Khoa học tự nhiên

Siêu dẫn ở nhiệt độ thấp kỷ lục -700C (22/10/2015)

Thiết bị mà nhóm nghiên cứu sử dụng để tạo ra áp suất rất cao. Các nhà nghiên cứu ép chặt pin kim loại bằng các vít lục giác chìm do đó áp suất cao được tạo ra ở trung tâm của pin. Ảnh: Thomas Hartmann

Các nhà nghiên cứu tại Viện Hóa học Max Planck và Đại học Johannes Gutenberg ở Mainz quan sát thấy hydrosunfua trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ -70oC khi chất này được đặt dưới áp suất 1,5 triệu ba. Áp suất này tương đương bằng một nửa áp suất ở lõi của Trái đất. Cho đến nay, không có vật liệu nào có thể dẫn dòng điện mà không có điện trở ở các mức nhiệt độ cao như vậy. Với các thí nghiệm áp suất cao của họ, các nhà nghiên cứu ở Mainz do đó không những thiết lập được một kỷ lục mới cho siêu dẫn, phát hiện của họ còn nêu bật được một phương pháp mới tiềm năng để dẫn dòng điện ở nhiệt độ phòng mà không bị thất thoát.

Đối với nhiều nhà vật lý chất bán dẫn, các chất siêu dẫn thích hợp để sử dụng ở nhiệt độ phòng vẫn là một giấc mơ. Cho đến nay, chỉ các vật liệu được biết dẫn điện không có điện trở và do đó không có tổn thất làm được như vậy chỉ ở nhiệt độ rất thấp. Theo đó, gốm đồng (thường được gọi là cuprates) dẫn đầu về nhiệt độ chuyển đổi, nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất điện trở. Nhiệt độ siêu dẫn kỷ lục cho loại gốm này là khoảng -140^oC ở áp suất không khí bình thường và -109^oC ở áp suất cao. Ở loại gốm này, một dạng siêu dẫn đặc biệt, độc đáo xảy ra. Đối với siêu dẫn thông thường, nhiệt độ thấp nhất cần thiết cho đến nay là -234^oC.

Một nhóm các nhà khoa học từ Viện hóa học Max Planck và Đại học Johannes Gutenberg hiện đã quan sát được siêu dẫn thông thường ở nhiệt độ -70^oC ở hydrosunfua (H2S). Tuy nhiên, để chuyển đổi chất này, vốn là một chất khí ở điều kiện bình thường, thành một chất siêu dẫn, các nhà khoa học phải đặt nó dưới áp suất 1,5 megaba.

“Với thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi đã thiết lập được một kỷ lục mới về nhiệt độ mà tại đó vật liệu trở thành siêu dẫn”, Mikhael Eremets, nhà khoa học đứng đầu nghiên cứu, cho biết. Nhóm nghiên cứu của ông cũng là nhóm đầu tiên chứng minh trong một thí nghiệm rằng có các chất siêu dẫn thông thường với nhiệt độ chuyển đổi cao. Các tính toán lý thuyết đã dự đoán điều này cho một số chất nhất định bao gồm cả H2S. “Có rất nhiều tiềm năng trong việc tìm kiếm các vật liệu khác trong đó siêu dẫn thông thường xảy ra ở nhiệt độ cao”, các nhà vật lý cho biết. “Về mặt lý thuyết, không có giới hạn nào cho nhiệt độ chuyển đổi của các chất siêu dẫn thông thường và thí nghiệm của chúng tôi đưa ra lý do để hy vọng rằng siêu dẫn thậm chí có thể xảy ra ở nhiệt độ phòng”.

Các nhà nghiên cứu tạo ra áp suất cực cao cần thiết để làm cho H₂S siêu dẫn ở nhiệt độ âm tương đối vừa phải trong một buồng áp suất đặc biệt có kích thước nhỏ hơn 1cm³. Hai đầu nhọn bằng kim cương nằm ở trên mặt pin, đóng vai trò như một cái đe, có thể liên tục gia tăng sức ép đối với mẫu.

Sau khi các nhà nghiên cứu cho hydrogsunfua lỏng vào buồng áp suất, họ tăng áp suất tác động lên mẫu dần dần đến khoảng 2 megaba và thay đổi nhiệt độ cho mỗi mức áp suất. Các nhà khoa học đo cả điện trở và từ hóa để xác định nhiệt độ chuyển đổi của vật liệu. Các phép đo từ hóa cung cấp thông tin rất hữu ích vì một chất siêu dẫn có các tính chất từ tính lý tưởng.

Các nhà nghiên cứu tin rằng các nguyên tử hydro chịu trách nhiệm chính cho việc hydrosunfua bị mất các điện trở của nó dưới áp suất cao ở nhiệt độ tương đối cao: Các nguyên tử hydro dao động trong mạng với tần số cao nhất của tất cả các nguyên tố vì hydro nhẹ nhất. Do các dao động của mạng này xác định siêu dẫn thông thường, các vật liệu có hàm lượng hydro cao có nhiệt độ chuyển đổi tương đối cao. Ngoài ra, các liên kết mạnh giữa các nguyên tử làm tăng nhiệt độ mà tại đó vật liệu trở thành siêu dẫn. Những điều kiện này được đáp ứng trong H₃S và chính hợp chất này phát triển từ H₂S ở áp suất cao.

Mikhael Eremets và nhóm nghiên cứu hiện đang tìm kiếm các vật liệu có nhiệt độ chuyển đổi thậm chí cao hơn. Tăng áp suất tác động lên hydrosunfua trên 1,5 megaba là không hữu ích trong trường hợp này. Điều này không chỉ được tính toán bởi các nhà vật lý lý thuyết mà hiện nay còn được xác nhận trong các thí nghiệm được nhóm nghiên cứu tại Mainz thực hiện. Ở nhiệt độ thậm chí cao hơn, cấu trúc điện tử thay đổi theo cách làm cho nhiệt độ chuyển đổi bắt đầu từ từ giảm trở lại.

“Một ứng cử viên rõ ràng cho nhiệt độ chuyển đổi cao là hydro tinh khiết”, Mikhael Eremets nói. “Hy vọng rằng nó sẽ trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ phòng dưới áp suất cao”. Nhóm nghiên cứu của ông đã bắt đầu thử nghiệm với hydro tinh khiết, nhưng các thí nghiệm này rất khó vì cần áp suất 3-4 megaba.

“Tuy nhiên nghiên cứu hydrosunfua của chúng tôi chỉ ra rằng nhiều vật liệu giàu hydro có thể có nhiệt độ chuyển đổi cao”, Eremets nói. Thậm chí có thể có được một chất siêu dẫn nhiệt độ cao ở nhiệt độ phổ biến mà không cần áp suất cao. Các nhà nghiên cứu ở Mainz hiện cần áp suất cao để chuyển đổi vật liệu đóng vai trò cách điện như hydrogsunfua thành kim loại. “Polyme hoặc các hợp chất giàu hydro khác có thể được chuyển đổi thành kim loại bằng một số cách khác và trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ phòng”, các nhà vật lý cho biết. Nếu các vật liệu này có thể được tìm thấy, cuối cùng chúng ta sẽ có các chất siêu dẫn có thể được sử dụng cho một loạt các ứng dụng kỹ thuật.

Nguồn: vista.gov.vn (Theo Nature)