Buzz
Một nhóm nghiên cứu vừa công bố một bước tiến lớn khi chế tạo thành công một loại nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao, có kích thước chỉ bằng lòng bàn tay nhưng đạt cường độ từ trường ngang ngửa với những hệ thống khổng lồ, mở ra kỷ nguyên mới cho ứng dụng khoa học và đời sống hiện đại.
Nam châm đã trở thành yếu tố không thể thiếu trong các công nghệ hiện đại. Từ các linh kiện nhỏ trong điện thoại thông minh, máy tính, đến thiết bị gia dụng hay hệ thống chuông báo học đường, từ trường đóng vai trò chủ chốt trong việc vận hành và truyền tải thông tin.
Tuy nhiên, trong nghiên cứu khoa học chuyên sâu, việc tạo ra từ trường cường độ cao luôn là một thách thức lớn về không gian và năng lượng. Các hệ thống nam châm mạnh nhất thế giới hiện nay thường là những máy móc đồ sộ, chiếm diện tích lớn và tiêu tốn năng lượng khổng lồ để duy trì hoạt động.
Theo báo cáo nghiên cứu mới nhất đăng trên tạp chí Science Advances, các nhà khoa học đã có bước tiến đột phá khi tạo ra thành công hai mẫu nam châm thu nhỏ bằng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS). Bí quyết nằm ở việc sử dụng băng dẫn phủ oxit đồng bari đất hiếm (REBCO) quấn quanh các cuộn dây siêu dẫn. Các thử nghiệm thực tế cho thấy, cấu hình hai cuộn dây đĩa đạt cường độ 38 tesla, trong khi cấu hình bốn cuộn dây lên đến 42 tesla.
Để hình dung rõ hơn về sức mạnh của thiết bị này, hãy so sánh với các kỷ lục hiện tại. Nam châm mạnh nhất thế giới hiện nay, đặt tại Phòng thí nghiệm Từ trường Quốc gia Hoa Kỳ, có cường độ 45,5 tesla, nhưng là một hệ thống hybrid đồ sộ. Kỷ lục nam châm điện trở mạnh nhất thế giới hiện thuộc về một thiết bị ở Trung Quốc với 42,02 tesla. Việc một thiết bị nhỏ gọn có thể đạt mức 42 tesla thực sự đã thay đổi quan niệm truyền thống về thiết kế máy móc.
Các tác giả của công trình nghiên cứu nhấn mạnh rằng, sự khác biệt lớn không chỉ ở sức mạnh mà còn ở hiệu suất. Dù mật độ dòng điện cao, loại nam châm này tiêu thụ điện năng ít hơn hàng nghìn lần so với các hệ thống cũ. Đặc biệt, thể tích cuộn dây của nó chỉ bằng 1/1.000 so với nam châm hybrid 45,5 T nổi tiếng. Đây là con số gây ấn tượng mạnh trong giới kỹ thuật, mở ra tiềm năng giảm chi phí vận hành và lắp đặt cho các cơ sở nghiên cứu.
Từ trường của Trái Đất chỉ dao động trong khoảng từ 25 đến 64 microtesla. Điều này có nghĩa là chiếc nam châm cầm tay này mạnh hơn toàn bộ từ trường của hành tinh chúng ta đến một triệu lần. Dù có kích thước nhỏ gọn, vừa vặn trong lòng bàn tay, việc sử dụng nó yêu cầu các biện pháp bảo vệ nghiêm ngặt.
Đầu tiên, cường độ từ trường của nam châm này đã vượt quá mức an toàn mà Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) quy định cho các thiết bị y tế như máy chụp cộng hưởng từ (MRI). Thông thường, các máy MRI trong bệnh viện chỉ hoạt động ở mức 3 hoặc 4 tesla. Thứ hai, vấn đề nhiệt độ cũng là một thử thách lớn. Mặc dù được gọi là siêu dẫn "nhiệt độ cao", chúng vẫn cần hoạt động ở nhiệt độ cực thấp, dưới -195 độ C (-320 độ F).
Khi nhìn vào giới hạn của từ trường, con người từng tạo ra những xung từ trường mạnh đến 1.200 tesla. Tuy nhiên, cái giá phải trả là sự hủy diệt; thiết bị này đã phá hủy hoàn toàn phòng thí nghiệm ngay khi được kích hoạt. Trong tự nhiên, sao nam châm (magnetar) có từ trường mạnh hơn rất nhiều, từ 10 đến 100 tỷ tesla. Một ngôi sao nam châm ở khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng có thể ngay lập tức xóa bỏ mọi dữ liệu từ tính trên hành tinh và gây ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc nguyên tử của cơ thể con người.
Công nghệ nam châm HTS thu nhỏ không chỉ đạt được một kỷ lục về con số, mà còn chứng tỏ khả năng tối ưu hóa công nghệ siêu dẫn. Với khả năng tạo ra từ trường cực mạnh trong không gian hạn chế và mức tiêu thụ năng lượng thấp, thiết bị này được kỳ vọng sẽ ứng dụng rộng rãi trong các máy gia tốc hạt thế hệ mới, thiết bị chẩn đoán y khoa tiên tiến và các nghiên cứu vật lý lượng tử trong tương lai gần.
