Đề tài Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học – Đời sống – Tài liệu, Luận văn

Tài liệu Đề tài Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học – Đời sống: 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
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 ……………………………………………..

pdf

70 trang

|

Chia sẻ: hunglv

| Lượt xem: 1577

| Lượt tải: 0

download

Bạn đang xem trước

20 trang mẫu

tài liệu Đề tài Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học – Đời sống, để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

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
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
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
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.
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.
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.
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.
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.
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
0
20
40
60
80
0 20 40 60
T (K)
R
(
)
Hình 1.1
Sự mất điện trở của chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấp
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 :
i(t) = i(0)e
R t
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
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.
Ba năm sau chính ông là người đầu
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.
Hình 2.1
Đường cong siêu dẫn theo
nhiệt độ của thủy ngân
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.
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
Walter Meissner & Robert ochsenfeld
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 (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.
Alexei A. Abrikosov Vitaly L. Ginzburg Anthony J. Leggett
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
Pb 7,2 1913 Hg-Ba-Ca-Cu-O 90 – 161 1993
Nb 9,2 1930 (NH3)4Na2CsC60 33 1994
Nb3Sn 18,1 1954 Y-Pd-B-C 23 1994
Nb3
(Al0,75Ge0
,25)
20 – 21 1966 Ln(Re)-Ni-B-C 13 – 17 1994
Nb3Ga 30,3 1971 (Ca,Na)2CaCu2O4Cl2 49 1995
Nb3Ge 23,2 – 23,9 1973 Ba-Ca-Cu-O 126 1996
BaPb1-
xBixO3 13 1974 Li2BeH4 1997
La1-
xCaxMnO3
-Ba-Cu-O
30 – 40 1986 Bi-Ba-Ca-Cu-O 126 – 130 1997
Y(Re)-Ba-
Cu-O 80 – 90 1987
(CuTl)Ba2
Can-
1CunO2n+4
-y
121 1998
Bi-Sr-Ca-
Cu-O 110 – 120 1988 MgB 39 2000
Tl-Ba-Ca-
Cu-O 115 -125 1988
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:
0B  (tức là 0dB
dt


) (2.1)
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
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).
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.
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.
Hình 2.1
Tính chất từ của chất siêu dẫn
16
Hệ số từ hóa của chất siêu dẫn trong hệ ( CGS) sẽ là:
1
4a
M
H
    (2.2)
Hoặc trong hệ SI:
H = Ha + M = 0 (2.3)
1
a
M
H
    (2.4)
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:
E J  (2.5)
Trong trạng thái siêu dẫn ρ = 0, nên:
0rotE  (2.6)
Theo phương trình Maxwell:
d B CrotE
dt
 
 
(2.7)
Và có:
0d B
dt


(2.8)
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 từB 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 0B const  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
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
c o
C
TH H 1
T
       
(2.9)
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
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:
c
2IH =
a
(2.10)
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
này là A/cm2, 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
Hình 2.3
Mật độ dòng tới hạn phụ thuộc từ trường
của dây dẫn Nb-25%Zr
với đường kính dây khác nhau.
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 iJ ,
do dòng truyền và thành phần HJ được làm tăng lên từ các dòng chắn:
i HJ J J 
  
(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 cJ

.
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
0
BH = μ liên quan với mật độ dòng mặt Ja.
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:
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:
i2πaH =i (2.12)
Do đó dòng tới hạn tương ứng sẽ là:
c ii =2πaH (2.13)
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
lớn từ trường
0
( )aa
BH  chạy dọc theo dây sinh ra từ trường bao quanh dây và độ
lớn của từ trường sinh ra trên bề mặt dây là: i i2πaH  .Từ trường này và từ trường
đặt vào là hai vec tơ vuông góc với nhau, nên độ lớn H của từ trường tổng hợp ở bề
mặt dây là:
 122 2a iH H (2.14)
Hoặc :
2
2 2
2a
iH H
a
      (2.15)
Giá trị dòng tới hạn ic xuất hiện khi H = Hc từ phương trình trên ta có:
23
2
2 2 c
c a 2 2
iH H
4π a  (2.16)
Ở đây Hc là hằng số, vì vẫy phương trình này biểu diễn sự thay đổi của ic
theo Ha:
2 2 2
c c a2 2
1 i = H – H
4π a (2.17)
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 :
a i a
iH 2H H 2H
2πa    (2.18)
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:
c c ai 2πa(H 2H )  (2.19)
Do đó trong trường hợp này dòng tới hạn giảm tuyến tính theo sự tăng của từ
trường đặt vào cho đến khi đạt giá trị bằng 0 ở c1 H2 .
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.
 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).
 Tiêu chuẩn Ginzburg – Landau:-
Hình 2.4
Đường cong từ hóa của các chất siêu dẫn theo từ trường
1
2
1
2
k
k
k


   
Loại I
Loại II
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
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.
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:
C = CP + Ce = βT 3 + 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 (γًT). 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
b
k T
eC 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
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 (γًT) 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:
( ) 3 ( )e eSD NC T C T (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.
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.
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:
M α TC = const với 12 
Trong một dãy đồng vị, tỷ lệ giữa nhiệt dộ tới hạn (TC ) và niệt độ Debye
(θD ) là một hằng số :
c
D
T const 
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.
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
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:
S = SN – SS =  14 cH . dT
dHC (3.1)
Từ trường tới hạn luôn giảm khi nhiệt độ tăng nên CdH
dT
luôn luôn âm, nghĩa
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.
33
Phương trình London:
24 L
cAJ  

(3.2)
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 :
4rotB J
c
  (3.3)
Và thực hiện các biến đổi toán học ta được phương trình:
2 2
L
BB  

(3.4)
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
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
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:
*( ). ( ) ( )Sr r n r  
  
( )Sn r

: Nồng độ (định xứ) của các điện tử siêu dẫn.
Thiết lập phương trình Ginzburg- landau:
22
2( ) ( ) ( ) | ( ) | ( ) 0
2
i A r r r r r
m c
             
      
Tính mật độ dòng siêu dẫn:
2
*( ) ( ) ( ) *( ) *( ) ( ) ( )
2S
iq qJ r r r r r r A r
m 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,
Nhà khoa học Vitaly Ginzburg
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 :
Đối với siêu dẫn loại I:
Đối với siêu dẫn loại II:
Từ phương trình Ginzburg- landau tính được:
1
2 2
2m
 
    

Từ phương trình London tính được:
1/ 2 1/ 22 2
2 22 44 o
mc mc
qq
   
            
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,
4
7
( )10
010
S S
S
r n ncm
r ncm
 



     


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.
37
Mô hình cặp Cooper:
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.
Hình 3.1
Các điện tử tương tác trong hình cầu số sóng k
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-
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.
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
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
TC  0.25 K và các hạt tải điện tử là n = 3.1019/cm3. Hiện tượng này không nằm
trong khuôn khổ của lý thuyết BCS. Mười bảy năm sau người ta đã pha tạp Nb và
SrTiO3 và đã nâng được nồng độ điện tử lên n = 1021/cm3 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).
42
x = 0,3; n = 1022/cm3 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
perovskite BaPb1-xBixO3. Với x = 0,25 thì nồng độ hạt tải n = 2,4.1021/cm3 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.
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+
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
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
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
tàu lên 10 cm khỏi đường ray. Đường
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
Hình 5.1
High Một con tàu của Nhật ứng dụng hệ
thống Speed Surface transport
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
Sơ đồ hoạt động của tàu chạy trên đệm
từ
Hình 5.3
Tàu hỏa siêu tốc MALEGV
48
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)
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.
Hình 5.4
Tàu Yamanashi
Hình 5.5
Máy chụp ảnh cộng hưởng MRI
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
lần đầu tiên trên người vào năm 1977.
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 5.6
Hình ảnh sọ người sử dụng công nghệ MRI
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.
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
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
gồm deuterium và tritium – hai đồng vị của hydrogen –
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.
Hình 5.8
Mô hình ITER.
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
53
Hình 5.9
Mô hình siêu máy tính
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:
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
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
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
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
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).
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.
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.
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.
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”
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
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)
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
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.
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 n

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfHien tuong sieu dan va nhung ung dung trong khoa hoc doi song.pdf

Xổ số miền Bắc