Vật lý 11 - Nhiệt điện và Siêu dẫn

Admin Tổng số bài gửi : 815 Join date : 19/10/2011

http://thuvienvatly.com/video/413

Giải thích co o đây: http://360.thuvienvatly.com/bai-viet/lich-su-vat-ly/1407-hanh-trinh-huong-den-dien-tro-bang-khong-phan-1 Hình 1. Một trong những tính chất kì lạ nhất của các chất siêu dẫn là cái xảy ra khi đặt chúng ở gần một từ trường. Ở nhiệt độ cao và cảm ứng từ mạnh (vùng màu xanh), các đường sức từ đi xuyên qua chất liệu đúng như người ta trông đợi. Nhưng như Walther Meissner và Robert Ochsenfeld phát hiện ra vào năm 1933, khi một chất siêu dẫn được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ chuyển pha, TC, nhiệt độ tại đó dòng điện có thể chạy mà không có điện trở, thì các đường sức từ bị đẩy ra khỏi chất liệu và phải đi vòng qua mẫu chất – cái gọi là “hiệu ứng Meissner” (vùng màu vàng). Những chất siêu dẫn nhất định, gọi là “loại II”, có thể tồn tại trong một “trạng thái xoáy” (vùng màu lục), trong đó các vùng con có điện trở và vùng con siêu dẫn đồng thời tồn tại. Các trình diễn thực nghiệm nâng bằng từ luôn luôn sử dụng chất siêu dẫn loại II vì các xoáy từ xoay tròn tại chỗ, làm cho nam châm kế đó cân bằng khi nó lơ lửng. (Ảnh: Yorick van Boheemen)
Trần Triệu Phú 06-04-2012

Admin Tổng số bài gửi : 815 Join date : 19/10/2011

KỈ NIỆM 100 NĂM KHÁM PHÁ RA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN

Paul Michael Grant (Physics World, tháng 4/2011)

Kể từ khi khám phá ra nó cách đây 100 năm trước, kiến thức của chúng ta về sự siêu dẫn đã phát triển qua một chặng đường chẳng êm ái gì cho lắm. Paul Michael Grant giải thích tại sao hiện tượng đẹp đẽ, tao nhã, và sáng giá này tiếp tục ngáng chân và làm tiêu tan hi vọng của các nhà vật lí vật chất ngưng tụ ngày nay.

Trong số những khám phá trong ngành vật lí vật chất ngưng tụ trong thế kỉ thứ 20, một số người có thể gọi sự siêu dẫn là “viên ngọc sáng giá”. Những người khác thì có thể nói rằng vinh dự đúng ra nên thuộc về các chất bán dẫn hoặc sự giải thích cấu trúc của ADN, vì những lợi ích to lớn mà hai khám phá này mang đến cho nhân loại. Nhưng sẽ không ai phủ nhận rằng khi một đội khoa học, đứng đầu là Heike Kamerlingh Onnes tình cờ bắt gặp sự siêu dẫn – sự vắng mặt tuyệt đối của điện trở - tại một phòng thí nghiệm ở thành phố Leiden, Hà Lan, cách nay 100 trước, cộng đồng khoa học đã thật sự bất ngờ. Biết rằng các electron thường dẫn điện không hoàn hảo bởi sự va chạm liên tục với mạng nguyên tử mà chúng đi qua, cho nên thực tế sự dẫn điện còn có khả năng hoàn hảo dưới những điều kiện thích hợp đã – và đang – chắc chắn chẳng hơn gì sự thần kì cả.

Việc khám phá ra sự siêu dẫn là đỉnh điểm của một cuộc chạy đua giữa Onnes và nhà vật lí người Anh James Dewar khi họ cạnh tranh nhau đạt tới nhiệt độ không tuyệt đối, dùng những dụng cụ ngày một phức tạp hơn để hóa lỏng các chất khí. Onnes đã chiến thắng sau khi ông hóa lỏng thành công helium bằng cách làm lạnh nó xuống 4,2 K, nhờ đó ông đã giành giải thưởng Nobel Vật lí năm 1913. (Kỉ lục nhiệt độ thấp hiện nay giữ ở mức 10-15 K, mặc dù, tất nhiên, về mặt nhiệt động lực học, không thể nào đạt tới độ không tuyệt đối) Nhưng các nhà vật lí không chỉ muốn đạt tới nhiệt độ thấp thôi, mà họ còn muốn khai thác nó nữa. Cái khêu gợi trí tò mò của họ nữa là tìm hiểu xem tính chất của các chất liệu, đặc biệt là sự dẫn điện của chúng, thay đổi như thế nào dưới những điều kiện lạnh giá. Năm 1900, nhà vật lí người Đức Paul Drude – dựa trên những phỏng đoán và thí nghiệm của J.J Thomson và Kelvin rằng dòng điện là dòng chảy của những hạt tích điện, nhỏ xíu, rời rạc – đã cho rằng điện trở của các chất dẫn điện có nguyên nhân do những thực thể này phản xạ không đàn hồi khỏi những nguyên tử đang dao động.

Vậy cái gì sẽ xảy ra với điện trở của một kim loại dìm trong helium lỏng mới tạo ra đó? Các nhà vật lí có ba mối ngờ vực chính. Thứ nhất là điện trở sẽ liên tục giảm xuống đến bằng không. Thứ hai là sự dẫn điện sẽ bão hòa ở một giá trị thấp cho trước nào đó vì luôn luôn có một số tạp chất mà các electron bị tán xạ. Tuy nhiên, có lẽ quan điểm phổ biến nhất – được dự đoán bởi bức tranh những quỹ đạo nguyên tử rời rạc, xác định – là các electron cuối cùng sẽ bị bắt giữ, dẫn tới một điện trở vô hạn. Nhưng trước khi một ai đó có câu trả lời chắc chắn, các nhà nghiên cứu cần có một mẫu kim loại rất nguyên chất.

Ảnh: Equinox Graphics/Science Photo Library

Gilles Holst, một trợ lí nghiên cứu trong viện của Onnes tại trường Đại học Leiden, nghĩ rằng có thể thu được một mẫu như thế bằng cách nhỏ giọt nhiều lần thủy ngân lỏng để loại bỏ tạp chất mà người ta biết là sẽ lấn át sự tán xạ ở dưới 10 K. Phòng thí nghiệm Leiden có rất nhiều kinh nghiệm trong việc chế tạo điện trở thủy ngân dùng làm nhiệt kế, và Holst đề xuất chứa thủy ngân trong một ống mao dẫn để giữ cho nó càng tinh khiết càng tốt trước khi dìm nó trong một mẫu helium lỏng. Và thế là vào tháng 4 năm 2011 (ngày tháng chính xác thì cho đến nay chẳng ai rõ, vì sổ sách ghi ghép của Onnes vốn không rõ ràng và lộn xộn), Holst và kĩ thuật viên phòng thí nghiệm của ông Gerrit Flim đã phát hiện thấy điện trở của thủy ngân lỏng, khi được làm lạnh xuống tới 4,2 K, đạt tới một giá trị nhỏ đến mức không thể nào đo được. Hiện tượng này – sự vắng mặt hoàn toàn của điện trở - là dấu hiệu xác nhận của sự siêu dẫn. Trớ trêu thay, giá như đội Leiden quấn một mẫu chì hay hợp kim đặt xung quanh phòng thí nghiệm trên – thay vì sử dụng thủy ngân – thì công việc của họ có lẽ đã nhẹ nhàng hơn nhiều, vì chì trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn nhiều – 7,2 K. Thật vậy, ba năm sau đó, theo đề xuất của Paul Ehrenfest, các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Leiden đã có thể tạo ra và đo những dòng điện “bền bỉ” (chúng có thể tồn tại trong một tỉ năm) trong một mẫu vòng chì đơn giản.

Vinh quang lịch sử rằng Onnes là người duy nhất khám phá ra cái ông gọi là "supra-conduction", theo quan điểm của tôi là sai lầm. (Nơi công trình được công bố đầu tiên khó tìm ra, mặc dù bản báo cáo đầu tiên viết bằng tiếng Anh là trên tạp chí Hà Lan Thông tin từ Phòng thí nghiệm Vật lí tại trường Đại học Leiden (120b 1911) Rõ ràng, khám phá trên sẽ không xảy ra nếu không có Onnes, nhưng việc công bố kết quả mà không có các đồng sự của ông làm đồng tác giả là cái ngày nay chúng ta không thể nào hiểu nổi. Ở mức tối thiểu thì công bố trên phải được đứng tên của Onnes và Holst. Như lịch sử cho thấy, cuộc sống đã bù đắp cho Holst, ông trở thành giám đốc sáng lập của Phòng Nghiên cứu Philips ở Eindhoven và là một giáo sư danh tiếng tại Leiden. Nhưng điều đó không có nghĩa là ông và những người khác nữa bị lãng quên khi chúng ta kỉ niệm tròn một thế kỉ khám phá ra sự siêu dẫn.

Học cách phân loại siêu dẫn

Sau khám phá năm 1911, nghiên cứu về sự siêu dẫn đã giẫm chân tại chỗ trong vài thập kỉ, chủ yếu là vì việc xây dựng phòng thí nghiệm giống như cơ sở Leiden là khó khăn và tốn kém. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng không tiến bộ vì trạng thái điện trở bằng không biến mất quá dễ dàng khi mẫu đặt trong một từ trường dù là khá khiêm tốn. Vấn đề là đa số các chất siêu dẫn buổi đầu là những kim loại đơn giản – hay chất siêu dẫn “loại I” như người ta thường gọi – trong đó trạng thái siêu dẫn chỉ tồn tại bên trong bề mặt chừng một micron của chúng. Onnes và những người khác nữa lập tức nhận ra giấc mơ biến chúng thành chất dẫn điện “bình thường”, khi đó sự siêu dẫn có thể làm cách mạng hóa mạng lưới điện bởi sự cho phép dòng điện truyền đi mà không bị tổn thất điện năng.

Tuy nhiên, những phòng thí nghiệm khác ở châu Âu – và sau đó ở Bắc Mĩ nữa – cuối cùng đã bắt đầu phát triển những cơ sở đông lạnh helium lỏng của riêng họ, và sự độc quyền tại Leiden từ từ bị phá vỡ, sự hứng thú và tiến bộ trong nghiên cứu siêu dẫn dần lấy lại phong độ. Năm 1933, Walther Meissner và Robert Ochsenfeld quan sát thấy mọi từ trường ở gần một chất liệu siêu dẫn đều bị đẩy ra khỏi mẫu hoàn toàn một khi nó được làm lạnh xuống dưới “nhiệt độ chuyển tiếp”, TC, nhiệt độ tại đó nó mất toàn bộ điện trở. Các đường sức từ, trong những trường hợp bình thường sẽ đi xuyên qua chất liệu, giờ phải chạy vòng quanh chất siêu dẫn (hình 1). Kết quả này, xuất hiện hoàn toàn bất ngờ, không bao lâu sau đó được tiếp nối thêm bởi quan sát của Willem Keesom và J Kok thấy đạo hàm của nhiệt đặc trưng của một chất siêu dẫn nhảy bước đột ngột khi chất liệu được làm lạnh xuống dưới TC. Ngày nay, việc quan sát thấy cả hai hiệu ứng kì lạ này – “sự nghịch từ” và “dị thường nhiệt đặc trưng bậc hai” – là tiêu chuẩn vàng để chứng minh sự tồn tại của sự siêu dẫn. (Thật ra, theo sử sách thì phép đo thứ hai vừa nói được thực hiện bởi vợ của Keesom, người khi ấy cũng là một nhà vật lí nhưng chưa có tên tuổi gì).

Vật lý 11 - Nhiệt điện và Siêu dẫn Dow2

Hình 1. Một trong những tính chất kì lạ nhất của các chất siêu dẫn là cái xảy ra khi đặt chúng ở gần một từ trường. Ở nhiệt độ cao và cảm ứng từ mạnh (vùng màu xanh), các đường sức từ đi xuyên qua chất liệu đúng như người ta trông đợi. Nhưng như Walther Meissner và Robert Ochsenfeld phát hiện ra vào năm 1933, khi một chất siêu dẫn được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ chuyển pha, TC, nhiệt độ tại đó dòng điện có thể chạy mà không có điện trở, thì các đường sức từ bị đẩy ra khỏi chất liệu và phải đi vòng qua mẫu chất – cái gọi là “hiệu ứng Meissner” (vùng màu vàng). Những chất siêu dẫn nhất định, gọi là “loại II”, có thể tồn tại trong một “trạng thái xoáy” (vùng màu lục), trong đó các vùng con có điện trở và vùng con siêu dẫn đồng thời tồn tại. Các trình diễn thực nghiệm nâng bằng từ luôn luôn sử dụng chất siêu dẫn loại II vì các xoáy từ xoay tròn tại chỗ, làm cho nam châm kế đó cân bằng khi nó lơ lửng. (Ảnh: Yorick van Boheemen)

Những năm giữa thập niên 1930 đã chứng kiến sự khám phá của Lev Shubnikov về sự siêu dẫn ở các hợp kim – những chất liệu trong đó từ trường tới hạn (trên giá trị đó sự siêu dẫn biến mất) cao hơn nhiều so với ở những kim loại nguyên chất đơn giản. Nghiên cứu thực nghiệm và lí thuyết của những hợp kim này – đặt tên là “loại II” – nhanh chóng lấn át nghiên cứu về sự siêu dẫn, đặc biệt ở Liên Xô, dưới sự lãnh đạo của Pyotr Kapitsa, Lev Landau và Shubnikov. (Shubnikov là người Do Thái, ông bị lực lượng đặc nhiệm tống vào tù vào năm 1937 trong chiến dịch thanh lọc của Stalin, và sau đó được phóng thích vào năm 1945). Những nỗ lực lí thuyết của người Xô Viết về cơ học thống kê của sự siêu dẫn – và hiện tượng siêu chảy có liên quan – tiếp tục diễn ra trong suốt Thế chiến thứ hai và Chiến tranh lạnh, chủ yếu dưới sự chỉ đạo của Vitaly Ginzburg, Alexei Abrikosov và Lev Gor'kov. Mặc dù phần lớn kết quả của họ trong thời kì ấy không được phương Tây biết đến, nhưng mô hình Ginzburg–Landau–Abrikosov–Gor'kov, hay "GLAG", đã đặt nền tảng cho mọi ứng dụng thực tiễn của sự siêu dẫn. Mô hình trên thật hữu ích vì nó mang tính kinh nghiệm và nhiệt động lực học trong tự nhiên, và do đó không phụ thuộc vào cơ sở vật lí vi mô lát đường cho một chuyển tiếp pha bậc hai đặc biệt, cho dù là từ tính, tính siêu chảy hay siêu dẫn.

KỈ NIỆM 100 NĂM KHÁM PHÁ RA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN

Paul Michael Grant (Physics World, tháng 4/2011)

Kể từ khi khám phá ra nó cách đây 100 năm trước, kiến thức của chúng ta về sự siêu dẫn đã phát triển qua một chặng đường chẳng êm ái gì cho lắm. Paul Michael Grant giải thích tại sao hiện tượng đẹp đẽ, tao nhã, và sáng giá này tiếp tục ngáng chân và làm tiêu tan hi vọng của các nhà vật lí vật chất ngưng tụ ngày nay.

>> Xem Phần 1

Tiến tới lí thuyết BCS

Tiến bộ trong việc làm sáng tỏ lí thuyết cơ sở của sự siêu dẫn diễn ra chậm chạp hơn. Năm 1935, Fritz và Heinz London đề xuất một “điều chỉnh” mang tính hiện tượng học cho các phương trình thành phần Maxwell để mang lại khái niệm “chiều sâu xâm nhập” của từ trường bên ngoài đặt vào bề mặt chất siêu dẫn. Tuy nhiên, mãi cho đến giữa thập niên 1950 thì mạng lưới lí thuyết xung quanh sự siêu dẫn cuối cùng mới được làm sáng tỏ, có những nỗ lực đơm hoa kết trái do một số nhà vật lí xuất sắc nhất của thế kỉ 20 xây dựng, trong đó có Dirac, Einstein, Feynman và Pauli. Thành tựu này cuối cùng đã đạt tới được bởi John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer, đưa tới cái ngày nay gọi là lí thuyết BCS, nhờ đó bộ ba tác giả đã cùng chia sẻ Giải thưởng Nobel Vật lí năm 1972. Một phát triển quan trọng là sự xác định của Cooper rằng một chất khí electron là không bền trong sự có mặt của mọi tương tác hút dù là rất nhỏ, dẫn tới các electron ghép cặp lại với nhau. Bardeen cùng người học trò của ông, Schrieffer, khi đó nhận ra rằng trạng thái lượng tử thu được phải có bản chất vĩ mô và thống kê.

Nhưng tương tác hút đó từ đâu mà có? Vào năm 1950, Emanuel Maxwell ở Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Mĩ lưu ý rằng nhiệt độ chuyển pha của thủy ngân bị dịch chuyển tùy thuộc vào các đồng vị của nó được sử dụng trong mẫu chất nhất định, cho thấy trong sự siêu dẫn có liên quan đến những dao động mạng, hay “phonon”. Lí thuyết BCS chứng minh, cho trước những điều kiện thích hợp, rằng những dao động này – chúng thường là nguyên nhân gây ra điện trở bên trong của kim loại – có thể mang lại tương tác hút cho phép một chất liệu dẫn mà không có điện trở.

Khá đơn giản, lí thuyết BCS được xếp là một trong những thành tựu tao nhã nhất của ngành vật lí vật chất ngưng tụ. Nói chung, nó mô tả sự ghép cặp của hai fermion trung chuyển bởi một trường boson: mọi fermion, ghép bởi mọi boson. Tất cả những chất siêu dẫn đã biết đều tuân theo công thức chung mà lí thuyết BCS đưa ra, dạng cơ bản của nó là một biểu thức hết sức đơn giản: Tc _ Θ/e1/λ, trong đó Tc là nhiệt độ chuyển pha, hay nhiệt độ tới hạn, nhiệt độ mà dưới đó một chất liệu trở nên siêu dẫn, Θ là nhiệt độ đặc trưng của trường boson (nhiệt độ Debye nếu nó gồm các phonon), và λ là hằng số kết hợp của trường đó với các fermion (electron và/hoặc lỗ trống trong chất rắn). Một chất liệu có giá trị λ lớn thường là một ứng cử viên tốt dùng làm chất siêu dẫn, cho dù – hơi phản trực giác một chút - nó là một kim loại “nghèo” dưới những điều kiện bình thường với những electron liên tục bị nảy khỏi mạng tinh thể đang dao động. Điều này giải thích tại sao sodium (natri), vàng, bạc và đồng, mặc dù là những kim loại tốt, nhưng lại không phải Chất siêu dẫn, trong khi chì thì lại siêu dẫn (hình 2).

Tuy nhiên, BCS là một sự mô tả và định tính, chứ không định lượng. Không giống như các phương trình Newton hoặc Maxwell hoặc cơ sở của lí thuyết dải khe năng lượng của chất bán dẫn, cái mà với đó các nhà nghiên cứu có thể thiết kế ra những cầu nối, mạch điện và chip máy tính, và dám quả quyết chúng sẽ hoạt động như thế nào, lí thuyết BCS rất tệ ở việc chỉ ra nên dùng những chất liệu nào hoặc làm sao chế tạo ra những chất siêu dẫn mới. Nói chung, khám phá ra sự siêu dẫn là một thành tựu trí tuệ, đúng như lời nhà vật lí gốc Đức Berndt Matthias đã nói, “BCS cho chúng ta biết mọi thứ, nhưng chẳng tìm thấy cho chúng ta cái gì cả”.

Vật lý 11 - Nhiệt điện và Siêu dẫn Dow3

Hình 2. Hơn 100 năm qua, ngày càng có nhiều nguyên tố trong bảng tuần hoàn hóa học được tìm thấy là có tính siêu dẫn. Bảng trên thể hiện những nguyên tố siêu dẫn ở áp suất tùy ý (tô màu vàng/cam), và những nguyên tố chỉ siêu dẫn ở áp suất cao (tô màu tím). Ảnh: Stephen Blundell (Trích, Tìm hiểu Sự siêu dẫn, 2009, NXB Đại học Oxford)

Những bước ngoặc muộn sau này

Sau sự phát triển của lí thuyết BCS, một trong những bước ngoặc về nghiên cứu siêu dẫn là dự đoán năm 1962 của Brian Josephson tại trường Đại học Cambridge ở Anh quốc rằng một dòng điện có thể chui hầm qua giữa hai chất siêu dẫn phân cách nhau bởi một lớp cách điện mỏng hoặc một hàng rào kim loại bình thường. Hiện tượng này, ngày nay gọi là hiệu ứng Josephson, lần đầu tiên được quan sát thấy vào năm sau đó bởi John Rowell và Philip Anderson ở phòng thí nghiệm Bell, và đã mang lại sự phát triển của dụng cụ giao thoa lượng tử siêu dẫn, hay SQUID, dụng cụ có thể đo những từ trường rất nhỏ và đồng thời mang lại một chuẩn điện áp dễ dàng nhân bản dùng cho các phòng thí nghiệm đo lường trên khắp thế giới.

Tuy nhiên, với bước ngoặc tiếp theo trong nghiên cứu siêu dẫn, chúng ta phải chờ thêm hơn hai thập kỉ nữa, cho đến sự quan sát tình cờ của Georg Bednorz và Alex Müller thấy điện trở bằng không tại những nhiệt độ cao hơn 30 K ở hợp chất đồng oxide phân lớp. Sự khám phá ra “chất siêu dẫn nhiệt độ cao” của họ tại phòng thí nghiệm Zurich của hãng IBM vào năm 1986 không chỉ mang về cho cặp đôi tác giả giải thưởng Nobel Vật lí năm 1987, mà còn gây ra một làn sóng bùng nổ nghiên cứu trong lĩnh vực trên. Trong vòng một năm, M K Wu, Paul Chu, cùng những cộng sự của họ, tại các trường Đại học Houston và Alabama đã phát hiện thấy hợp chất yttrium–barium–đồng-oxide – YBa2Cu3O6.97, còn gọi là YBCO, mặc dù lượng pháp chính xác lúc đó còn chưa rõ – có thể siêu dẫn ở nhiệt độ đến 93 K. Vì nhiệt độ này cao hơn 16 K so với điểm sôi của nitrogen lỏng, cho nên việc khám phá ra những chất liệu này cho phép các nhà nghiên cứu lần đầu tiên khảo sát những ứng dụng của sự siêu dẫn bằng cách sử dụng một chất đông lạnh thông dụng và rẻ tiền. Kỉ lục nhiệt độ chuyển pha đã được chứng minh là ở 138 K với chất HgBa2Ca2Cu3O8+d ở áp suất bất kì (hoặc 166 K dưới áp suất 23 GPa).

Với Bednorz và Müller khăn gói lên đường sang Stockholm nhận giải Nobel cho nghiên cứu của họ về sự siêu dẫn, đây đúng là thời khắc tuyệt vời đối với những ai đang nghiên cứu trong lĩnh vực trên. Đúng là đã có hàng nghìn bài báo về sự siêu dẫn được công bố trong năm đó, cùng với phần lễ ăn mừng thâu đêm, nay đã trở thành huyền thoại, diễn ra tại cuộc họp tháng 3 năm 1987 của Hội Vật lí Mĩ ở thành phố New York nay được đặt tên là “Woodstock của ngành vật lí”, tại đó những người tham gia, trong đó có tôi, đã có một đêm quậy tưng bừng, khó quên.

Công nghệ đi trước thời đại của nó

Song song với những tiến bộ này trong ngành khoa học siêu dẫn là vô số những nỗ lực nhằm áp dụng hiện tượng trên để cải tiến công nghệ cũ và sáng tạo ra những công nghệ mới – chúng phong phú đủ loại, từ cái rất nhỏ (dùng cho máy vi tính cực nhanh) cho đến cái rất lớn (dùng cho phát điện). Thật vậy, thời kì từ thập niên 1970 đến giữa thập niên 1980 đã chứng kiến một số minh chứng kĩ thuật khá thành công của sự áp dụng siêu dẫn ở Mĩ, châu Âu và Nhật Bản. Trong lĩnh vực năng lượng, có lẽ nổi trội nhất là sự phát triển giữa năm 1975 và 1985 của một đường cáp điện xoay chiều siêu dẫn tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở Mĩ, do Bộ Năng lượng Mĩ và Công ti Điện lực Philadelphia tài trợ. Thôi thúc trước viễn cảnh những cụm lớn các nhà máy điện hạt nhân đòi hỏi khả năng truyền tải lớn để phân phối điện năng phát ra của chúng, dây cáp siêu dẫn đã thu hút rất nhiều sự chú ý. Mặc dù tuyến cáp hoạt động, nhưng thật đáng tiếc, hóa ra nó không cần thiết khi mà nước Mĩ tiếp tục đốt than đá và bắt đầu chuyển sang đốt khí thiên nhiên. Tương tự như vậy, ở Nhật Bản, nhiều công ti đã triển khai minh chứng của các tuyến cáp điện, máy phát điện, và máy biến áp siêu dẫn, tất cả chúng đều tỏ ra thành công nếu nhìn từ quan điểm kĩ thuật. Những dự án này được sự ủng hộ của chính phủ Nhật Bản, vì lúc ấy nước này chịu sự áp lực lớn về nhu cầu điện năng do sự bùng nổ dân số. Tuy nhiên, những dự án đó đã không thành hiện thực, và tôi biết không có dự án minh chứng siêu dẫn quan trọng nào ở Nhật Bản ngày nay, ngoại trừ tuyến đường thử nghiệm lực nâng từ Yamanashi hoạt động hồi giữa những năm 1970, sử dụng chất siêu dẫn niobium–titanium.

Năm 1996, tôi có công bố một bài báo mang tựa đề “Sự siêu dẫn và sự cấp điện: hứa hẹn, hứa hẹn... quá khứ, hiện tại và tương lai” (IEEE Trans. Appl. Supercond. 7 1053), trong đó tôi đã nhìn thấy trước một tương lai sáng sủa cho sự siêu dẫn nhiệt độ cao. Một số lượng lớn các minh chứng thiết bị điện thành công đã xuất hiện sau đó, với nhiều công ti phát triển cáp điện, máy phát điện, máy điều điện (máy biến áp và ổn áp) siêu dẫn, tất cả chúng đều tỏ ra thành công. Mặc dù một số trong những minh chứng này đã được biến thành những sản phẩm hoạt động được, nhưng có rất nhiều công nghệ siêu dẫn tiên tiến hiện vẫn đang nằm trên giá chờ tương lai đến, nếu như cần thiết. Thật đáng tiếc, cho đến nay nó chẳng có nhiều tác động gì lên ngành công nghiệp điện, lĩnh vực chịu sự chi phối lớn bởi chính trị và sự thông qua công chúng vì nó là công nghệ thiết yếu với cuộc sống hàng ngày. Trái lại, với ngành công nghiệp điện tử, thì giá thành và hiệu quả - thí dụ như của laptop hay điện thoại thông minh đời mới nhất – là tất cả.

Một câu chuyện có phần tương tự đi cùng với việc áp dụng sự siêu dẫn cho điện tử học, một thí dụ tuyệt vời là việc các máy vi tính hoạt động trên “tiếp xúc Josephson”, cái hứa hẹn mang lại tốc độ CPU nhanh hơn, tiêu hao nhiệt ít hơn so với công nghệ silicon lưỡng cực đã thống trị từ thập niên 1960 cho đến đầu thập niên 1980. Hãng IBM và chính phủ Nhật Bản đã đánh cược nhiều vào sự thành công của nó, vì nó đã thành công ở góc độ kĩ thuật, nhưng nó đã bị lu mờ trước sự xuất hiện của transistor hiệu ứng trường kim loại oxide-silicon (MOSFET), cái đáp ứng cả hai mục tiêu và không cần nhiệt độ đông lạnh.

KỈ NIỆM 100 NĂM KHÁM PHÁ RA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN

Paul Michael Grant (Physics World, tháng 4/2011)

Kể từ khi khám phá ra nó cách đây 100 năm trước, kiến thức của chúng ta về sự siêu dẫn đã phát triển qua một chặng đường chẳng êm ái gì cho lắm. Paul Michael Grant giải thích tại sao hiện tượng đẹp đẽ, tao nhã, và sáng giá này tiếp tục ngáng chân và làm tiêu tan hi vọng của các nhà vật lí vật chất ngưng tụ ngày nay.

>> Xem Phần 1
>> Xem Phần 2

Làm lạnh mẫu chất

Tháng 1 năm 2001, đúng một năm sau bình minh của thiên niên kỉ mới, Jun Akimitsu thuộc trường Đại học Aoyama-Gakuin ở Nhật Bản đã công bố tại một hội nghị về các oxide kim loại chuyển tiếp việc khám phá ra sự siêu dẫn ở magnesium diboride (MgB2) – một chất liệu đã được tổng hợp thành công lần đầu tiên gần 50 trước đó tại Viện Công nghệ California. Thật ra, Akimitsu và các đồng nghiệp đang tìm kiếm một cái khác – sự phản sắt từ - trong chất liệu này, nhưng bất ngờ tìm thấy MgB2, chất có cấu trúc xếp lớp lục giác và có thể chế tạo ở dạng vi tinh thể, trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ cao bất ngờ là 39 K. Khám phá trên đã thôi thúc nhiều nhà nghiên cứu khác bắt tay vào khảo sát chất liệu đơn giản này và, trong thập kỉ vừa qua, các dây MgB2 hiệu suất cao đã được người ta chế tạo ra. Thật vậy, MgB2 có từ trường tới hạn (giá trị mà trên đó sự siêu dẫn loại II biến mất) cao nhất trong bất kì chất liệu nào, trừ YBCO, với những tính toán cho thấy nó vẫn là chất siêu dẫn ở 4,2 K ngay cả khi chịu sự tác động của từ trường khủng khiếp cường độ 200 T.

Vật lý 11 - Nhiệt điện và Siêu dẫn Dow4

Hình 3. Các chất siêu dẫn có thể tìm thấy trong mọi loại ứng dụng, một trong những ứng dụng nổi tiếngnhaats là trong các nam châm lưỡng cực tại Máy Va chạm Hadron Lớn ở CERN. Cỗ máy va chạm trên có 1232 nam châm như vậy, mỗi nam châm dài 15 m, gồm những cuộn dây niobium–titanium siêu dẫn được làm lạnh xuống tới 1,9 K bằng helium lỏng. Mang dòng điện 13.000 A, những nam châm này tạo ra từ trường cực cao có cường độ 8,3 T, giúp lái các proton đi vòng quanh cỗ máy va chạm chu vi đến 27 km. (Ảnh: CERN)

Tuy nhiên, còn có một bước ngoặc thú vị trong câu chuyện trên. Năm 1957, các nhà hóa học Robinson Swift và David White tại trường Đại học Syracuse ở New York đã đo nhiệt đặc trưng mạng của MgB2 giữ 18 K và 305 K để xem nó có phụ thuộc vào bình phương của nhiệt độ giống như những cấu trúc phân lớp khác hay không. Kết quả của họ, cho thấy không có sự phụ thuộc vào T2, được công bố trên Tạp chí của Hội Hóa học Mĩ, không thể hiện bằng đồ thị mà thể hiện bằng biểu bảng. Khi dữ liệu của họ được phân tích lại sau sự công bố hồi năm 2001 của Akimitsu và vẽ ở dạng đồ thị, Paul Canfield và Sergei Bud'ko tại trường Đại học Bang Iowa (cũng như tác giả bài viết này, làm việc độc lập nhau), bất ngờ tìm thấy một dị thường nhiệt đặc trưng nhỏ ở gần 38-39 K, cho thấy sự bắt đầu của sự siêu dẫn.

Câu hỏi đặt ra như sau: nếu như các nhà hóa học Syracuse vẽ đồ thị dữ liệu của họ và trình bày nó trước các đồng nghiệp vật lí, thì phải chăng lịch sử của sự siêu dẫn từ giữa thế kỉ 20 đã phát triển theo một lộ trình khác? Theo tôi, có khả năng là mọi kim loại chuyển tiếp niobium, thí dụ như các hợp kim niobium–titanium dùng trong các nam châm siêu dẫn tại Máy Va chạm Hadron Lớn của CERN, sẽ không bao giờ cần thiết, hoặc thậm chí được phát triển đầy đủ (hình 3). Các nam châm từ trường cao sẽ được chế tạo từ MgB2 và có lẽ cả những dây cáp điện siêu dẫn và động cơ quay chế tạo từ chất liệu bình thường này đã được sử dụng ngày nay.

Bài học rút ra thật rõ ràng: nếu bạn nghĩ bạn có một kim loại mới (hoặc cũ) có những tính chất cấu trúc hoặc hóa tính khác thường, như cái Holst, Bednorz và Akimitsu đã làm – bạn hãy làm lạnh nó. Thật vậy, Claude Michel và Bernard Raveau tại trường Đại học Caen ở Pháp đã chế tạo 123 hợp chất đồng oxide trước Chu đến bốn năm, nhưng vì không có thiết bị đông lạnh trong phòng thí nghiệm của họ - và vì do nhận thấy khó mà có được quyền sử dụng những cơ sở khác trong hệ thống ủy ban nghiên cứu quốc gia Pháp – nên họ đã bỏ lỡ cơ hội tự thực hiện các khám phá.

Sự siêu dẫn được xếp vào một trong những cái tối hậu về cái đẹp, tao nhã, và sâu sắc, cả về lí thuyết lẫn thực nghiệm, trong số mọi tiến bộ trong ngành vật lí vật chất ngưng tụ trong thế kỉ 20, mặc dù cho đến nay người ta chỉ tìm thấy vài ba ứng dụng có sự thâm nhập vào cuộc sống. Tuy nhiên, khuôn khổ BVS nền tảng của sự siêu dẫn dường như đã chạm sâu sâu vào phần lõi bên trong của các sao neutron, với sự ghép cặp của các quark fermion tính trong một trường gluon boson tính đang chịu nhiệt độ chuyển tiếp trong ngưỡng 109 K. Một thế kỉ sau Leiden, nói theo lời của Ella Fitzgerald thì “Bạn còn có thể đòi hỏi gì nữa chứ?’

-Hết-

Paul Michael Grant (W2AGZ Technologies, San Jose, California, Mĩ)

>> Phần 1: http://360.thuvienvatly.com/bai-viet/lich-su-vat-ly/1407-hanh-trinh-huong-den-dien-tro-bang-khong-phan-1

>> Phần 2: http://360.thuvienvatly.com/bai-viet/lich-su-vat-ly/1408-hanh-trinh-huong-den-dien-tro-bang-khong-phan-2

>> Phần 3: http://360.thuvienvatly.com/bai-viet/lich-su-vat-ly/1409-hanh-trinh-huong-den-dien-tro-bang-khong-phan-3

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Admin Tổng số bài gửi : 815 Join date : 19/10/2011

Những mốc son lịch sử trong nghiên cứu siêu dẫn

Viết bởi 123physics
Thứ bảy, 09 Tháng 4 2011 22:04
10/10 - 1511 lượt đọc (Được đọc nhiều)
1908 – 1911: Heike Kamerlingh Onnes giành phần thắng trong cuộc đua với James Dewar hóa lỏng helium (1908), sau đó phát hiện ra điện trở bằng không ở thủy ngân cùng với Gilles Holst (1911).

1913: Heike Kamerlingh Onnes giành giải Nobel Vật lí.

1931: Wander Johannes de Haas và Willem Keesom phát hiện ra sự siêu dẫn ở một hợp kim.

1933: Walther Meissner và Robert Ochsenfeld phát hiện thấy từ trường bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn. “Hiệu ứng Meissner” này có nghĩa là chất siêu dẫn có thể được nâng lên trên các nam châm.

1935: Brothers Fritz và Heinz London thực hiện một cú đột phá lí thuyết được trông đợi từ lâu, thiết lập hai phương trình cố gắng mô tả cách thức các chất siêu dẫn tương tác với trường điện từ.

1957: John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer công bố lí thuyết (BCS) của họ, lí thuyết xây dựng trên ý tưởng về những cặp Cooper đã đề xuất trước đó, và mô tả tất cả các electron dưới một hàm sóng chung. Lí thuyết BCS dự đoán rằng sự siêu dẫn không thể xảy ra ở nhiệt độ hơn 20 K nhiều được.

1962: Brian Josephson dự đoán rằng dòng điện sẽ đi qua giữa hai chất siêu dẫn cách nhau bởi một hàng rào cách điện. Hai “tiếp xúc Josephson” như thế này quấn song song nhau tạo thành một dụng cụ giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID), dụng cụ có thể đo những từ trường rất yếu.

1962: Lev Landau nhận Giải Nobel Vật lí.

1972: Brian Josephson nhận Giải Nobel Vật lí.

1973: John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer nhận Giải Nobel Vật lí.

1981: Klaus Bechgaard và các đồng nghiệp tìm thấy sự siêu dẫn ở một chất muối – chất hữu cơ đầu tiên siêu dẫn ở một áp suất tùy ý. Cho đến nay, chất siêu dẫn hữu cơ có nhiệt độ TC cao nhất là Cs3C60 ở 38 K.

1986: Georg Bednorz và Alexander Muller tìm thấy sự siêu dẫn ở 30 K, cao hơn giới hạn 20 K của lí thuyết BCS, và không thấy ở kim loại mà ở ceramic.

1987: Paul Chu và đội của ông phá vỡ rào cản nitrogen lỏng 77 K và phát hiện thấy sự siêu dẫn ở 93 K trong một hợp chất gồm yttrium, barium, đồng và oxygen, ngày nay gọi là “YBCO”.

1987: Georg Bednorz và Alexander Muller nhận Giải Nobel Vật lí.

2001: Jun Akimitsu công bố rằng hóa chất đơn giản và rẻ tiền magnesium diboride (MgB2) siêu dẫn ở nhiệt độ tới 39 K.

2003: Alexei Abrikosov và Vitaly Ginzburg nhận Giải Nobel Vật lí.

2006: Hideo Hosono và các đồng nghiệp phát hiện thấy sự siêu dẫn ở một hợp chất chứa sắt. Nhiệt độ Tc cao nhất tìm thấy ở những chất liệu này cho đến nay là 55 K.

Theo Physics World, tháng 4/2011

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Tags:Hiện Tượng Siêu Dẫnlịch Sử Nghiên Cứu Siêu Dẫnlịch Sử Vật Lí

Admin Tổng số bài gửi : 815 Join date : 19/10/2011

Công bố lí thuyết hoàn chỉnh cho sự siêu dẫn Loại 1.5

Viết bởi KaDick
Thứ ba, 25 Tháng 10 2011 18:10
9.9/10 - 669 lượt đọc
Trong năm kỉ niệm lần thứ 100 sự kiện khám phá ra hiện tượng siêu dẫn, các nhà vật lí tại trường Đại học Massachusetts Amherts và Viện Công nghệ Hoàng gia Thụy Điển vừa công bố một lí thuyết hoàn toàn nhất quán của loại hành trạng siêu dẫn mới, Loại 1.5, trong số ra tháng này của tạp chí Physical Review B.

Trong ba bài báo, các tác giả báo cáo về những nghiên cứu chi tiết của họ cho thấy trạng thái siêu dẫn Loại 1.5 thật sự là có thể ở một họ chất liệu gọi là chất siêu dẫn đa dải.

Trong những năm qua, đa số các nhà vật lí tin rằng sự siêu dẫn phải là Loại I hoặc Loại II. Sự siêu dẫn Loại 1.5 là đề tài gây tranh cãi mạnh mẽ vì cho đến nay chưa có lí thuyết nào liên hệ cơ sở vật lí đó với những tính chất cấp độ micro của những chất liệu thực tế - theo lời của Egor Babaev thuộc UMass Amherst, hiện là một viện sĩ tại viện công nghệ ở Stockholm, cùng Mikhail Silaev, một nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại đó.

Những bài báo mới của họ cung cấp một khuôn khổ lí thuyết cho phép các nhà khoa học tính ra những điều kiện cần thiết cho sự xuất hiện của sự siêu dẫn Loại 1.5, trường hợp biểu hiện các đặc trưng của Loại I lẫn Loại II mà trước đây người ta nghĩ là trái ngược nhau.

Siêu dòng của hai loại electron siêu dẫn (các mũi tên thể hiện vận tốc của chúng) tính toán trên siêu máy tính. Hình 2 thể hiện siêu dòng của một bộ phận electron khác trên bề mặt của một đám xoáy. Ảnh: Egor Babaev.

Sự siêu dẫn là một trạng thái trong đó điện tích chảy đi mà không bị cản trở. Ở Loại I và Loại II, kiểu dòng điện tích khác nhau hoàn toàn. Loại I, phát hiện ra vào năm 1911, có hai tính chất xác định trạng thái: Mất điện trở và thực tế nó không cho phép một từ trường ngoài đi qua nó. Khi tác dụng một từ trường ngoài lên những chất liệu này, các electron siêu dẫn tạo ra một dòng điện mạnh trên bề mặt, thành ra tạo ra một từ trường theo hướng ngược lại. Bên trong loại chất siêu dẫn này, từ trường ngoài và từ trường tạo bởi dòng electron bề mặt cộng lại bằng không. Nghĩa là chúng triệt tiêu lẫn nhau.

Sự siêu dẫn Loại II được tiên đoán là tồn tại bởi một nhà vật lí lí thuyết người Nga cho rằng sẽ có những chất liệu siêu dẫn trong đó một dòng electron siêu dẫn phức tạp có thể đi sâu vào bên trong chất. Ở chất liệu Loại II, một từ trường có thể dần dần xâm nhập, mang bởi những xoáy giống như những tornado điện tử nhỏ xíu, Babaev giải thích. Những nghiên cứu kết hợp mô tả lí thuyết sự siêu dẫn Loại I và Loại II đã giành Giải Nobel Vật lý năm 2003.

Siêu dòng của hai loại electron siêu dẫn (các mũi tên thể hiện vận tốc của chúng) tính toán trên siêu máy tính. Hình 1 thể hiện loại siêu dòng đầu tiên tạo ra các xoáy. Ảnh: Egor Babaev.

Việc phân loại các chất siêu dẫn theo kiểu như vậy hóa ra là rất tốt: Toàn bộ các chất liệu siêu dẫn khám phá ra trong nửa thế kỉ vừa qua đều có thể xếp vào một trong hai loại, Babaev nói. Nhưng ông tin rằng phải tồn tại một trong trạng thái không xếp vào loại nào hết: Loại 1.5. Với việc thiết lập cơ sở lí thuyết cho các chất siêu dẫn, ông đã dự đoán rằng ở một số chất, các electron siêu dẫn có thể xếp vào hai loại hay hai tập con cạnh tranh nhau, một loại hành xử giống như các electron ở chất liệu Loại I, loại kia hành xử giống như các electron ở chất liệu Loại II.

Babaev cho biết các chất siêu dẫn Loại 1.5 sẽ tạo ra cái tựa như một bánh phó mát Thụy Sĩ siêu đều, với những đám giọt xoáy sít nhau của hai loại electron: một loại bó lại với nhau, còn loại thứ hai chảy trên bề mặt của các đám xoáy theo kiểu giống như cách các electron chảy ở bên ngoài của chất siêu dẫn Loại I. Những đám xoáy này cách nhau bởi những “khoảng trống” không có xoáy, không có dòng điện và không có từ trường.

Phản biện chính do những người hoài nghi nêu ra là về cơ bản chỉ có một loại electron, nên thật khó chấp nhận rằng hai loại tập hợp electron siêu dẫn có tồn tại với những hành trạng khác nhau kịch tính như vậy.

Để trả lời câu hỏi này, Silaev và Babaev đã phát triển lí thuyết của học nhằm giải thích các chất liệu thực tế có thể gây ra sự siêu dẫn Loại 1.5 như thế nào, có xét đến các tương tác ở cấp độ micro. Trong một nỗ lực khác, các đồng nghiệp của họ tại UMass Amherst và ở Thụy Điển, gồm Johan Carlstrom và Julien Garaud, cùng với Babaev, đã sử dụng các siêu máy tính thực hiện những phép tính dạng số cỡ lớn mô phỏng hành trạng của các electron siêu dẫn để hiểu rõ hơn cấu trúc của các đám xoáy và chúng trông như thế nào ở một chất siêu dẫn Loại 1.5.

Họ tìm thấy dưới những điều kiện nhất định, họ có thể mô tả những lực mới tác dụng giữa các xoáy Loại 1.5, có thể làm cho các đám xoáy có cấu trúc rất phức tạp. Khi nghiên cứu kĩ lưỡng hơn về sự siêu dẫn, đội vật lí ở Stockholm và UMass Amherst cho biết họ chất liệu siêu dẫn đa dải sẽ phát triển. Họ đang trông ngóng một số chất liệu mới khám phá sẽ thuộc về Loại 1.5.

Tham khảo: http://prb.aps.org … /i13/e134515
http://prb.aps.org … 4/i9/e094515
http://prb.aps.org … /i13/e134518

Nguồn: Đại học Massachusetts Amherst

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.