Siêu dẫn

Siêu dẫn là hiện tượng vật lý xảy ra ở một số vật liệu khi nhiệt độ đủ thấp và từ trường đủ nhỏ, với đặc trưng là điện trở bằng 0 và sự loại bỏ từ trường bên trong (hiệu ứng Meissner). Đây là một hiện tượng lượng tử, khác biệt với mô hình lý tưởng về dẫn điện hoàn hảo trong vật lý cổ điển, chẳng hạn như trong thủy động lực học.

Trong các chất siêu dẫn thông thường, siêu dẫn được tạo ra nhờ lực hút giữa các electron dẫn do sự trao đổi phonon, làm cho các electron trong chất siêu dẫn tạo thành pha siêu lỏng qua cặp electron tương quan. Bên cạnh đó, còn có các vật liệu được gọi là siêu dẫn bất thường, với tính chất siêu dẫn nhưng có đặc điểm vật lý trái ngược với lý thuyết của siêu dẫn đơn giản. Đặc biệt, có các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, hoạt động ở nhiệt độ cao hơn so với lý thuyết thông thường (nhưng vẫn thấp hơn nhiều so với nhiệt độ phòng). Hiện tại chưa có lý thuyết hoàn chỉnh về siêu dẫn nhiệt độ cao.

So sánh giữa vật liệu siêu dẫn và vật liệu dẫn điện hoàn hảo

Từ trường bên trong vật liệu dẫn điện hoàn hảo và siêu dẫn dưới ảnh hưởng của môi trường bên ngoài ở nhiệt độ phòng và ở nhiệt độ thấp (dưới nhiệt độ Curie). Từ trường bị loại bỏ hoàn toàn khỏi vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ thấp, bất kể trạng thái ban đầu của nó ở nhiệt độ phòng. Trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ thấp là không thay đổi.

Lịch sử

Ở nhiệt độ cao, điện trở của kim loại có thể coi là tỉ lệ thuận với nhiệt độ T. Khi nhiệt độ giảm, điện trở tăng nhanh. Trong trường hợp kim loại tinh khiết hoàn toàn, khi T=0, điện trở có thể tiến tới vô cực, tức là kim loại sẽ có điện trở gần như bằng 0. Tuy nhiên, với kim loại có tạp chất, ở nhiệt độ rất thấp (khoảng vài độ Kelvin), điện trở dư không còn phụ thuộc vào nhiệt độ và chỉ phụ thuộc vào nồng độ tạp chất. Vì không thể đạt được nhiệt độ tuyệt đối 0 Kelvin và kim loại hoàn toàn tinh khiết không tồn tại, nên các vật liệu có điện trở bằng 0 chỉ là lý thuyết lý tưởng.

Vào năm 1911, Heike Kamerlingh Onnes tiến hành thí nghiệm với thủy ngân và phát hiện ra rằng điện trở của thủy ngân thay đổi khác biệt so với các kim loại khác khi nhiệt độ giảm. Ở nhiệt độ thấp, điện trở của thủy ngân không thay đổi và chỉ phụ thuộc vào tạp chất. Khi giảm nhiệt độ xuống dưới Tc=4,1 độ Kelvin, điện trở đột ngột giảm xuống 0. Hiện tượng này được gọi là siêu dẫn, và Tc là nhiệt độ tới hạn.

Vào tháng 1 năm 1986 tại Zurich, hai nhà khoa học Alex Muller và Georg Bednorz phát hiện ra một loại gốm mới với thành phần gồm Lanthan, Đồng, Bari, và Oxit kim loại. Chất gốm này trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ 35 độ Kelvin.

Một thời gian ngắn sau, các nhà nghiên cứu ở Mỹ phát hiện ra rằng một số loại gốm có khả năng trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ lên tới 98 độ K.

Ứng dụng của siêu dẫn

• Truyền tải điện năng hiệu quả
• Đoàn tàu hoạt động trên đệm từ trường
• Chế tạo máy gia tốc mạnh mẽ
• Thiết bị đo điện trường chính xác
• Ngắt mạch điện từ trong máy tính tốc độ cao
• Máy quét MRI trong y học

Quá trình nghiên cứu và chế tạo chất siêu dẫn

Các chất siêu dẫn có những đặc điểm nổi bật như khả năng cản trở từ trường và làm biến dạng từ trường. Chúng gần như không có các dòng điện tử tự do và có thể được xác định qua các kỹ thuật đo khe năng lượng để phát hiện hiệu ứng siêu dẫn. Thêm vào đó, dù không phát ra bức xạ nhiệt, nhưng nếu bức xạ đủ mạnh, nó có thể làm giảm tính siêu dẫn dù vật liệu vẫn được giữ ở nhiệt độ rất thấp. Các tính chất siêu dẫn chỉ xuất hiện ở một nhiệt độ cụ thể, thường là nhiệt độ cực thấp.

• Các lý thuyết BCS
• Siêu dẫn ở nhiệt độ cao

Các liên kết tham khảo

• Tài liệu liên quan đến Siêu dẫn trên Wikimedia Commons
• Superconductivity (vật lý) trên Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)
• Siêu dẫn trên Từ điển bách khoa Việt Nam