Tính siêu dẫn: lịch sử, ý tưởng hiện đại, những thành công gần đây (cuối)

Tính siêu dẫn:

lịch sử, ý tưởng hiện đại, những thành công gần đây

A.ABRIKOSOV

KHI TRƯỜNG BÊN NGOÀI GIẢM, các xoáy phân kỳ và trong trường $B_{кр1}$ biến mất hoàn toàn khỏi chất siêu dẫn. Trên thực tế, trường $B_{кр1}$ là trường tại đó một xoáy vẫn có thể tồn tại trong chất siêu dẫn. Vùng giữa các trường $B_{кр1}$ và $B_{кр2}$ được gọi là trạng thái hỗn hợp. Ở trạng thái này, chất siêu dẫn bị xuyên qua bởi các sợi xoáy - các cuộn dây điện cực nhỏ được sắp xếp theo đúng thứ tự. Trong mặt cắt ngang chúng tạo thành một mạng hình tam giác. Mỗi xoáy có một lõi có kích thước bằng kích thước của cặp Cooper; lõi này có thể được coi là một vùng kim loại bình thường. Điều rất quan trọng là bằng cách tăng nồng độ khuyết tật, có thể tăng trường tới hạn Bcr2, đến mức mà dòng điện siêu dẫn có thể chạy qua mẫu. Điều này cho phép sử dụng chất siêu dẫn loại II để tạo ra nam châm siêu dẫn. Thật vậy, trong vòng siêu dẫn dòng điện có thể luân chuyển mãi mãi. Bạn có thể tạo ra một cuộn điện từ và làm ngắn mạch nó. Đây sẽ là một nam châm vĩnh cửu siêu dẫn. Sự khác biệt so với nam châm điện thông thường là ở nam châm thông thường, năng lượng dòng điện cuối cùng được dùng để làm nóng cuộn dây. Vì lý do này, cần phải tạo ra một hệ thống làm mát cồng kềnh và đắt tiền. Chính hoàn cảnh này đã hạn chế khả năng của nam châm điện có từ trường lên tới 5–6 Tesla. Và với sự trợ giúp của nam châm siêu dẫn, nó đã

Kết thúc. Mở đầu là trong số trước của tạp chí.

Ngày nay, người ta có thể thu được các trường lên tới 10–12 T (Nb – Zr – Ti) và thậm chí lên tới 23 T $( Nb_{3} Sn ).$ Hiện nay, nam châm siêu dẫn được sử dụng trong các máy phát điện, để tạo ra lớp đệm từ tính trên tàu tốc hành, trong máy gia tốc hạt, trong tokamaks - thiết bị nhiệt hạch nhiệt hạch, trong máy phát điện từ thủy động lực. Ngoài ra, một cuộn dây siêu dẫn có dòng điện có thể đóng vai trò như một thiết bị lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, chúng ta phải nhớ rằng vấn đề này không đơn giản như vậy. Đường cong trên càng cao

Hình ảnh cấu trúc các xoáy trong chất siêu dẫn loại II. Các xoáy tạo thành một cấu trúc tuần hoàn tương tự như mạng tinh thể

10

KVANT 2017/№7

trường tic $B_{кр2}$, càng thấp càng thấp $B_{кр1}$. Điều này có nghĩa là có thể có các xoáy trong dây dẫn của một cuộn dây điện từ siêu dẫn mang dòng điện. Dưới tác động của lực Lorentz, các xoáy có thể bắt đầu chuyển động và điều này ngay lập tức dẫn đến sự tiêu tán năng lượng, tức là xuất hiện lực cản. Cách thoát khỏi tình huống này là bằng cách nào đó cố định và ghim mạng xoáy để nó không di chuyển. Điều này được gọi là “ghim” (từ tiếng Anh pin - pin). Trong trường hợp này, dòng siêu dẫn dễ dàng uốn cong quanh lõi xoáy thông thường. Tôi sẽ không tập trung vào câu hỏi rất thú vị này mà bây giờ sẽ chuyển sang câu chuyện về tính siêu dẫn “yếu”. Cái gọi là hiệu ứng đường hầm được biết đến từ cơ học lượng tử - khả năng các hạt xuyên qua một hàng rào thế năng, ngay cả khi chiều cao của hàng rào này cao hơn năng lượng của các hạt. Tất nhiên, trên thực tế chiều rộng của rào chắn sẽ rất nhỏ. Hiệu ứng đường hầm được I. Giever sử dụng vào năm 1960 để tạo ra tiếp điểm đường hầm: hai điện cực kim loại được ngăn cách bởi một lớp cách điện (thông thường một màng oxit trên bề mặt của một trong các kim loại được lấy làm chất cách điện). Nhờ hiệu ứng đường hầm, dòng điện có thể chạy qua tiếp điểm như vậy. Nếu một trong những kim loại này là chất siêu dẫn thì các electron trong nó sẽ kết hợp thành từng cặp. Nhưng đối với cả một cặp đôi, việc xuyên qua hàng rào là rất khó xảy ra. Vì vậy, điện trường cần phải tách cặp ra, khi đó các electron sẽ lần lượt đi qua tiếp điểm. Năng lượng tối thiểu trên mỗi electron bằng nhau trong trường hợp này, và do đó, tại T = 0, dòng điện chỉ bắt đầu khi hiệu điện thế giữa các điện cực đạt tới giá trị U sao cho eU. Năng lượng được đo theo cách này. Bạn cũng có thể sử dụng một tiếp điểm đường hầm làm bằng hai chất siêu dẫn. Tuy nhiên, trong trường hợp sau, một số hiện tượng mới cũng nảy sinh. Nếu lớp điện môi đủ mỏng thì các cặp Cooper có thể được hình thành từ các electron thuộc các điện cực khác nhau.

Tiếp xúc đường hầm siêu dẫn. Một màng siêu dẫn (1) được phủ lên đế thủy tinh (3). Sau đó, nó bị oxy hóa - một lớp điện môi (2) có độ dày khoảng 10 angstrom được tạo ra trên bề mặt chất siêu dẫn. Một màng (1) chất siêu dẫn khác được phủ lên trên. Để dễ đo lường, các màng siêu dẫn được “đặt” trên một đế có dạng hình chữ thập. Với một số xác suất nhất định, các electron từ màng này có thể thâm nhập vào màng khác thông qua lớp điện môi - đây được gọi là hiệu ứng đường hầm. Điều này tạo ra khả năng không chỉ có dòng điện chạy qua tiếp điểm mà còn có khả năng tạo ra dòng điện siêu dẫn. Hiệu ứng này đã được nhà vật lý người Anh B. Josephson dự đoán vào năm 1962 và sau khi xác nhận bằng thực nghiệm, hiệu ứng này được đặt theo tên ông. Dòng Josephson tới hạn rất nhỏ, mật độ không quá $10^{2} 10^{3}$ A $см^{2}$. Giá trị này phải được so sánh với dòng điện trong nam châm - theo thứ tự $10^{5} 10^{6}$ A $см^{2}$ hoặc với “giới hạn lý thuyết” đối với sự phân tách cặp trong chất siêu dẫn - theo thứ tự $10^{8}$ A $см^{2}$. Tuy nhiên, hiệu ứng Josephson đã nhận được một ứng dụng mới đầy hứa hẹn. Thực tế là giá trị của dòng điện tới hạn Josephson hóa ra lại nhạy cảm một cách bất thường với từ trường bên ngoài. Điều này cho phép tạo ra các thiết bị siêu dẫn đặc biệt - giao thoa kế Josephson, hay SQUIDS, cho phép đo từ trường lên tới $10^{14}$ T (từ trường của Trái đất là 0,5 $10^{4}$ T), sau đó sử dụng trường này để đo dòng điện lên tới $10^{14}$ A và hiệu điện thế lên tới $10^{15}$ V. SQUIDS đã được sử dụng trong sinh học và y học vì chúng cung cấp nhiều hơn thế dữ liệu chính xác hơn điện tâm đồ hoặc máy ghi não và thậm chí còn vượt trội hơn so với máy chụp cắt lớp tia X và NMR. Ngoài ra, tiếp điểm Josephson có thể dùng để phát hiện bức xạ điện từ rất yếu

11

SIÊU DẪN…

và để tạo ra sóng điện từ tần số cao. Hiệu ứng Josephson là một lĩnh vực ứng dụng rộng lớn của chất siêu dẫn. Thật khó để tưởng tượng có bao nhiêu ứng dụng khác nhau mà chất siêu dẫn sẽ nhận được nếu không có một tình huống đáng buồn. Tất cả các thiết bị siêu dẫn được sử dụng cho đến nay đều yêu cầu làm mát bằng helium lỏng. Giá của một lít chất làm lạnh này là 10 rúp (hãy nhớ rằng bài báo được xuất bản năm 1988 - ghi chú của người biên tập), và điều này làm tăng đáng kể chi phí sử dụng chất siêu dẫn. Tuy nhiên, gần đây, cái gọi là oxit siêu dẫn hay gốm đã xuất hiện với nhiệt độ tới hạn trong khoảng 95 K. Nhiệt độ này cao hơn đáng kể so với nhiệt độ sôi của nitơ lỏng (77 K), giá thành của nó là 10 kopecks mỗi lít. Có thể các vật liệu có nhiệt độ cao hơn sẽ được tìm thấy. (Vào đầu năm 1988, người ta biết đến việc phát hiện ra chất siêu dẫn Bi–Sr–Ca–Cu–O và Tl–Ba–Ca–Cu–O với nhiệt độ tới hạn 105–125 K.) Và bây giờ tôi sẽ nói lại lịch sử phát hiện và các đặc tính của gốm siêu dẫn như vậy. Từ năm 1973 cho đến giữa năm 1986, kỷ lục về nhiệt độ tới hạn cực đại thuộc về các màng $Nb_{3} Ge$, giữ được tính siêu dẫn lên tới 23 K. Tuy nhiên, vào mùa thu năm 1986, một thông điệp xuất hiện từ các nhà vật lý G. Bednorz và A. Muller (Thụy Sĩ) về việc phát hiện ra tính siêu dẫn của hợp chất La – Ba – Cu – O với nhiệt độ tới hạn trong vùng 30 K. Các tác giả này đã không ngay lập tức làm điều đó. tiếp cận khám phá của họ Thực tế là ngay cả trước họ, oxit siêu dẫn Ba – Pb – Bi – O với nhiệt độ tới hạn 14 K đã được biết đến. Điều kỳ lạ ở hợp chất này là mật độ của các electron tự do mang dòng điện là $10^{21} см^{3}$, thấp hơn một bậc so với mật độ của kim loại thông thường. Đồng thời, theo lý thuyết Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS), giá trị của nhiệt độ tới hạn tăng theo số lượng electron tự do. Rõ ràng là việc giảm số lượng electron sẽ dẫn đến giảm $T_{кр}$. Và 14 K là nhiệt độ tới hạn tương đối cao. Tiếp theo, sự chú ý của Bednorz và Müller bị thu hút bởi các oxit chứa đồng ở trạng thái có hóa trị trung gian: một phần Cu và một phần Cu. Những oxit như vậy đã được các nhà vật lý người Pháp nghiên cứu. Chúng bao gồm nguyên tố đất hiếm lanthanum làm thành phần cấu trúc. Nếu chúng ta lấy hợp chất $La_{2} CuO_{4}$ thì đồng trong đó chỉ là hóa trị hai và chất này hoạt động như một chất cách điện. Müller và Bednorz bắt đầu thay thế lanthanum hóa trị ba bằng các nguyên tố hóa trị hai để lấy đi một số electron khỏi đồng và do đó chuyển một phần đồng sang trạng thái hóa trị ba. Kết quả là người ta đã thu được chất siêu dẫn nhiệt độ cao đầu tiên $La_{2} x Ba_{x} CuO_{4}$, trong đó x = 0,1–0,2. Lúc đầu, không ai tin Bednorz và Muller, và tạp chí vật lý hàng đầu của Mỹ, Physical Review Letters, đã từ chối xuất bản bài báo của họ. Sau đó, họ gửi nó đến tạp chí Zeitschrift fur Physik của Đức, nơi nó được xuất bản vào mùa thu năm 1986. Ban đầu bài báo không thu hút được sự quan tâm. Nhưng sau đó các chuyên gia Nhật Bản quyết định kiểm tra tin nhắn và tin rằng Muller và Bednorz không nhầm. Sau đó, các hợp chất này đã được các nhà vật lý Mỹ nghiên cứu và từ đầu năm 1987, một “sự bùng nổ siêu dẫn” thực sự đã nổ ra. Hiện nay có hàng nghìn bài viết về chủ đề này. Tôi không thể nói hết chi tiết về cuộc đua này, nhưng tôi sẽ lưu ý những điểm chính. Điều tự nhiên là cố gắng tăng nhiệt độ tới hạn bằng cách thay thế các nguyên tố bằng các chất tương tự hóa học của chúng. Việc thay thế Ba bằng Sr dẫn đến $T_{кр} = 45$ K. Một nhóm người Mỹ đến từ Houston, do P. Chu dẫn đầu, đã nén các mẫu này và phát hiện ra rằng nhiệt độ tới hạn tăng nhanh trong quá trình nén, mặc dù trong các chất siêu dẫn thông thường ở những điều kiện tương tự, Tcr, như một quy luật, giảm nhẹ. Sau đó, họ quyết định thử tạo ra lực nén “hóa học” bằng cách thay thế các nguyên tử lanthanum bằng các nguyên tử yttrium nhỏ hơn. Kết quả là một kết nối có độ cao đáng kinh ngạc

12

KVANT 2017/№7

Gần đây, đôi khi, nhiệt độ tới hạn là $T_{кр} \sim 93$ K. Ý tưởng “nén hóa học” đã giúp người ta khám phá ra, nhưng cuối cùng nó lại hóa ra là sai lầm. Một nghiên cứu rất kỹ lưỡng đã chỉ ra rằng chất siêu dẫn nhiệt độ cao là pha “1–2–3”: $Y Ba_{2} Cu_{3} O_{7} x$, trong đó x nhỏ hơn một. Những nỗ lực sau đó nhằm thay thế Y bằng các nguyên tố khác cho thấy tính siêu dẫn với $T_{кр} \sim 93$ K được quan sát thấy trong các hợp chất có cấu trúc “1 – 2 – 3”, trong đó yttrium có thể được thay thế bằng osmium và hầu hết các loại đất hiếm, kể cả lanthanum. Bây giờ tôi sẽ nói về một số đặc điểm của các hợp chất này và về những nỗ lực giải thích về mặt lý thuyết nhiệt độ tới hạn cao. Trước hết - về

Cấu trúc mạng tinh thể của hợp chất Y–Ba–Cu–O

kết cấu. Trong cả hai hợp chất điển hình La – Ba – Cu – O và Y – Ba – Cu – O, nó đều tương ứng với cái gọi là perovskite phân lớp. Đặc điểm đặc trưng của chúng là phân lớp (các chu kỳ theo hai hướng là khoảng 2,8 E và ở hướng thứ ba là 12 E). Trong các “lớp” đồng, mỗi nguyên tử đồng được bao quanh bởi một khối bát diện gồm các nguyên tử oxy. Các tính toán cho thấy sự dẫn truyền chính xảy ra qua các lớp đồng-oxy là kết quả của sự chồng chéo của lớp vỏ đồng d với lớp vỏ p của oxy. Các nguyên tử đất hiếm dường như không có vai trò gì: các electron “tự do” đơn giản là không đi vào đó. Hơn nữa, về nguyên tắc, cả hai chất đều có hai sửa đổi: tứ giác và trực thoi. Trong trường hợp đầu tiên, ô đơn vị có dạng lăng trụ tứ diện đều và trong trường hợp thứ hai là hình chữ nhật song song với độ dài cạnh tùy ý. Nhưng sự khác biệt so với tính chất tứ giác là rất nhỏ. Thật thú vị khi lưu ý rằng $La_{2} CuO_{4}$ nguyên chất là trực thoi ở nhiệt độ thấp, nhưng việc bổ sung Ba sẽ ngăn chặn quá trình chuyển đổi này và chất này vẫn có dạng tứ giác. Ngược lại, hợp chất yttri “1 – 2 – 3” là trực thoi ở nhiệt độ thấp. Về nguyên tắc, nó cũng có thể thu được dưới dạng biến đổi tứ giác bằng cách đẩy một phần oxy ra khỏi nó bằng cách đun nóng, nhưng biến đổi này không phải là chất siêu dẫn. Đối với hoạt động trong từ trường, các chất mới là chất siêu dẫn cực mạnh loại thứ hai, vì trường dưới $B_{кр1}$ trong chúng có thứ tự $10^{2}$ T, và trường trên $B_{кр2}$ ở nhiệt độ thấp được ước tính là $10^{2}$ T. Cần lưu ý rằng những chất này rất dễ vỡ và không dễ để chế tạo dây cho nam châm siêu dẫn từ chúng. Một đặc tính tiêu cực khác là mật độ dòng tới hạn trong chúng vào khoảng $10^{2} 10^{3} A см^{2}$. Hơn nữa, giá trị này giảm rất nhanh khi các chất được đặt trong từ trường bên ngoài. Theo nghiên cứu gần đây, điều này là do thực tế là các chất mới bao gồm các hạt siêu dẫn được phân tách bằng iso-

13

SIÊU DẪN…

các lớp lót. Một dòng điện Josephson nhỏ có thể xuất hiện xuyên qua các lớp này, dòng điện này dễ dàng bị triệt tiêu bởi từ trường. Đúng vậy, trong các màng bao gồm các tinh thể định hướng, mật độ dòng tới hạn lên tới $10^{6} A см^{2}$ đạt được ở điểm sôi của nitơ lỏng (T = 77 K), nhưng các màng này không thể đóng vai trò là cuộn dây cho nam châm siêu dẫn. Hiện nay, nỗ lực của nhiều phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đang tập trung vào nỗ lực thu được các tinh thể chất siêu dẫn mới. Có thể làm các tấm có cạnh lên tới 1 cm và độ dày lên tới 3 mm. Việc nghiên cứu các mẫu như vậy xác nhận rằng các chất này có tính phân lớp: điện trở giữa các lớp lớn hơn điện trở dọc theo chúng hàng chục lần. Nhân tiện, tôi lưu ý rằng trong điều kiện bình thường đây là những chất dẫn điện kém: điện trở suất lớn hơn 100 lần so với đồng. Về phần giải thích lý thuyết, có nhiều câu hỏi hơn đáp số. Ví dụ, theo lý thuyết Bardeen–Cooper–Schrieffer, chúng ta thu được mối quan hệ

2 0

T cr

= 3,5.

Đối với các chất siêu dẫn mới, các phép đo khác nhau cho giá trị của giá trị này từ 3 đến 12. Hơn nữa, những chất này có một số tính năng cụ thể, nhưng không rõ tính năng nào trong số chúng có tầm quan trọng cơ bản. Ví dụ: việc phân lớp tinh thể đóng vai trò gì; Các nguyên tử lanthanum hoặc yttri có cần thiết cho cơ chế siêu dẫn hay chúng chỉ đơn giản đóng vai trò như một giàn cơ học giữ mạng tinh thể lại với nhau? Vai trò của oxy là gì? Được biết, trong hợp chất yttrium có các lớp gồm các chuỗi Cu – O – Cu – O và có những mặt phẳng trong đó có hai nguyên tử oxy trên mỗi nguyên tử đồng. Khi oxy bị loại bỏ, đầu tiên nó sẽ rời khỏi chuỗi và chất này mất đi tính siêu dẫn. Nhưng trong hợp chất lanthanum không có chuỗi như vậy.

Vì vậy, không rõ ràng là nên bám vào cái gì. Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng trong các chất siêu dẫn mới, các electron được kết hợp thành cặp Cooper. Nhưng cơ chế hấp dẫn là gì? Cơ chế chuyển giao các phonon - lượng tử dao động mạng - kéo theo hiệu ứng đồng vị, tức là sự thay đổi Tcr khi chuyển sang một đồng vị khác. Các phép đo được thực hiện trên các mẫu có đồng vị $O^{16}$ được thay thế bằng $O^{18}$. Đối với hợp chất lanthanum, hiệu ứng đã được quan sát thấy, mặc dù ít hơn dự đoán của lý thuyết BCS. Nhưng trong chất siêu dẫn yttrium 90 độ, cũng như trong cùng một chất với europium thay vì yttrium, hiệu ứng này thực tế không có. Do đó, người ta rút ra kết luận rằng ngoài cơ chế phonon đã được biết đến từ lâu, còn có một cơ chế khác truyền tải tương tác giữa các electron. Về nguyên tắc, các giả hạt thuộc loại khác có thể tồn tại trong một chất – ví dụ, những giả hạt liên quan đến sự kích thích của các electron ở xa các lớp dẫn điện. Chúng được gọi là plasmon. Có một ý tưởng khác: chất này có thể gần chuyển sang trạng thái có trật tự từ tính. Trạng thái này có các giả hạt riêng - magnons. Nhưng ngay cả khi không có trật tự thực sự, nó vẫn có thể phát sinh dưới dạng thăng giáng và tạo ra sự tương tác giữa các electron. Các lý thuyết đã xuất hiện lợi dụng hoàn cảnh này. Tôi không thể liệt kê tất cả các lý thuyết - có rất nhiều lý thuyết. Tôi sẽ chỉ lưu ý khái niệm rất thú vị về tâm hai điện tử. Người ta biết rằng oxy rất dễ thoát ra khỏi chất siêu dẫn mới, trong khi ở các oxit thông thường, nó liên kết rất chặt chẽ. Có quan niệm cho rằng hai electron có thể ngay lập tức rời khỏi nguyên tử oxy để đến đồng; điều này làm cho oxy trung hòa và do đó làm cho oxy thoát ra khỏi mạng dễ dàng hơn. Và thực tế là các electron ở trạng thái kim loại tập thể hoặc định vị thành từng cặp trên oxy dẫn đến lực hút của chúng.

(Tiếp theo trang 19)