Siêu dẫn là gì? Các nghiên cứu khoa học về Siêu dẫn

Siêu dẫn là gì?

Siêu dẫn (tiếng Anh: superconductivity) là hiện tượng xảy ra khi một vật liệu mất hoàn toàn điện trở và trở nên dẫn điện hoàn hảo ở dưới một nhiệt độ nhất định, gọi là nhiệt độ tới hạn ($T_c$). Hiện tượng này lần đầu tiên được phát hiện vào đầu thế kỷ 20 và từ đó trở thành một chủ đề nghiên cứu trung tâm trong vật lý vật chất ngưng tụ.

Ở trạng thái siêu dẫn, dòng điện có thể lưu thông trong một vòng kín mà không bị suy hao. Điều này trái ngược hoàn toàn với trạng thái bình thường của vật liệu, nơi mà điện trở gây ra tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt. Ngoài ra, vật liệu siêu dẫn còn có khả năng đẩy lùi từ trường, tạo ra hiệu ứng được gọi là hiệu ứng Meissner, vốn là một trong những dấu hiệu quan trọng để xác định siêu dẫn thực sự.

Lịch sử phát hiện và nghiên cứu

Hiện tượng siêu dẫn được phát hiện lần đầu bởi nhà vật lý người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes vào năm 1911. Khi nghiên cứu tính chất điện của thủy ngân ở nhiệt độ thấp, ông phát hiện rằng tại 4.2 K, điện trở của thủy ngân giảm về bằng không một cách đột ngột. Đây là lần đầu tiên thế giới biết đến trạng thái siêu dẫn.

Sau đó, các nghiên cứu được mở rộng sang các kim loại khác như chì, nhôm, và thiếc. Tuy nhiên, trong nhiều thập kỷ, chưa có lý thuyết nào đủ sức giải thích cơ chế của siêu dẫn cho đến khi lý thuyết BCS ra đời năm 1957 bởi ba nhà khoa học Bardeen, Cooper và Schrieffer.

Hiệu ứng Meissner và tính chất lượng tử

Một đặc điểm quan trọng khác của siêu dẫn là hiệu ứng Meissner. Khi một vật liệu bước vào trạng thái siêu dẫn, nó sẽ loại bỏ hoàn toàn từ thông bên trong, khiến từ trường không thể xâm nhập. Đây là biểu hiện của một trạng thái lượng tử macroscopic, chứ không đơn thuần là điện trở bằng không.

Hiện tượng này dẫn đến các hiệu ứng thú vị như "nâng từ" (magnetic levitation), nơi nam châm có thể lơ lửng phía trên vật liệu siêu dẫn do lực đẩy từ trường.

Lý thuyết BCS và cặp Cooper

Theo lý thuyết BCS, hiện tượng siêu dẫn xảy ra khi các electron trong vật liệu tạo thành các cặp được gọi là cặp Cooper. Dưới nhiệt độ tới hạn, các cặp này liên kết yếu qua dao động mạng tinh thể (phonon) và có thể di chuyển qua vật liệu mà không bị tán xạ, nhờ đó không gây ra điện trở.

Sự hình thành của cặp Cooper tạo ra một khoảng trống năng lượng (energy gap) $\Delta$ giữa trạng thái cơ bản và các trạng thái kích thích. Năng lượng này ngăn cản các va chạm ngẫu nhiên phá vỡ trật tự, giúp duy trì trạng thái siêu dẫn.

Phân loại vật liệu siêu dẫn

Các vật liệu siêu dẫn được chia thành hai loại chính:

• Siêu dẫn loại I: Có hiệu ứng Meissner hoàn toàn. Chúng chỉ tồn tại ở từ trường rất thấp và khi vượt quá ngưỡng, siêu dẫn bị phá hủy. Ví dụ: chì, nhôm.
• Siêu dẫn loại II: Cho phép từ trường xâm nhập vào vật liệu dưới dạng các vùng nhỏ gọi là vortex, trong khi phần còn lại vẫn giữ trạng thái siêu dẫn. Loại này ổn định hơn trong môi trường từ trường mạnh và có nhiều ứng dụng công nghệ. Ví dụ: hợp chất NbTi, Nb₃Sn.

Siêu dẫn nhiệt độ cao và các vật liệu gốm

Một bước đột phá lớn xảy ra vào năm 1986 khi Bednorz và Müller phát hiện vật liệu gốm perovskite chứa đồng oxit có thể siêu dẫn ở nhiệt độ 35 K – cao hơn nhiều so với giới hạn trước đó. Phát hiện này đã mang về giải Nobel Vật lý năm 1987 và khởi đầu cho cuộc đua nghiên cứu siêu dẫn nhiệt độ cao.

Đến nay, các vật liệu như YBCO (YBa₂Cu₃O₇) và BSCCO có thể đạt trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ trên 77 K – nhiệt độ sôi của nitơ lỏng, rẻ hơn và dễ xử lý hơn helium lỏng. Tuy nhiên, cơ chế siêu dẫn trong các vật liệu này vẫn chưa được giải thích hoàn toàn bằng lý thuyết BCS.

Siêu dẫn nhiệt độ phòng?

Giấc mơ lớn nhất trong nghiên cứu siêu dẫn là tìm ra vật liệu có thể siêu dẫn ở nhiệt độ phòng (tức khoảng 300 K). Năm 2020, một nhóm nghiên cứu công bố một hợp chất hydro – lưu huỳnh dưới áp suất cực cao có thể siêu dẫn ở khoảng 15°C, nhưng điều kiện áp suất lên đến 267 GPa khiến nó không thực tế cho ứng dụng rộng rãi.

Các nhà khoa học đang tiếp tục khám phá các vật liệu mới, đặc biệt là những hợp chất có cấu trúc tinh thể phức tạp hoặc sử dụng kỹ thuật tính toán lượng tử để dự đoán đặc tính siêu dẫn.

Ứng dụng thực tế của siêu dẫn

• Y tế: Hệ thống chụp cộng hưởng từ (MRI) sử dụng nam châm siêu dẫn để tạo từ trường mạnh, ổn định và đồng nhất.
• Truyền tải điện: Các cáp siêu dẫn có thể truyền điện mà không mất năng lượng. Một số dự án thử nghiệm đang được triển khai tại Mỹ, Nhật Bản và châu Âu.
• Giao thông: Tàu đệm từ sử dụng lực đẩy từ trường do siêu dẫn tạo ra để giảm ma sát, đạt vận tốc trên 500 km/h. Nhật Bản đang thử nghiệm các hệ thống SCMaglev.
• Điện tử lượng tử: Siêu dẫn là nền tảng cho máy tính lượng tử sử dụng các mạch Josephson và qubit siêu dẫn, được phát triển bởi các công ty như IBM và Google.
• Năng lượng nhiệt hạch: Nam châm siêu dẫn được dùng trong các lò phản ứng nhiệt hạch như ITER để giữ plasma ở nhiệt độ cực cao trong buồng phản ứng.

Thách thức kỹ thuật

Mặc dù có nhiều ứng dụng tiềm năng, việc triển khai siêu dẫn trong thực tế vẫn gặp phải một số khó khăn:

• Yêu cầu làm lạnh đến nhiệt độ rất thấp (trừ các vật liệu nhiệt độ cao).
• Chi phí vật liệu và bảo trì hệ thống cao.
• Vật liệu gốm dễ vỡ, khó gia công cơ khí.
• Các vấn đề ổn định và điều khiển từ trường khi làm việc trong môi trường công nghiệp.

Tương lai của siêu dẫn

Với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo và điện toán lượng tử, nghiên cứu siêu dẫn đang bước vào một giai đoạn mới, nơi các mô hình lý thuyết và tính toán lượng tử được sử dụng để dự đoán và thiết kế vật liệu mới. Các tổ chức như Quanta Magazine và các tạp chí khoa học chuyên ngành đang liên tục cập nhật những tiến triển trong lĩnh vực này.

Trong tương lai, nếu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng có thể được phát triển và ứng dụng, chúng ta có thể chứng kiến sự thay đổi sâu rộng trong ngành năng lượng, giao thông, y tế và công nghệ cao – mở ra một kỷ nguyên mới trong kỹ thuật và khoa học ứng dụng.