Cấu trúc của đồng oxit ở trạng thái siêu dẫn
Các nhà
khoa học tại
Đại học Cambridge vừa tuyên bố đã có thể lý giải được bí ẩn tồn tại trong suốt 30 năm qua nhằm tìm ra loại
vật liệu siêu dẫn
có thể hoạt động ở nhiệt độ cao. Bằng việc khám phá ra bản chất của đặc
tính siêu dẫn, giờ đây các nhà khoa học đã có cơ sở vững chắc nhằm tìm
kiếm thêm các loại vật liệu khác cũng có tính chất tương tự nhưng có thể
hoạt động ở nhiệt độ cao. Nói cách khác, giải quyết được câu hỏi trên
đã mở đường cho sự phát triển của hàng loạt lĩnh vực từ thiên văn học
cho đến khoa học máy tính, từ xe lửa đệm từ trường đến các siêu máy tính
trong tương lai không xa.
Trong báo cáo vừa được đăng tải trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu
đã tiết lộ rằng đặc tính siêu dẫn xuất hiện là do các cặp electron bên
trong vật liệu bị xoắn lại dưới tác động của sóng mật độ điện tích hoặc
sự hình thành nên các gợn sóng electron.
Hiện tượng siêu dẫn
được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1911 bởi nhà khoa học Heike
Kamerlingh Onnes trong quá trình thực hiện thí nghiệm nhằm khảo sát các
thuộc tính của kim loại ở nhiệt độ thấp. Siêu dẫn là 1 hiện tượng xảy ra
ở một số vật liệu có điện trở bằng 0. Trong đa số các trường hợp, đặc
tính siêu dẫn sẽ xuất hiện khi hạ nhiệt độ của vật liệu xuống gần âm 273
độ C. Những loại vật liệu sở hữu tính chất trên được gọi là chất siêu
dẫn ở nhiệt độ thấp.
Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số loại vật liệu có đặc tính siêu dẫn ở nhiệt
độ cao hơn (vào khoảng âm 135 độ C). Các loại vật liệu này sẽ rất hữu
ích trong công nghệ hiện đại và hứa hẹn sẽ được áp dụng rộng rãi trên
nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất chính là cho đến
nay các nhà khoa học vẫn chưa có hiểu biết nhiều về loại vật liệu này.
Tiến sĩ Suchitra Sebastian, chủ nhiệm nhóm nghiên cứu tại Cambridge cho
biết: "Một vấn đề lớn nhất với chất siêu dẫn nhiệt độ cao chính là chúng
ta vẫn chưa tìm ra được nó. Nguyên nhân ở đây là chúng ta chưa thật sự
hiểu được thành phần nào trong vật liệu đã thúc đẩy sự xuất hiện của
tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao."
Không giống như các thiết bị điện tử thông thường, dòng điện trong chất
siêu dẫn là dòng dịch chuyển của các cặp electron được liên kết chặt chẽ
với nhau. Với cấu tạo này, các electron có thể di chuyển một cách trơn
tru trong vật liệu và không hề có sự xuất hiện của điện trở. Ngược lại,
nếu electron chỉ tồn tại lẻ loi một mình, dòng dịch chuyển sẽ trở nên
hỗn loạn và thường xuyên va vào nhau, chính điều này đã tạo nên điện trở
cho vật liệu. Do đó, chỉ cần đặt vật liệu siêu dẫn trong 1 nhiệt độ
thích hợp, nó sẽ thể hiện tính chất siêu dẫn với độ dẫn điện hoàn hảo và
hầu như không hề có điện trở.
Các nhà khoa học biết rằng phải có một thứ gì đó bên trong các vật liệu
siêu dẫn hoạt động như chất kết dính nhằm ghép nên các cặp electron. Dù
vậy, từ trước đến nay các nhà khoa học vẫn chưa biết thứ thần bí đó là
gì? Tất cả những gì các nhà nghiên cứu biết được chính là "loại keo dán"
nói trên sẽ bị suy yếu nếu như tăng nhiệt độ hoặc lực từ trường của vật
liệu. Khi đó, các cặp electron bị tách ra và tính siêu dẫn sẽ bị mất
đi.
Chính vì vậy, hướng tiếp cận của các nhà khoa học tại Cambridge là tìm
hiểu nguyên lý của quá trình ngược lại nhằm tìm ra nguyên nhân dẫn đến
sự ghép đôi của các electron. Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa
học đã thực hiện thí nghiệm với các loại vật liệu đang trong trạng thái
không siêu dẫn.
Tiến sĩ Sebastian chia sẻ: "Chúng tôi cố gắng tìm hiểu loại tương tác
nào đang xảy ra bên trong vật liệu trước khi các electron bắt cặp với
nhau bởi đây chính là mấu chốt vấn đề. Một khi các electron đã được ghép
đôi với nhau, chúng ta rất khó xác định được điều gì đã xảy ra. Tuy
nhiên, nếu chúng ta có thể phá vỡ liên kết và chia cắt các electron,
chúng ta có thể thấy được toàn bộ quá trình hoạt động của các electron.
Đây chính là phương pháp để hiểu được hiện tượng siêu dẫn đến từ đâu?"
Trước đây, các nhà nghiên cứu đã biết được rằng trong phần lớn vật liệu,
tính siêu dẫn có xu hướng bị phá hủy bởi các tác nhân bên ngoài như
nhiệt độ hay từ trường. Nếu hiểu được bản chất của điều này sẽ tìm ra
cách ngược lại để kiểm soát các tác nhân ở trạng thái bình thường và tạo
ra siêu dẫn. Bằng cách sử dụng một trường từ tính cực mạnh, nhóm nghiên
cứu đã có thể loại bỏ tính siêu dẫn của loại vật liệu mang tên cuprate,
một chất siêu dẫn có nguồn gốc từ oxit đồng.
Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã có thể xác định được nguồn gốc của các
cặp electron trong trạng thái siêu dẫn của vật liệu. Theo đó, một kết
quả đáng ngạc nhiên chính là cặp electron được hình thành từ một lực
liên kết hết sức yếu mà không phải là liên kết mạnh như các dự đoán
trước đây. Trạng thái ghép cặp electron có nguồn gốc từ trạng thái uốn
cong của các electron bởi tác dụng của sóng mật độ điện tích.
Theo tiến sĩ Sebastian: "Thông qua việc xác định được nguồn gốc của hiện
tượng siêu dẫn, chúng tôi hoàn toàn hy vọng có thể tìm ra thêm nhiều
loại vật liệu có tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn trước đây, thậm chí là
ngay ở nhiệt độ phòng. Điều này cho phép ứng dụng loại vật liệu đặc
biệt này trên phạm vi rộng rãi hơn ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ đó có
thể phát triển những sản phẩm công nghệ cao dựa trên tính chất siêu dẫn
mang lại điển hình như các thế hệ siêu máy tính của tương lai."
Theo Physic (1), (2), CamAcUk
http://www.tinhte.vn/threads/cuoi-cung-thi-cac-nha-khoa-hoc-da-ly-giai-duoc-bi-an-hon-30-nam-qua-ve-nguon-goc-cua-tinh-sieu-dan.2315096/
