Giấc mơ trở thành hiện thực

44

Giấc mơ trở thành hiện thực
(Khám phá chất siêu dẫn nhiệt độ cao)

“Nếu bạn không thể, nhưng thực sự muốn, thì bạn có thể.” Những từ này có thể mô tả những cơ thể mở được tạo ra theo đúng nghĩa đen ngày nay và sẽ được thảo luận trong bài viết này.

Lần đầu tiên, tính siêu dẫn, một trong những hiện tượng nổi bật và bất thường nhất trong vật lý, được biết đến vào ngày 28 tháng 4 năm 1911. Nhà vật lý người Hà Lan G. Kamerlingh-Onnes, tại một cuộc họp của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia ở Amsterdam, đã báo cáo phát hiện của ông về sự biến mất hoàn toàn điện trở của thủy ngân được làm lạnh bằng gel lỏng đến nhiệt độ T = 4,15 K. Chẳng bao lâu, tính siêu dẫn ở nhiệt độ thấp đã được phát hiện ở một số kim loại và hợp kim khác.

Triển vọng thực tế của hiện tượng được phát hiện dường như là vô hạn: truyền năng lượng điện tuyến tính không tổn hao, nam châm nặng, động cơ điện và máy biến áp loại mới, pin có dung lượng không giới hạn, v.v. Tuy nhiên, có hai điều không thể vượt qua vào thời điểm đó đã cản trở việc thực hiện các kế hoạch này. Đầu tiên là nhiệt độ cực thấp mà tại đó tính siêu dẫn xuất hiện ở tất cả các vật liệu đã biết. Để làm mát những nhiệt độ như vậy người ta phải sử dụng gel lỏng đắt tiền, điều này khiến cho nhiều dự án hấp dẫn sử dụng chất siêu dẫn đơn giản là không thực tế. Sự biến đổi thứ hai - mà chính Kamerlingh Onnes đã sớm thất vọng phát hiện ra - là do chất siêu dẫn hóa ra là “thất thường” so với từ trường: nó biến mất trong từ trường mạnh (chẳng hạn, nói chung, điều này xảy ra khi cảm ứng từ trường trên 0,04 Tesla).

Trong một thời gian dài, hiện tượng siêu dẫn vẫn chưa được giải thích; chỉ đến năm 1957 hiện tượng này mới tìm được lời giải thích lý thuyết nhất quán. Hóa ra, tính siêu dẫn có liên quan đến sự xuất hiện ở một số kim loại ở nhiệt độ thấp của sự chấp nhận cụ thể giữa các electron, do sự tương tác của chúng thông qua mạng tinh thể xung quanh.

Việc tạo ra lý thuyết siêu dẫn sẽ được thúc đẩy mạnh mẽ bởi nghiên cứu sâu hơn của nó. Cùng với việc phát hiện ra các hiệu ứng lượng tử mới về cơ bản đặc trưng của chất siêu dẫn, tiến bộ đáng kể đã đạt được trong việc thu được vật liệu siêu dẫn mới. Do đó, vào giữa những năm 80, các chất siêu dẫn đã được tạo ra có khả năng chịu được từ trường cực lớn (lên tới 60 Tesla) và truyền dòng điện lớn tương ứng. Tuy nhiên, trong lĩnh vực tăng cái gọi là nhiệt độ tới hạn - nhiệt độ tối đa mà dòng siêu dẫn vẫn có thể chạy trong một mẫu, trong 15 năm qua, bất chấp điều kiện khắc nghiệt của các nhà khoa học trên toàn thế giới, vẫn chưa thể tăng giá trị tham chiếu 23 K (đối với hợp kim Nb₃Ge) lên một độ.

Nhưng có lẽ hiện tượng siêu dẫn về cơ bản là không thể xảy ra ở nhiệt độ đủ cao?

Kết luận này đã được đưa ra liên quan đến tính siêu dẫn thông thường (gây ra bởi sự tương tác của các electron trong mạng) và các nhà khoa học nghiêng. Các dự báo lạc quan nhất dự đoán giá trị tối đa có thể có của nhiệt độ tới hạn ở mức 30-40 K.

Và vào cuối năm 1986, giới khoa học xôn xao trước một thông điệp giật gân về việc phát hiện ra một loạt chất siêu dẫn mới có nhiệt độ tới hạn đúng 30-40 K và thậm chí cao hơn. Các chất này hóa ra là các oxit kim loại phức tạp như La-Sr-Cu-O, La-Pb-Cu-O, La-Ba-Cu-O. Chúng lần đầu tiên được các nhà khoa học Thụy Sĩ tổng hợp nhưng chỉ vài tháng sau chúng bắt đầu được “nung nấu” ở nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới.

Giống như “cơn sốt vàng” Klondike, cơn sốt hậu kết hợp với các thông số tới hạn cao đã khiến các nhà khoa học lo lắng. Thông tin về các chất siêu dẫn mới, với nhiệt độ tới hạn thậm chí còn cao hơn, đã được gửi đi rất nhiều. Các ấn phẩm tạp chí không thể theo kịp việc tổng hợp ngày càng nhiều chất mới với những đặc tính đáng kinh ngạc; tin tức về chúng ngay lập tức được truyền từ phòng thí nghiệm này sang phòng thí nghiệm khác bằng điện thoại hoặc, như vào thời Heugen và Newton, bằng thư từ.

Đã có những báo cáo đáng tin cậy về việc đạt tới nhiệt độ tới hạn kỷ lục 120 K trong các hợp chất thuộc loại Y-Ba-Cu-O. Nghiên cứu thành công theo hướng này cũng đang được thực hiện ở nước ta.

Các chất thuộc dãy được phát hiện được gọi là gốm oxit kim loại. Và độ dẫn điện ở trạng thái bình thường của lò xo là thấp - về tính chất điện, chúng là kim loại phẳng và nồng độ electron trong chúng thấp. Bản chất của chất siêu dẫn nhiệt độ cao mới vẫn chưa rõ ràng. Có liên quan đến sự tương tác truyền thống của các electron với nhau (nhiệt độ sôi 77 K). Kết quả là, chúng ta có thể mong đợi một cuộc cách mạng thực sự nói chung nơi vật lý và công nghệ sở hữu, hậu quả của chúng ngày nay khó có thể tưởng tượng đầy đủ.

V.V.