Nam châm siêu dẫn

3

Nam châm siêu dẫn

Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học
L. G. ASLAMAZOV

Từ trường mạnh có thể được tạo ra bằng cách cho dòng điện mạnh chạy qua cuộn dây. Dòng điện chạy qua cuộn dây càng nhiều thì từ trường nó tạo ra càng lớn. Nhưng nếu cuộn dây có điện trở thì một Tello sẽ được giải phóng trong đó. Bạn phải tiêu tốn một nguồn năng lượng khổng lồ để duy trì dòng điện, và các vấn đề xám xịt phát sinh liên quan đến việc chạm vào thân máy (ban đầu cuộn dây có thể bị nóng chảy). Do đó, vào năm 1937, người ta lần đầu tiên thu được một từ trường có cảm ứng 10 Tesla. Nhưng trường này chỉ có thể được duy trì vào ban đêm, khi các thiết bị tiêu thụ khác của nhà máy điện cung cấp dòng điện cho cuộn dây đã bị tắt. Cơ thể được thả ra được loại bỏ bằng nước chảy, đồng thời, cứ sau 5 lít nước được đun sôi.

Đây chính xác là điều hạn chế khả năng thu được từ trường mạnh ở các điện từ thông thường.

Ý tưởng sử dụng chất siêu dẫn để tạo ra từ trường mạnh nảy sinh ngay sau khi phát hiện ra nó. Có vẻ như tất cả những gì cần làm là cuộn một cuộn dây siêu dẫn, đóng các đầu của nó lại và truyền một dòng điện đủ mạnh qua một mạch như vậy. Vì điện trở của cuộn dây bằng 0 nên vật không nhả ra. Và mặc dù việc làm lạnh điện từ đến nhiệt độ gel lỏng tại đó xảy ra hiện tượng siêu dẫn sẽ tạo ra những khó khăn nhất định, nhưng những ưu điểm sẽ lớn hơn những nhược điểm nếu… bản thân từ trường không phá hủy được tính siêu dẫn.

Khám phá tính siêu dẫn

Hình 1 thể hiện sơ đồ thí nghiệm Kamerlingh Onnes, được thực hiện vào năm 1911 ở Leiden. Các nhà khoa học Hà Lan đã tạo ra một cuộn dây chì, nối nó với nguồn EMF và đặt cuộn dây này vào gel lỏng, làm nguội nó đến nhiệt độ sôi của gel (4,2 K). Đồng thời, điện trở của chì biến mất - nó chuyển sang trạng thái siêu dẫn. Sau đó, họ thay đổi vị trí của chìa khóa và làm chập mạch cuộn dây - một dòng điện siêu dẫn không bị cản trở bắt đầu chạy qua nó.

Dòng điện này tạo ra một từ trường, cảm ứng của nó tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện. Có vẻ như dòng điện trong cuộn dây càng mạnh thì từ trường có thể thu được theo cách này càng lớn. Tuy nhiên, kết quả hóa ra lại đáng thất vọng: khi một từ trường gồm vài phần của một chiếc Tesla được cảm ứng, cuộn điện từ sẽ trở lại trạng thái bình thường (nó phát triển điện trở). Họ đã cố gắng tạo ra các cuộn dây từ các chất siêu dẫn khác, nhưng ngay cả trong chúng, sự phá hủy chất siêu dẫn cũng xảy ra ở từ trường tương đối thấp. Có chuyện gì vậy?

Hiệu ứng Meissner

Giải pháp cho hành vi “bất tiện” này của chất siêu dẫn được tìm ra vào năm 1933 tại Berlin trong phòng thí nghiệm của W. Meissner. Dường như chất siêu dẫn có khả năng thay thế hoàn toàn từ trường; trong đó chỉ có cảm ứng từ trường bằng không.

Hãy tưởng tượng rằng một ống trụ kim loại (một đoạn dây) được làm lạnh đến nhiệt độ thấp và chuyển sang

4

trạng thái siêu dẫn. Sau đó, một từ trường có cảm ứng $\vec{B}_{\text{внешш}}$ được bật lên. Theo định luật cảm ứng điện từ, trên bề mặt của hình trụ sẽ xuất hiện những điểm dốc (Hình 2) tạo ra một từ trường trong hình trụ có cảm ứng $\vec{B}_{\text{ток}}$, có độ lớn bằng nhau và ngược chiều với cảm ứng của từ trường ngoài. Những điểm này là siêu dẫn và sẽ không mờ đi. Do đó, trong độ dày của chất siêu dẫn, tổng cảm ứng bằng 0: $\vec{B} = \vec{B}_{\text{внешш}} + \vec{B}_{\text{ток}} = 0$. Đường sức từ trong chất siêu dẫn không đạt cực đại.

Chà, điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta thay đổi trình tự các thao tác - đầu tiên đặt kim loại vào từ trường bên ngoài, sau đó làm nguội nó đến trạng thái siêu dẫn. Có vẻ như cảm ứng từ trường không thay đổi và không có lý do gì để xuất hiện các điểm che chắn trên bề mặt. Đây chính xác là những gì Meissner nghĩ khi kiểm tra tính toán của Laus; điều này đề cập đến phương pháp đầu tiên để thử nghiệm một thử nghiệm.*) Tôi đã nghĩ về nó nhưng vẫn quyết định kiểm tra nó. Kết quả của thí nghiệm sửa đổi thật đáng ngạc nhiên. Hóa ra trong trường hợp này cũng vậy, từ trường hoàn toàn chảy ra khỏi chất siêu dẫn và không thâm nhập vào nó.

Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Meissner.

Bây giờ người ta đã rõ tại sao từ trường lại phá hủy tính siêu dẫn. Rốt cuộc, một lượng năng lượng nhất định được dành cho sự xuất hiện của các điểm trên bề mặt. Theo nghĩa này, trạng thái siêu dẫn không
không tốt hơn trạng thái bình thường, khi từ trường xuyên qua kim loại và không có điểm che chắn trên bề mặt. Cảm ứng từ trường bên ngoài càng lớn thì dòng điện phải chạy qua bề mặt càng mạnh để tạo ra sự che chắn. Ở một giá trị nhất định của cảm ứng từ trường, tính siêu dẫn nhất thiết bị phá hủy và kim loại chuyển sang trạng thái bình thường. Trường tại đó chất siêu dẫn bị phá hủy được gọi là trường tới hạn của chất siêu dẫn. Điều quan trọng cần nhớ là không cần thiết phải có từ trường bên ngoài để phá hủy tính siêu dẫn. Dòng điện chạy qua chất siêu dẫn tự nó tạo ra một từ trường. Khi ở một giá trị dòng điện nhất định, cảm ứng của trường này đạt đến giá trị tương ứng với trường tới hạn, tính siêu dẫn bị phá hủy.

Độ lớn của trường tới hạn tăng khi nhiệt độ giảm, nhưng ngay cả khi đạt đến độ không tuyệt đối, trường tới hạn trong kim loại siêu dẫn thuần túy không lớn (xem biểu đồ trong Hình 3). Trong trường hợp tốt nhất, nó chỉ là mười phần của một teska. Vì vậy, có vẻ như không có gì phải suy nghĩ về việc tạo ra từ trường mạnh bằng chất siêu dẫn.

Nhưng nghiên cứu sâu hơn về tính siêu dẫn cho thấy vẫn có một lối thoát. Người ta phát hiện ra rằng có cả một nhóm chất siêu dẫn vẫn giữ được tính siêu dẫn ngay cả trong từ trường rất mạnh, mặc dù ở dạng hơi yếu đi.

Nhà máy rượu Abrikosovskie

Năm 1957, nhà vật lý Liên Xô A. A. Abrikosov về mặt lý thuyết đã chỉ ra rằng tính siêu dẫn trong hợp kim có thể bị phá hủy

Hình 2. Hình 3. Hình 4.

5

từ trường không đơn giản như vậy. Cũng giống như chất siêu dẫn thuần túy, ở những giá trị cảm ứng nhất định, từ trường bắt đầu xâm nhập vào bên trong chất siêu dẫn. Nhưng trong hợp kim, từ trường thường không lấp đầy ngay toàn bộ thể tích của chất siêu dẫn. Trong độ dày của nó, lúc đầu chỉ hình thành các cấu trúc riêng lẻ của đường cảm ứng từ trường (Hình 4). Mỗi cấu trúc như vậy chứa một phần từ thông được xác định chặt chẽ $\Phi_0 = 2 \cdot 10^{-15}$ Wb. Đại lượng $\Phi_0$ được gọi là lượng tử từ thông.

Từ trường bên ngoài càng lớn thì càng có nhiều cấu trúc như vậy và do đó lượng tử từ thông thâm nhập vào chất siêu dẫn càng nhiều. Do đó, từ thông trong chất siêu dẫn không thay đổi liên tục mà thay đổi theo từng bước nhảy một cách rời rạc. Nói chung, tính rời rạc của các đại lượng vật lý thể hiện ở chiều vi mô (ví dụ, năng lượng của các electron trong nguyên tử bị lượng tử hóa). Ở đây chúng ta phải đối mặt với một hiện tượng đáng kinh ngạc - các định luật cơ học lượng tử “hoạt động” ở quy mô vĩ mô.

Mỗi cấu trúc của đường cảm ứng từ trường trong chất siêu dẫn được bao quanh bởi dòng điện liên tục liên tục (xem Hình 4), làm đầy ổ cắm bằng chất lỏng hoặc chất khí. Đó là lý do tại sao các cấu trúc đường như vậy được bao quanh bởi dòng điện siêu dẫn được gọi là đầu ra Abrikosov. Bên trong mỗi ổ cắm, chất siêu dẫn bị phân chiều và bị phá hủy. Nhưng ở khoảng trống giữa các lối ra, nó vẫn được bảo tồn! Chỉ ở những trường rất mạnh, khi đầu ra trở nên lớn đến mức chúng bắt đầu bị chặn thì chất siêu dẫn mới bị phá hủy hoàn toàn.

Lần đầu tiên người ta phát hiện ra bức tranh vô học về sự phá hủy chất siêu dẫn bởi từ trường trong hợp kim

Hình 5.

6

Đôi khi bạn cần một sợi dây không chỉ chịu được từ trường mạnh mà còn chịu được dòng điện mạnh. Và điều này, hóa ra, không giống nhau.

ghim là gì?

Người ta biết rằng một lực tác dụng lên một dây dẫn mang dòng điện trong từ trường. Lực phản lực xuất hiện theo định luật thứ ba của Newton được áp dụng ở đâu? Ví dụ, nếu một từ trường được tạo ra bởi một dây dẫn khác có dòng điện, thì nó chịu tác dụng của một lực có độ lớn bằng nhau và ngược chiều (lực tương tác giữa dây dẫn với dòng điện được xác định theo định luật Ampe).

Trong trường hợp của chúng tôi, tình hình phức tạp hơn.

Khi chất siêu dẫn ở trạng thái dịch chuyển và dòng điện chạy qua nó, thì ở những vùng có từ trường (lõi xoáy), lực tương tác giữa dòng điện và từ trường sẽ phát sinh. Kết quả là, sự phân bố hiện tại thay đổi, nhưng các khu vực tập trung từ trường không đứng yên mà bắt đầu trộn lẫn. Các xoáy Abrikosov chuyển động dưới tác dụng của dòng điện!

Lực tác dụng lên dòng điện trong từ trường có phương vuông góc với độ tự cảm của từ trường và hướng của dây dẫn. Lực do dòng điện tác dụng lên xoáy Abrikosov cũng vuông góc với độ tự cảm của từ trường và hướng của dòng điện. Ví dụ, trong chất siêu dẫn ở trạng thái phân cực, như trong Hình 5, một dòng điện chạy từ trái sang phải được tạo ra, thì các xoáy Abrikosov, dưới tác dụng của dòng điện, bắt đầu di chuyển lên hoặc xuống (tùy thuộc vào hướng của từ trường cảm ứng). Nhưng chuyển động của xoáy mai qua chất siêu dẫn là chuyển động của lõi bình thường, không siêu dẫn. Với chuyển động như vậy sẽ phát sinh một loại ma sát dẫn đến cơ thể được thả lỏng. Điều này có nghĩa là khi dòng điện chạy qua chất siêu dẫn ở trạng thái phân cực thì điện trở vẫn xuất hiện và chất siêu dẫn đó không thể được sử dụng để tạo ra các điện từ.

Giải pháp là gì? Cần phải cho phép các xoáy di chuyển, cố định chúng vào đúng vị trí.

Hóa ra điều này có thể được thực hiện. Bạn chỉ cần “làm hỏng” chất siêu dẫn và tạo ra một số khiếm khuyết trong đó. Các khuyết tật thường xảy ra một cách tự nhiên do quá trình xử lý cơ học hoặc nhiệt của vật liệu. Ví dụ, Hình 6 cho thấy một bức ảnh kính hiển vi điện tử của một màng nubium nitride (nhiệt độ tới hạn của nó là 15 K), thu được bằng cách lắng đọng kim loại trên một tấm thủy tinh. Cấu trúc dạng hạt (hạt) của vật liệu có thể nhìn thấy rõ ràng. Xoáy rất khó vượt qua ranh giới hạt. Đó là lý do tại sao cho đến khi xác định được giá trị của dòng điện (gọi là dòng tới hạn), các xoáy vẫn đứng yên. Điện trở trong trường hợp này bằng không.

Hiện tượng này được gọi là ghim - từ tiếng Anh ghim, dịch sang tiếng Nga có nghĩa là ghim.

Nhờ ghim, có thể thu được vật liệu siêu dẫn có giá trị cao của cả trường tới hạn và dòng tới hạn. Hơn nữa, nếu giá trị của trường tới hạn được xác định bởi chính đặc tính của vật liệu, thì giá trị của dòng điện tới hạn (chính xác hơn là mật độ của nó, nghĩa là cường độ dòng điện trên một đơn vị diện tích của mặt cắt) phần lớn phụ thuộc vào phương pháp chuẩn bị và xử lý vật liệu. Công nghệ hiện đã được phát triển cho phép vật liệu siêu dẫn có giá trị cao ở tất cả các thông số tới hạn. Ví dụ, dựa trên hợp kim nubium có mật độ dòng điện tới hạn hàng trăm