Đề tài Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học – đời sống

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 này có thể được bảo toàn ngay cả ở nhiệt độ cao, không cần được làm lạnh. Thế nhưng trong nhiều năm nay, những cố gắng để nén Hydro đến mức cần thiết đều đi đến thất bại. Những nhà nghiên cứu Canada và Đức đã tìm được chìa khóa của vấn đề mà mọi người khác thất bại, đó là pha tạp Silicon vào Hydro. Chất siêu dẫn mới là một hợp chất có tên "Silane". Hợp chất này có cấu trúc tương tự Metal với nguyên tử Si thay cho nguyên tử C ở tâm. Giáo sư Tse đã phát triển phần lí thuyết của hiện tượng siêu dẫn của Silane với sự giúp đỡ của Yansun Yao - một nghiên cứu sinh tại Đại học Saskatchewan. Lý thuyết này đã được chứng minh bằng thực nghiệm bởi nhà nghiên cứu Mikhail Eremets tại Học viện Max Planck (Max Planck Institute) Đức. Các nhà khoa học hy vọng rằng những kết quả trên sẽ nhanh chóng được áp dụng trong công nghiệp, trong đó có cả làm dây dẫn điện cho các siêu máy tính. VI.6. Vật liệu nano mới mang đồng thời tính siêu dẫn và tính sắt từ Trước đây, người ta vẫn cho rằng tính sắt từ và tính siêu dẫn thường không thể cùng tồn tại tại một thời điểm. Tuy nhiên, các nhà vật lý Mỹ và Pháp đã làm thay đổi suy nghĩ này khi tạo ra một cấu trúc nano mang đồng thời cả tính sắt từ và tính siêu dẫn ở cùng một thời điểm. Các kết quả đã cho thấy một sự ảnh hưởng qua lại giữa tính sắt từ và tính siêu dẫn, và sẽ được các nhà nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu ở Swiss Light Source (Thụy Sĩ) và Viện Paul Scherrer. 65 Theo lý thuyết siêu dẫn Bardeen - Cooper - Schrieffer (lý thuyết BCS), các electron có spin trái dấu nhau kết cặp với nhau (các cặp Cooper) và do đó có thể chuyển động không bị cản trở, tạo nên sự mất điện trở. Một từ trường có thể làm phá hủy trạng thái siêu dẫn theo 2 kiểu: hoặc là bẻ gãy các cặp Cooper; hoặc là tạo cho các electron có spin hướng song song với nhau. Các hiệu ứng này đều dẫn đến việc làm giới hạn một dòng điện chuyển dời trong các chất siêu dẫn do hiệu ứng đánh thủng của từ trường do chính dòng điện gây ra. Năm ngoái, Jacques Chakhalian và các đồng nghiệp Viện Max Planck (Đức) và Đại học Grenoble (Pháp) đã công bố trên tạp chí Nature Physics vol. 2, pp. 229, 2007 một tính chất chất mới về vùng tiếp xúc giữa một chất siêu dẫn tạo ra bởi Yttrium, Barium, đồng và Oxygen và một chất sắt từ (LaCaMnO3). Các nhà nghiên cứu đã phát triển kỹ thuật cho phép họ tổ hợp 2 vật liệu trong một màng mỏng siêu mạng, và có đồng thời tính sắt từ và tính siêu dẫn. Chakhalian và các đồng nghiệp đã lập ra kế hoạch quan sát sâu hơn vào các interface giữa 2 vật liệu sử dụng ánh sáng đồng bộ (các bức xạ điện từ với bước sóng khác nhau mà có thể điều chỉnh để có một bước sóng xác định cho những thí nghiệm riêng). Để giúp họ làm điều này, các nhà nghiên cứu đã được tài trợ kinh phí và thời gian nghiên cứu để làm việc hơn 2 năm tại Swiss Light Source - một trng những nơi có nguồn sáng đồng bộ hiện đại nhất thế giới. Hình 5.11 Ảnh chụp cắt ngang siêu mạng. 66 Phổ ánh sáng tại Swiss Light Sourse biến đổi từ vùng hồng ngoại cho đến tia X cứng và tia X mềm. Tuy nhiên, không giống như các tia X truyền thống, có thể phát tán trong không gian, các tia X này được hội tụ rất hẹp. Thử thách chính về kỹ thuật của nhóm Chakhalian sẽ là làm sao để hội tụ một chùm photon năng lượng thấp vào một điểm có kích thước chỉ một vài trăm microns. Nghiên cứu này sẽ mở ra nhiều lĩnh vực mới trong vật lý và thậm chí có thể sẽ dẫn đến việc phát hiện thêm nhiều vật liệu mới có đồng thời cả tính sắt từ và tính siêu dẫn - theo công bố của nhóm nghiên cứu. VI.7. Tái tạo vũ trụ từ nam châm siêu dẫn to nhất thế giới Nam châm siêu dẫn to nhất thế giới, với trọng lượng bằng 5 chiếc máy bay thương mại vừa được đưa xuống lòng đất vào sáng 28/2 tại Trung tâm nghiên cứu vật lý nguyên tử lớn nhất châu Âu (CERN), Thụy Sĩ để thực hiện thử nghiệm tái tạo vũ trụ. Nam châm cân nặng gần 2.000 tấn này đã được xuống lòng đất sâu 100m trong một hệ thống đường hầm chạy theo vòng tròn dài 27km đi qua biên giới Pháp - Thụy Sĩ, gần Geneva Với chiều cao 16m, chiều rộng 13m và chiều dài 17m, nam châm sẽ được lắp ráp dưới lòng đất với 14 thành phần khác trước khi được đưa vào hoạt động vào cuối năm nay. Nó đã từng vận hành trên bề mặt vào tháng 11/2006 trước khi được tháo dỡ. Nam châm sẽ thực hiện một trong bốn thử nghiệm tại CERN nhờ máy gia tốc LHC (Large Hadron Collider) làm va chạm các hạt cơ bản với tốc độ gần bằng tốc Hình 5.12 Nam châm siêu dẫn to nhất thế giới 67 độ ánh sáng, cho phép các nhà nghiên cứu tìm hiểu về những giai đoạn đầu đời của vũ trụ. Họ sẽ tái tạo các điều kiện vật lý, sinh hóa vào thời điểm một phần tỉ giây đồng hồ sau khi vụ nổ "Big Bang" tạo ra vũ trụ xảy ra cách đây 15 tỉ năm. Trung tâm CERN, phòng thí nghiệm đầu tiên trên thế giới nghiên cứu về vật lý hạt là một tổ chức quốc tế được thành lập từ năm 1954 bởi 12 nước châu Âu. Gần đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Tennessee và Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (Mĩ) do giáo sư vật lí Pengcheng Dai đứng đầu đã ra tuyên bố rằng họ đã khám phá ra được nguyên nhân của siêu dẫn. Kết quả nghiên cứu của nhóm (đăng tại Boston College) đã chỉ ra làm thế nào mà các dao động đặc biệt ở mức dưới nguyên tử trong mạng tinh thể, xét về mặt từ tính, có thể khiến cho các hạt phonon ghép các electron lại với nhau, từ đó mà xảy ra hiện tượng siêu dẫn. Trong số ra mới đây của tập san Đại học Tennessee (ngày 21/12/2007), Dai cho biết: “Những phát hiện này đã góp phần hiểu thêm rằng từ trường có sự đóng góp trong việc tạo ra những cặp đôi (cặp Cooper) quan trọng. Đây chưa phải là hồi kết của những tranh cãi nhưng nó là một bước tiến lớn.” Nếu kết quả nghiên cứu này thuyết phục được cộng đồng khoa học thì chắc hẳn đây sẽ là một bước tiến quan trọng nhất trong việc tìm ra cơ chế, nguyên nhân của sự siêu dẫn trong vật liệu. Từ đó, nó sẽ cho phép các nhà khoa học dễ dàng tìm ra các chất siêu dẫn nhiệt độ cao mà mức ngưỡng chuyển đổi siêu dẫn sẽ được đẩy dần lên cao, cho tới một ngày nào đó, chúng ta có thể sẽ có một vật liệu siêu dẫn ngay cả ở nhiệt độ thường. 68 Lời kết Hiện tượng siêu dẫn thực sự là một vấn đề nóng bỏng mà giới khoa học quan tâm, và các khả năng ứng dụng tiềm tàng của các chất siêu dẫn là hết sức rộng rãi và quan trọng, sẽ đưa đến sự thay đổi lớn lao về kĩ thuật, công nghệ và có thể cả trong kinh tế và đời sống xã hội. Siêu dẫn là một đề tài rất rộng lớn, tài liệu này do nhóm chúng tôi thực hiện cũng chỉ là một số vấn đề liên quan về hiện tượng này, do thời gian hạn hẹp cũng như khả năng có hạn nên tài liệu cũng còn một số vấn đề chưa đề cập đến, cũng còn những thiếu sót không thể tránh khỏi. Hy vọng sẽ được sự ủng hộ và góp ý của thầy và các bạn. Nhóm xin chân thành cám ơn thầy Lê Văn Hoàng đã hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài. Nhóm sinh viên thực hiện. 69 Tài liệu tham khảo [1]. Thân Đức Hiền (2008), Nhập môn về siêu dẫn (vật liệu, tính chất và ứng dụng), Nhà xuất bản bách khoa, Hà Nội. [2]. Nguyễn Huy Sinh (1994), Vật lý siêu dẫn, NXB Giáo dục. [3]. [4]. [5]. nam/8323_Che_tao_thanh_cong_may_tuyen_tu_nam_cham_dat_hiem.aspx [5]. [6]. [7]. htp://vi.wikipedia.org/wiki/Si%C3%Aau_d%E1%BA%Abn_nhi%E1%BB%87 t_%C4%91%E1%BB%99_cao [8]. [9]. 21/20360933/195/ [10]. lai/20038429/195/ [11]. [12]. dan_426.html [13]. [14]. id=264 [15]. id=311 [16]. [17]. hmk&cof=FORID%3A10&ie=UTF-8&c=all&ft=&q=sieu+dan&sa=Search