Khoa học tự nhiên

Nguồn gốc siêu dẫn trong chất siêu dẫn nhiệt độ cao (07/07/2014)

Các nhà nghiên cứu ở Đại học Cambridge đã thực hiện một đột phá trong xác định nguồn gốc của tính siêu dẫn trong chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Họ phát hiện ra rằng những gợn sóng của các điện tử, được gọi là sóng mật độ điện tích hay cấp điện tích, tạo ra các "túi" xoắn điện tử trong các vật liệu này, từ đó xuất hiện tính siêu dẫn.

Bản đồ cấu trúc oxit đồng siêu dẫn. Ảnh: Nicolle R Fuller

Việc khai thác tiềm năng công nghệ to lớn của các chất siêu dẫn nhiệt độ cao - có thể được sử dụng trong lưới điện không bị thất thoát, siêu máy tính thế hệ tiếp theo và xe lửa đệm từ - có thể  đơn giản hơn nhiều trong tương lai, khi đã xác định được nguồn gốc của tính siêu dẫn trong các vật liệu này.

Các chất siêu dẫn, vật liệu có thể dẫn điện không có trở kháng, có thể được sử dụng trong vô số ứng dụng, nhưng việc không biết những đặc tính này có xuất xứ từ đâu đã gây nhiều khó khăn cho xác định các vật liệu mới.

Trong một nghiên cứu công bố trên Tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu từ Đại học Cambridge đã thấy rằng những gợn sóng của các điện tử, được gọi là sóng mật độ điện tích hay cấp điện tích, tạo ra các "túi" xoắn điện tử trong các vật liệu này, từ đó xuất hiện tính siêu dẫn.

Các chất siêu dẫn nhiệt độ thấp, hay thông thường, lần đầu tiên được phát hiện trong những năm đầu thế kỷ 20, nhưng chúng cần được làm lạnh tới gần độ không tuyệt đối (0 độ Kelvin hay -273 độ C) trước khi chúng bắt đầu có biểu hiện siêu dẫn. Tuy nhiên, chất siêu dẫn nhiệt độ cao có thể hiển thị các thuộc tính tương tự ở nhiệt độ lên đến 138 độ Kelvin (-135 độ C), làm cho chúng phù hợp hơn cho các ứng dụng thực tế.

Kể từ khi chúng được phát hiện lần đầu tiên vào giữa những năm 1980, quá trình phát hiện các chất siêu dẫn nhiệt độ cao mới có thể nói là mang tính ngẫu nhiên. Trong khi các nhà nghiên cứu đã xác định được các thành phần tạo nên một chất siêu dẫn nhiệt độ thấp tốt, thì chất siêu dẫn nhiệt độ cao vẫn không chịu tiết lộ các bí mật của chúng.

Trong chất siêu dẫn, cũng như trong bất kỳ thiết bị điện tử nào, dòng điện được dẫn đi thông qua điện tích ở điện tử. Điểm khác biệt ở chất siêu dẫn là các điện tử di chuyển theo các cặp ràng buộc chặt chẽ. Khi di chuyển, các electron có xu hướng va đập vào nhau, dẫn đến mất năng lượng. Nhưng khi ghép cặp với nhau, các electron di chuyển thông suốt qua cấu trúc của chất siêu dẫn, đó là lý do tại sao các chất siêu dẫn có thể dẫn điện mà không có trở kháng. Một khi nhiệt độ được giữ đủ thấp, các cặp electron vẫn sẽ tiếp tục di chuyển qua các chất siêu dẫn vô thời hạn.

Mấu chốt của các chất siêu dẫn thông thường là những tương tác của các điện tử với cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu. Những tương tác này tạo ra một loại "keo" giữ các điện tử với nhau. Cường độ của keo liên quan trực tiếp đến cường độ của chất siêu dẫn và khi chất siêu dẫn được gia tăng nhiệt độ hay cường độ từ trường, chất keo bị suy yếu, các cặp điện tử rời nhau ra và tính siêu dẫn sẽ biến mất.

"Một trong những vấn đề đối với các chất siêu dẫn nhiệt độ cao là chúng ta không biết làm thế nào để tìm những chất mới, vì chúng ta không thực sự biết thành phần nào chịu trách nhiệm đầu tiên tạo ra siêu dẫn nhiệt đố cao", Tiến sĩ Suchitra Sebastian thuộc Phòng thí nghiệm Cavendish và là tác giả chính của bài báo, cho biết. "Chúng tôi biết có một số loại keo làm cho các điện tử ghép với nhau, nhưng không biết keo đó là gì".

Để tìm ra điều gì sinh ra các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, các nhà nghiên cứu thực hiện quy trình ngược: bằng cách xác định những thuộc tính của vật liệu trong điều kiện bình thường, trạng thái không siêu dẫn của chúng, họ có thể chỉ ra điều gì gây ra siêu dẫn.

"Chúng tôi cố gắng tìm hiểu những loại tương tác nào đã xảy ra trong vật liệu trước khi các điện tử cặp với nhau, bởi vì một trong số những tương tác đó phải chịu trách nhiệm tạo ra chất keo", Tiến sĩ Sebastian cho biết. "Một khi các điện tử đã cặp với nhau, sẽ khó biết được điều gì làm cho chúng cặp với nhau. Nhưng nếu có thể tách rời các cặp ra, thì chúng ta có thể thấy các điện tử đang làm gì và hy vọng hiểu được tính siêu bắt nguồn từ đâu".

Siêu dẫn có xu hướng chèn lên các thuộc tính khác. Ví dụ, nếu trong trạng thái bình thường của nó một chất siêu dẫn là một nam châm, thì ta có thế thấy từ tính sẽ bị ức chế trong siêu dẫn. "Vì vậy, bằng cách xác định trạng thái bình thường của chất siêu dẫn, chúng ta sẽ làm cho quá trình xác định những chất siêu dẫn mới ít mang tính ngẫu nhiên hơn, do chúng ta biết trước tiên nên tìm kiếm ở những loại vật liệu nào", tiến sĩ Sebastian cho biết.

Sử dụng với các từ trường cực mạnh, các nhà nghiên cứu đã có thể tiêu diệt hiệu ứng siêu dẫn ở cuprates - những tấm đồng mỏng và oxy được tách ra bằng các loại nguyên tử phức tạp hơn.

Do cuprates là chất siêu dẫn tốt, nên phải dùng đến những từ trường mạnh nhất trên thế giới - 100 Tesla, hay lớn hơn khoảng một triệu lần so với từ trường Trái đất - để ngăn chặn các thuộc tính siêu dẫn của chúng.

Các thí nghiệm này cuối cùng có thể giải đáp bí ẩn xung quanh nguồn gốc của các túi điện tử trong trạng thái bình thường cặp với nhau để tạo ra siêu dẫn. Trước đây, người ta cho rằng các túi điện tử nằm trong vùng siêu dẫn mạnh nhất. Nhưng thay vào đó, các thí nghiệm mới sử dụng từ trường mạnh cho thấy một hình nhấp nhô túi xoắn tương tự như gạch Jenga nơi mỗi lớp theo một hướng khác nhau so với lớp trên hay dưới nó.

Những kết quả này chỉ ra chính xác vị trí túi là nơi tính siêu dẫn yếu nhất và nguồn gốc của chúng là những gợn sóng của các điện tử được gọi là sóng mật độ điện tích, hay cấp điện tích.

"Bằng cách xác định các vật liệu khác có tính chất tương tự, hy vọng nó sẽ giúp chúng ta tìm ra các chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao mới, thậm chí có thể cả vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, điều này sẽ mở ra những ứng dụng trong phạm vi rộng", Tiến sĩ Sebastian phát biểu.

Nguồn: www.vista.vn (Theo Nature)