm việc theo nguyên lý mạch xuyên ngầm và có độ nhạy gấp 20 lần các loại ăngten khác. Ví dụ ăngten siêu dẫn nhiệt độ
55. 54 cao dài 2.6 inch có thể thay cho ăngten thông thường dài 52 inch sử dụng để bắt tần số FM. V.10. Công tắc quang học: Trong các hệ tin học điều khiển truyền thông tin bằng cáp quang và các máy tính quang điện thế hệ mới, người ta chế tạo và sử dụng các loại thiết bị công tắc quang học từ chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Công tcắ này nhỏ, gọn, nhẹ, điều khiển chính xác, bền và có độ nhạy cao. Thời gian điều khiển cực nhanh. V.11. Bình tích trữ năng lượng từ siêu dẫn ( Superconducting Manetic Energy Storage - SMES) Thiết bị này được chế tạo tại Mỹ. Trong SMES, năng lượng được sinh ra từ từ trường của cuộn dây siêu dẫn rất lớn được chôn trong lòng đất. Năng lượng được tích trữ trong cuộn dây siêu dẫn và các mạch điện trong hệ thống này không bị tiêu hao năng lượng. Năng lượng ở đây không cần chuyển đổ từ các dạng năng lượng khác nhau vào bình chứa (ví dụ các dạng năng lượng cơ học, hoá học, nhiệt học, ). Khi cần sử dụng, năng lượng được phóng ra rất nhanh với cường độ rât mạnh. Điều này làm giảm từ trường và giảm năng lượng tích trữ. SMES có hiệu suất đến 90%, các ứng dụng trong khoa học quân sự như: năng lượng lazer, súng chạy trên dường ray, có thể bắn các loại tên lửa tầm xa với tốc độ rất lớn. Các thiết bị này yêu cầu sự tích luỹ năng lượng rất lớn và lượng năng lượng khi sử dụng cũng rất lớn và giải phóng ra rấtt nhanh. Có thể sử dụng thiết bị này để phóng các loại máy bay phản lực, tàu vũ trụ, V.12. Các bệ phóng điện từ ( Electrmagetic Launchers): Các cuộn dây điện từ siêu dẫn có thể sử dụng làm bệ phóng điện từ đểphógn các vật với vận tốc cực lớn. Ví dụ, một loại súng rất nhỏ nhưng có tốc độ cao đươc thiết kế, ứng dụng trong quốc phòng. Súng có vậntốc bắn siêu nhanh được phóng ra
56. 55 từ các bộ phóng điện từ làm bắng chất siêu dẫn. Những thiết bị lớn hơn cũng được chế tạo như bệ phóng điện từ có thể phóng máy bay phản lực và phóng vệ tinh trái đất, dược dùng trong các phương tiện của tàu vũ trụ. Các bệ phóng điện từ siêu dẫn có hiệu suất lớn hơn vài bậc so với các hệ thống tên lửa thông thường và giá thành sản xuất không quá lớn. V.13. Tách chiết từ: Tách lọc từ là phương pháp tách chiết các thành phần tạp chất xác định nào đó ra khỏi hỗn hợp của nó. Do sự khác nhau của các tính chất từ của các thành phần riêng tạo nên hỗn hợp, một vài thành phần sẽ bị kéo ra khi có từ trường đặt vào hỗn hợp. các thành phần khác còn lại trong hỗn hợp theo ý muốn. nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao có nhiều khả năng ứng dụng trong công nghệ này như: tách chiết các sunfuaro từ than đá, tách chiết các tạp chất từ các kkhoáng vật, tách chiết các mảnh kim loại trong lòng đất, trong các thiên thạch, Có thể sử dụng để tái chế và làm sạch nước thải, các hóa chất và tách lọc khí đốt. Phương pháp này giá thành rẻ, kích thước thiết bị rất nhỏ và từ trường của các chất siêu dẫn rất cao làm cho nó có khả năng hút hoặc đẩy tạp chất rất mạnh khi sử dụng. V.14. Hệ thống từ thủy động lực ( Magnetohydro Dynamic System, MHD) Hệ thống này sử dụng khí gas khi bị đốtt cháy, trở thành ion hóa tạo nên lực xuyên qua từ trường làm tách các ion dương và âm đẻ tạo thành dòng điện. máy phát điện MHD có một số bộ ohận không chuyển động và cho hiệu suất tốt hơn nhiều so với tuabin hơi nước. các nam châm siêu dẫn sử dụng để tạo ra từ trường cao làm cho hiệu suất tốt hơn. MHD có thể sử dụng để quay chân vịt đẩy tàu thủy. nước biển được sử dụng như là chất lỏng làm việc thay cho khí đốt bị ion hóa. Laọi hệ thống bánh lái này được gọi là hệ đẩy điện từ (Electromagnetic thurster) EMT. Hệ EMT tạo ra lực đẩy nhờ nam châm siêu dẫn. Công nghệ chế tạo các hệ thống
57. 56 MHD và EMT được áp dnụg để chế tạo các hệ thống đẩy, điều khiển cả tàu thủy và tàu ngầm. V.15. Máy lạnh từ: Máy lạnh từ sử dụng các chất làm lạnh chứa Chloroflourocarleon, chất này có tác dụng phá hủy tầng ozon của trái đất, do đó các bơm từ nhiệt sẽ mau chóng được thay thế cácmáy kạnh sử dụng khí gas thông thường. các chất siêu dẫn nhiệt độ cao có thể thay thế và làm đơn giản hóa các mô hình máy lạnh, giảm giá thành và côngh nghệ sản xuất cũng tiện lợi hơn. Các thế hệ máy lạnh từ trong tương lai sẽ gọn, nhẹ và đảm bảo độ sạch cho môi trường. V.16. Biến thế siêu dẫn Các nhà khoa học ước tính rằng: khoảng 1/6 năng lượng bị mất mát do quá trình tải điện, trong đó có sự mất mát lớn do dòng điện qua các trạm biến thế.nếu những vòng dây làm bằng chất siêu dẫn được lắp đặt trong biến thế thì hiệu quả truyền năng lượng sẽ tăng lớn và giá thành tải điện sẽ được giảm mạnh.mặt khác,các trạm biến thế siêu dẫn sẽ không chiếm những diện tích lớn như biến thế thường. V.17. Máy phát điện siêu dẫn Máy phát điện siêu dẫn giống như các turbin thông thường. Sự điều khiển và hoạt động của máy phát điện siêu dẫn giống như turbin về mặt nguyên lý.Nhưng sự khác nhau cơ bản là motor siêu dẫn được bao bọc trong một buồng chân không quay tròn.Chất lỏng Hêli(hoặc nitơ) được bơm vào buồng chân khoongbawfng lực huwowsnh tâm đẻ duy trì nhiệt độ của motor ở trạng thái siêu dẫn.Máy phát điện siêu dẫn đã chứng tỏ tính nawng tốt ,giá thành hạ hơn so với máy phát điện thông thường 300MW,và hieeyj suất của nó được nâng từ 98% lên 99%.Mặt khác,máy
58. 57 phát điện siêu dẫn có kích thước chỉ bằng một nửa máy phát điện thường và giá rẻ hơn cõ 40%. V.18. Động cơ siêu dẫn Người ta chế tạo các motor siêu dẫn dựa trên cơ sở của hiệu ứng Messner.Tính chất cua các motor siêu dẫn là gây nên sự đẩy các đường từ thông.Khi nam châm trở thành gần đến trạng thái siêu dẫn, thì chất siêu dẫn sẽ đẩy nó. Sức đẩynày sử dụng để lái rotơ trong motor điện .các motor siêu dẫn rất rắn chắc và có kích thước cỡ 1/3 kích thước motor thường.Sự mất mát dòng trong motor siêu dẫn ước tính giảm đi cỡ 50% so với motor thường.Motor siêu dẫn có nhiều ứng dụng cả trong công nghiệp sản xuất ôtô,các loại bom,quạt, các máy thổi, các máy cơ khí, máy nghiền và rất nhiều phương tiện khác. V.19. Thiết bị máy phát – Động cơ siêu dẫn kết hợp Sự kết hợp của motor siêu dẫn và các máy phát siêu dẫn đã nâng cao một cách hiệu quả khi sử dụng vào bộ phận đẩy tàu thủy.Kích thước,trọng lượng thết bị, sự tiêu tốn năng lượng và độ ồn do thiết bị gây ra ddeeefu giảm đáng kể.Những thông số này có vai trò quan trọng để thiết kế, lắp đặt trong các tàu ngầm hiện đại có thể mang vũ khí hạng nặng và duy chuyển với tốc độ nhanh hơn.Thiết bị motor- máy phát điện siêu dẫn ghép cũng có thể sử dụng cho các đầu máy xe lửa chạy trên đường ray và cho các máy bay trực thăng để làm tăng vận tốc. V.20. Tàu thủy siêu dẫn Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã sử dụng motor siêu dẫn để chạy tàu thủy và đạt được đến vận tốc 60mph. Họ đã sử dụng năng lượng trường điện từ được tạo ra bằng nam châm siêu dẫn để chạy tàu thủy. Các từ trường này có thể đẩy tàu thủy và tàu ngầm dưới nước với tốc độ cao. Tàu ngầm mang năng lượng hạt nhân cũng có thể sử dụng hệ thống đẩy từ thủy động lực (MHD).
59. 58 V.21. Thiết bị dò sóng milimet Sử dụng tiếp xúc Josephson trên các màng mỏng siêu dẫn YBCO đã thành công trong việc chế tạo thiết bị các sóng milimet, điều mà rất khó thực hiện được bằng các công cụ bán đẫn thông thường.từ các nguồn nhiệt độ thấp bức xạ các sóng milimet, thiết bị dò bằng màng mỏng YBCO có thể phát hiện và định vị các bộ phận ung thư trong không gian ba chiều.Đó là các vùng có nhiệt độ thấp hơn so với các bộ phận bình thường ở vùng xung quanh nó. Các chất siêu dẫn có thể sử dụng cho công nghệ thông tin ở những vùng có tần số siêu cao. V.22. Bộ biến đổi analog/digital(A/D convertor) Nhờ tiếp xúc Josephson, các bộ biến đổi A/D trên các chất siêu dẫn đã được chế tạo và thử nghiệm. Về lí thuyết các bộ biến đổi này nhanh hơn nhiều so so với bộ biến đổi thiết kế chất bán dẫn.Do được làm bằng chất siêu dẫn đã làm tăng vùng tần số có thể đo được .Hơn nữa, bộ biến đổi A/D bằng tiếp xúc Josephson đảm bảo độ ổn định hơn so với các bộ biến đổi thông thường bằng bán dẫn. V.23. Màn chắn từ và thiết bị dẫn sóng Dựa trên hiệu ứng Meissner, các chất siêu dẫn đẩy các đường từ thông ra khỏi nó ở trạng thái siêu dẫn, người ta có thể sử dụng để tạo nên các vùng không có từ trường hoặc tạo thành những vùng có các dạng từ trường khác nhau.Các chất siêu dẫn có thể phun thành plasma với các hình dạng phức tạp.Đó là tiền đề cho việc có thể dùng chất siêu dẫn như các bức tường chắn sóng micro; làm màn chắn chống lại các vụ nổ hạt nhân vaf làm màn chắn các loại sóng điện từ khác trong không gian trước khi đi vào Trái Đất. Nhiều ứng dụng quan trọng cho việc bảo mật trong lĩnh vực máy tính và công nghệ thông tin. Sử dụng các màn chắn bằng chất siêu dẫn như những bức tường bảo vệ các số liệu thông tin và hội thoại.
60. 59 V.24. Thiết bị sử lý tín hiệu Có thể phát triển các máy xử lý tín hiệu tốc đọ cao bằng việc sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Máy này hoạt động với độ nhạy gấp 50 lần các thiết bị xử lý tín hiệu thông thường V.25. Ôtô điện Có thể sử dụng motor siêu dẫn cho các ôtô điện và máy kéo.Điện năng được tích trữ trong bình tích trữ năng lượng từ siêu dẫn, thiết bị được lắp đặt trên các phương tiện truyền tải.Các trạm gas sẽ trở thành các trạm tái nạp điện. Các ôtô và máy kéo này chạy êm, hiệu suất năng lượng cao và không làm ô nhiễm môi trường.Chất siêu dẫn nhiệt độ cao ở nhiệt độ phòng trong tương lai sẽ làm tăng hiệu quả và giá thành cho việc ứng dụng này. V.26. Cảm biến đo từ thông ba chiều Hệ SQUID YBCO có thể sử dụng cho việc đo từ thông ba chiều. Lợi ích của thiết bị này là định vị sự tăng từ thông trong cấu trúc cụ thể. V.27. Thiết bị Synchrotrons Bức xạ Synchrotrons có cường độ lớn gấp một triệu lần so với ánh sáng phát ra từ bản in quang khắc (photolithography), do đó có thể sử dụng chất siêu dẫn để chế tạo các con chip micro với hàng trăm triệu bit của bộ nhớ trên chip đơn. Kích thước máy Synchrotrons thông thường là 100’x100’.Khi sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ thấp, kích thước này có thể rút gọn lại là 6’x15’ và nếu dùng chất siêu dẫn nhiệt độ cao cấu tạo máy còn có thể nhỏ hơn nhiều.
61. 60 V.28. Lò phản ứng nhiệt hạch từ Để sử dụng cho các thí nghiệm với lò phản ứng nấu chảy từ. Nam châm siêu dẫn nhiệt độ thấp có thể sản sinh ra từ trường lên đến 11 testla. Trạng thái plasma của khí gas nóng được đưa vào bên trong từ trường. Phản ứng nóng chảy tự xuất hiện khi plassma nóng lên và ngưng đọng lại. Sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao sẽ làm giảm tổng năng lượng cần thiết để làm lạnh nam châm và đơn giản hóa hệ thống làm lạnh. V.29. Các băng siêu dẫn Các nhà khoa học Mỹ đã sản xuất các băng siêu dẫn có độ đàn hồi thích hợp và mật độ dòng tới hạn đạt đến 1000 A/cm2 ở 77K và ở mẫu khối có thể đạt 17.000 A/cm2 ở 77K trong từ trường bằng 0 và 4000 A/cm2 trong từ trường 1 testla. VI. Một số phát hiện mới về hiện tượng siêu dẫn 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 thể đóng 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.
62. 61 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” 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 Moshchalkov) 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
63. 62 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 sự đẩy 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 như độc 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
64. 63 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.
65. 64 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 quả đã cho thấy một sự ảnh 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.
66. 65 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. Hình 5.11 Ảnh chụp cắt ngang siêu mạng. 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.
67. 66 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 Hình 5.12 Nam châm siêu dẫn to nhất thế giới 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 sẽ được 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
68. 67 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 tế được 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, từ đó 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. Từ đó, 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 sẽ được đẩy dần lên cao, cho tới một ngày nào đó, chúng ta có thể sẽ có một vật liệu siêu dẫn ngay cả ở nhiệt độ thường.
69. 68 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 sự ủng 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. Nhóm sinh viên thực hiện.
70. 69 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]. [4]. [5]. nam/8323_Che_tao_thanh_cong_may_tuyen_tu_nam_cham_dat_hiem.aspx [5]. [6]. [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]. [9]. 21/20360933/195/ [10]. lai/20038429/195/ [11]. [12]. dan_426.html [13]. [14]. id=264 [15]. id=311 [16]. [17]. hmk&cof=FORID%3A10&ie=UTF-8&c=all&ft=&q=sieu+dan&sa=Search