Siêu dẫn nhiệt độ cao là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan
Siêu dẫn nhiệt độ cao là hiện tượng mà một số vật liệu dưới nhiệt độ chuyển pha Tc vượt 30 K hoàn toàn không có điện trở, cho phép siêu dẫn ở nhiệt độ nitrogen lỏng. HTS mở ra ứng dụng trong nam châm MRI, cáp truyền tải điện không tổn thất và lưu trữ năng lượng SMES nhờ dẫn điện hoàn hảo mà không tỏa nhiệt ở nhiệt độ cao hơn vật liệu truyền thống.
Giới thiệu
Siêu dẫn nhiệt độ cao (High-Temperature Superconductivity, HTS) là hiện tượng một số vật liệu dẫn điện hoàn toàn không có điện trở ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với các chất siêu dẫn truyền thống. Mốc “nhiệt độ cao” thường được đặt khi nhiệt độ chuyển pha (Tc) vượt ngưỡng 30 K, và đặc biệt là khi Tc đạt hoặc vượt nhiệt độ sôi của nitơ lỏng (77 K), cho phép làm mát bằng nitơ lỏng thay vì helium lỏng đắt tiền.
HTS mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong công nghiệp và nghiên cứu: từ nam châm siêu dẫn cho máy MRI và gia tốc hạt, đến cáp truyền tải điện không tổn thất và bộ lưu trữ năng lượng (SMES). Việc giảm chi phí làm lạnh kết hợp với tính dẫn điện hoàn hảo có thể làm thay đổi cơ bản hạ tầng năng lượng và công nghệ y tế.
Vật liệu HTS cũng là chủ đề nghiên cứu lý thuyết đầy thách thức: cơ chế siêu dẫn trong các hệ điện tử tương tác mạnh như cuprate và pnictide vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn, khác biệt rõ rệt với cơ chế BCS của chất siêu dẫn thấp nhiệt độ. Nghiên cứu HTS không chỉ tìm kiếm vật liệu mới có Tc ngày càng cao, mà còn khai thác hiểu biết sâu về tương tác điện tử, dao động spin và phonon trong chất rắn.
Lịch sử phát hiện
Năm 1986, nhà vật lý Johannes Georg Bednorz và Karl Alexander Müller lần đầu tiên báo cáo hiện tượng siêu dẫn ở hợp kim gốm La–Ba–Cu–O với Tc ≈ 35 K, vượt xa ngưỡng 23 K cao nhất của các chất siêu dẫn BCS truyền thống. Phát hiện này đã làm chấn động cộng đồng và khởi đầu kỷ nguyên HTS.
Chỉ sau một năm, nhóm nghiên cứu tại IBM do Paul Chu dẫn đầu tìm ra hợp chất YBa₂Cu₃O₇₋δ (YBCO) với Tc ≈ 93 K, mở ra khả năng làm lạnh bằng nitơ lỏng (77 K) cho các ứng dụng thực tiễn. Hai bước đột phá này đã được trao Giải Nobel Vật lý năm 1987.
Trong thập niên 1990 và đầu 2000, hàng loạt cuprate mới được phát hiện với cấu trúc pha khác nhau, nhưng hầu hết vẫn có Tc dưới 135 K. Đến năm 2008, hệ sắt pnictide LaFeAsO₁₋ₓFₓ gây bất ngờ với Tc ≈ 26 K, và nhanh chóng được nâng lên hơn 55 K qua thay thế các nguyên tố trong pha “122”.
Thập niên 2010 chứng kiến sự xuất hiện của hydride siêu dẫn áp suất cao: A.P. Drozdov và cộng sự tạo ra H₃S dưới áp suất > 150 GPa với Tc lên đến 203 K, và sau đó LaH₁₀ đạt Tc > 250 K dưới áp suất tương tự. Mặc dù cần áp suất rất lớn, kết quả này làm sống lại hy vọng tìm được siêu dẫn “nhiệt độ phòng” trong tương lai.
Cơ chế vật lý
Siêu dẫn truyền thống theo lý thuyết BCS (Bardeen–Cooper–Schrieffer) dựa trên sự tạo thành cặp Cooper qua tương tác phonon: electron thu hút nhau thông qua dao động mạng tinh thể, tạo thành cặp có độ dài coherence lớn, dẫn đến điện trở bằng không dưới Tc.
Trong các mạng CuO₂ của cuprate, electron tương tác mạnh với nhau và với dao động spin, khiến cơ chế siêu dẫn phức tạp hơn. Mô hình “spin-fluctuation” cho rằng cặp Cooper được ghép nối qua dao động spin thay vì phonon, giải thích các đặc tính bất thường như pha pseudogap và tính bất đối xứng d-wave của hàm sóng siêu dẫn.
Sắt pnictide có cấu trúc lớp FeAs, nơi electron lưu thông trong các d-orbital Fe cho ra nhiều pha điện tử: từ pha magnetically ordered đến siêu dẫn khi doping. Các nghiên cứu ARPES và NMR gợi ý cơ chế “s±” pairing, nơi hàm sóng siêu dẫn thay đổi dấu giữa các pocket Fermi.
Hydride áp suất cao như H₃S lại tuân theo cơ chế BCS “cổ điển” nhưng với tần số phonon rất cao nhờ liên kết cộng hóa trị mạnh ở áp suất lớn. Sự kết hợp giữa mật độ trạng thái cao và dao động phonon nhanh tạo ra Tc kỷ lục, tuy nhiên yêu cầu áp suất > 100 GPa là rào cản lớn cho ứng dụng thực tế.
Phân loại vật liệu HTS
Vật liệu HTS được chia thành ba nhóm chính dựa trên thành phần hóa học và cơ chế siêu dẫn:
- Cuprate superconductors: các hợp chất gốc đồng như La₂₋ₓSrₓCuO₄, YBa₂Cu₃O₇₋δ với lớp CuO₂ song song.
- Sắt pnictide: hợp chất sắt–arsenic như LaFeAsO₁₋ₓFₓ, Ba₁₋ₓKₓFe₂As₂, có cấu trúc “1111” và “122”.
- Hydride áp suất cao: H₃S, LaH₁₀ hoạt động dưới áp suất >150 GPa.
| Nhóm | Ví dụ | Tc (K) | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Cuprate | YBa₂Cu₃O₇₋δ | 93 | Ni tơ lỏng |
| Pnictide | LaFeAsO₀.₉F₀.₁ | 26 | Doping electron |
| Hydride | H₃S | 203 | Áp suất cao |
Mỗi nhóm có ưu điểm và thách thức riêng: cuprate dễ gia công dạng băng dẹp nhưng dễ vỡ giòn, pnictide linh hoạt hơn nhưng Tc thấp hơn, hydride Tc cao kỷ lục nhưng đòi hỏi áp suất cực đại. Nghiên cứu tiếp tục nhắm đến vật liệu “phòng” ở áp suất thường và chi phí thấp.
Tính chất điện và từ
Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS) thể hiện hai tính chất chủ yếu: điện trở bằng không (zero resistance) và hiệu ứng Meissner (Meissner effect). Khi nhiệt độ hạ xuống dưới nhiệt độ chuyển pha Tc, điện trở rơi về 0 Ω, cho phép dòng điện xoay chiều và một chiều duy trì mà không tiêu hao năng lượng qua tỏa nhiệt.
Hiệu ứng Meissner là hiện tượng vật liệu đẩy hoàn toàn từ trường ra khỏi khối bên trong khi ở trạng thái siêu dẫn, khác biệt với hiện tượng dẫn điện lý tưởng. Tính chất này được đo bằng độ sâu penetration depth λ(T) và độ dài coherence ξ(T), hai đại lượng quan trọng quyết định tính chất từ của siêu dẫn.
- Độ sâu penetration depth λ(0): khoảng 100–200 nm ở cuprate HTS.
- Độ dài coherence ξ(0): 1–3 nm, rất ngắn so với chất siêu dẫn BCS thông thường.
- Critical fields Hc1 và Hc2: HTS thuộc loại II superconductor, có khoảng ngưỡng từ trường hai pha mixed state giữa Hc1 và Hc2.
| Đại lượng | Cuprate (YBCO) | Pnictide (BaK-122) |
|---|---|---|
| λ(0) (nm) | 150–200 | 200–300 |
| ξ(0) (nm) | 1.5–2 | 2–3 |
| Hc2(0) (T) | 100–120 | 50–80 |
Khoảng mixed state trong HTS thuận lợi cho pinning vortex (đinh vít vortex) bằng cách tạo defect hoặc lòng ống nano, cải thiện khả năng chịu tải dòng tới Jc cao trong ứng dụng nam châm và cáp siêu dẫn.
Ứng dụng tiềm năng
Nam châm siêu dẫn HTS được sử dụng trong máy MRI (Magnetic Resonance Imaging) cho hình ảnh y khoa với từ trường mạnh và đều, cải thiện độ phân giải hình ảnh mà vẫn tiết kiệm năng lượng làm lạnh bằng nitơ lỏng :contentReference[oaicite:0]{index=0}. Ứng dụng trong gia tốc hạt cũng đòi hỏi từ trường cao ổn định để điều khiển chùm hạt.
Cáp siêu dẫn HTS mang dòng điện lớn mà không tổn thất, có thể thay thế cáp đồng truyền thống trong mạng lưới điện đô thị để giảm sụt áp và tăng hiệu quả truyền tải. Hệ thống SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) lưu trữ năng lượng bằng cách duy trì dòng siêu dẫn trong cuộn HTS, đáp ứng nhanh nhu cầu đỉnh tải và hỗ trợ ổn định lưới điện.
- Máy MRI và gia tốc hạt: tận dụng từ trường mạnh, làm mát đơn giản bằng nitơ lỏng.
- Cáp HTS đô thị: giảm tổn thất truyền tải, tiết kiệm diện tích và chi phí vận hành.
- SMES: lưu trữ năng lượng theo chu kỳ nhanh, ứng dụng điều hòa điện áp và tần số.
Xe điện và tàu maglev cũng đang thử nghiệm động cơ HTS để tạo lực đẩy hoặc phanh điện từ, hứa hẹn khả năng vận hành êm, hiệu suất cao và giảm tiếng ồn :contentReference[oaicite:1]{index=1}.
Thách thức và giới hạn
Giá thành sản xuất HTS vẫn cao do nguyên liệu hiếm, quy trình chế tạo phức tạp và chi phí làm lạnh. Nhiệt độ làm việc mặc dù cao hơn so với helium lỏng, nhưng nitơ lỏng vẫn đòi hỏi cơ sở hạ tầng chuyên dụng.
Vật liệu HTS thường ở dạng gốm giòn, khó kéo sợi hoặc đúc thành dây, yêu cầu công nghệ phủ (coated conductors) như MOCVD (Metal–Organic Chemical Vapor Deposition) để tạo lớp HTS mỏng trên bề mặt băng làm nền kim loại :contentReference[oaicite:2]{index=2}.
Độ ổn định cơ học dưới từ trường và dao động nhiệt là thách thức lớn; cần giải pháp pinning vortex tối ưu và gia cố cơ học bằng lõi kim loại hoặc composite để tránh mất siêu dẫn đột ngột (quench).
Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật
Điện trở DC bốn điểm (four-probe) là phương pháp tiêu chuẩn để xác định Tc và đánh giá độ sụt áp. Tán xạ neutron và ARPES (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy) cho phép khảo sát cấu trúc band và phân bố gap siêu dẫn trên Fermi surface :contentReference[oaicite:3]{index=3}.
NMR (Nuclear Magnetic Resonance) và μSR (muon spin rotation) đo dao động spin và mật độ từ trường nội tại, cung cấp thông tin về cơ chế cặp Cooper và tính chất mixed state. Đối với hydride áp suất cao, diamond anvil cell kết hợp laser heating và tán xạ tia X đo cấu trúc nguyên tử dưới áp suất > 150 GPa :contentReference[oaicite:4]{index=4}.
- Four-probe resistivity: xác định Tc chính xác, đo Jc.
- ARPES: phân tích band dispersion và gap symmetry.
- Neutron scattering: khảo sát dao động spin và phonon.
- Diamond anvil cell: tạo áp suất cao, khảo sát hydride siêu dẫn.
Tài liệu tham khảo
- Bednorz J.G., Müller K.A. “Possible high Tc superconductivity in the Ba–La–Cu–O system.” Phys. B – Condens. Matter. 1986;64(2):189–193.
- Pickett W.E. “The electronic structure of cuprate superconductors.” Rev. Mod. Phys. 1989;61:433–512.
- Basov D.N., Timusk T. “Electrodynamics of high‐Tc superconductors.” Rev. Mod. Phys. 2005;77:721–779.
- Norman M.R. “The challenge of unconventional superconductivity.” Science. 2011;332(6026):196–200.
- Drozdov A.P., et al. “Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system.” Nature. 2015;525:73–76.
- National Institute of Standards and Technology. “Superconductivity.” NIST, 2025. https://www.nist.gov/topics/superconductivity.
- Stewart G.R. “Superconductivity in iron compounds.” Rev. Mod. Phys. 2011;83:1589–1652.
- Review of High Temperature Superconductivity. “Materials and Fabrication.” J. Supercond. Nov. Magn. 2008;21(1):1–14.
Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề siêu dẫn nhiệt độ cao:
- 1
- 2
- 3
- 4