ề tài “ Hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao được nhóm chúng em tìm hiểuvới mong muốn được nâng cao hiểu biết của mình về hiện tượng siêudẫn nhiệt độ cao, nhanh chóng tiếp cận với những kiến
NỘI DUNG
SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO 1.1 Hiện tượng siêu dẫn
Vào năm 1911, Kamerlingh Onnes đã nghiên cứu điện trở của các kim loại ở nhiệt độ Heli Ông phát hiện rằng điện trở của thủy ngân (Hg) thay đổi theo nhiệt độ: ở trạng thái rắn (trước điểm nóng chảy khoảng 234K) là 39,7 Ω, trong trạng thái lỏng tại 0 °C (khoảng 273 K) là 172,7 Ω, gần 4K là 8.10^{-2} Ω, và tại khoảng 3K có giá trị nhỏ hơn 3.10^{-6} Ω Điều này cho thấy rằng ở nhiệt độ T < 4,0 K, điện trở của Hg gần như biến mất.
1.1.1 Khái niệm hiện tượng siêu dẫn
Siêu dẫn là trạng thái vật lý xảy ra ở nhiệt độ tới hạn, cho phép dòng điện chạy qua mà không gặp điện trở Khi siêu dẫn được đặt trong từ trường, từ trường sẽ bị đẩy ra khỏi nó.
Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng mà điện trở của một chất nào đó đột ngột giảm về 0 ở một nhiệt độ xác định.
1.1.2 Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha
Nhiệt độ tới hạn, hay còn gọi là nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu TC), là nhiệt độ mà tại đó điện trở hoàn toàn biến mất Đây là điểm mà một chất chuyển từ trạng thái bình thường sang trạng thái siêu dẫn.
Độ rộng chuyển pha siêu dẫn, ký hiệu là ∆T, là khoảng nhiệt độ từ khi điện trở bắt đầu giảm đột ngột cho đến khi bằng không Chẳng hạn, độ rộng chuyển pha của thủy ngân (Hg) là ∆T = 5.10^{-2} K Độ rộng chuyển pha ∆T phụ thuộc vào bản chất của từng loại vật liệu siêu dẫn.
Dưới nhiệt độ chuyển pha, điện trở của chất siêu dẫn gần như hoàn toàn biến mất Tuy nhiên, trong trạng thái siêu dẫn, điện trở thực sự trở thành không hay chỉ có giá trị rất nhỏ?
Điện trở trong trạng thái siêu dẫn không thể chứng minh là 0 qua thực nghiệm, vì nhiều chất có điện trở nhỏ hơn độ nhạy của thiết bị đo Khi cho dòng điện chạy quanh một xuyến siêu dẫn khép kín, dòng điện gần như không suy giảm sau thời gian dài Giả sử tự cảm của xuyến là L, khi bắt đầu dòng I(0) tại thời điểm t = 0, cường độ dòng điện qua xuyến sẽ tuân theo một công thức nhất định tại thời điểm t ≠ 0.
SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO
Hiện tượng siêu dẫn
Vào năm 1911, Kamerlingh Onnes đã nghiên cứu điện trở của các kim loại ở nhiệt độ Heli Ông phát hiện rằng điện trở của thủy ngân (Hg) thay đổi theo nhiệt độ: ở trạng thái rắn (trước điểm nóng chảy khoảng 234K) là 39,7 Ω, trong trạng thái lỏng tại 0 °C (khoảng 273 K) là 172,7 Ω, gần 4K là 8.10^{-2} Ω, và tại khoảng 3K có giá trị nhỏ hơn 3.10^{-6} Ω Điều này cho thấy rằng ở nhiệt độ T < 4,0 K, điện trở của Hg gần như biến mất.
1.1.1 Khái niệm hiện tượng siêu dẫn
Siêu dẫn là trạng thái vật lý xảy ra khi nhiệt độ đạt đến một mức nhất định, cho phép dòng điện lưu thông mà không gặp trở kháng Khi siêu dẫn được đặt trong từ trường, nó sẽ đẩy từ trường ra ngoài, tạo ra hiện tượng độc đáo trong vật lý.
Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng mà điện trở của một chất nào đó đột ngột giảm về 0 ở một nhiệt độ xác định.
1.1.2 Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha
Nhiệt độ tới hạn, hay còn gọi là nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu TC), là nhiệt độ mà tại đó điện trở hoàn toàn biến mất Đây là điểm mà một chất chuyển từ trạng thái bình thường sang trạng thái siêu dẫn.
Độ rộng chuyển pha siêu dẫn, ký hiệu là ∆T, là khoảng nhiệt độ từ khi điện trở bắt đầu giảm đột ngột cho đến khi bằng không Chẳng hạn, độ rộng chuyển pha của thủy ngân (Hg) là ∆T = 5.10^{-2} K Độ rộng chuyển pha ∆T phụ thuộc vào bản chất của từng loại vật liệu siêu dẫn.
Dưới nhiệt độ chuyển pha, điện trở của chất siêu dẫn gần như hoàn toàn biến mất Vậy trong trạng thái siêu dẫn, điện trở thực sự trở thành không hay chỉ có giá trị rất nhỏ?
Điện trở trong trạng thái siêu dẫn không thể chứng minh là 0 bằng thực nghiệm, vì nhiều chất có điện trở nhỏ hơn độ nhạy của thiết bị đo Khi cho dòng điện chạy quanh một xuyến siêu dẫn khép kín, dòng điện hầu như không suy giảm sau thời gian dài Giả sử tự cảm của xuyến là L, cường độ dòng điện tuân theo công thức: \$i(t) = i(0) e^{-\frac{R}{L} t}\$, với R là điện trở của xuyến Chúng ta có thể đo từ trường do dòng điện tạo ra mà không lấy năng lượng từ mạch điện, cho phép quan sát dòng điện không thay đổi theo thời gian và xác định điện trở của kim loại siêu dẫn nhỏ hơn \$10^{26} \, \Omega m\$ Giá trị này khẳng định điện trở của kim loại siêu dẫn bằng 0.
Sơ lược tiến trình phát hiện của các chất siêu dẫn nhiệt độ cao
Năm 1974 đánh dấu một mốc lịch sử quan trọng khi vật liệu gốm siêu dẫn được phát hiện với hợp chất BaPb1-xBixO3 (x = 0,25) có nhiệt độ chuyển pha cực đại khoảng 13K Mặc dù nhiệt độ chuyển pha không cao, phát hiện này mở ra hướng nghiên cứu mới cho thấy có thể tìm kiếm vật liệu siêu dẫn trong các hợp chất gốm, không chỉ giới hạn ở kim loại nguyên chất hoặc hợp kim Trong khoảng thời gian 75 năm (1911 – 1985), chất lỏng Heli vẫn là môi trường duy nhất để nghiên cứu vật liệu siêu dẫn, với nhiệt độ chuyển pha không vượt quá 24K Tuy nhiên, việc sử dụng Heli lỏng gây ra nhiều hạn chế cho nghiên cứu và ứng dụng do quy trình tạo ra Heli lỏng phức tạp và tốn kém Do đó, các nhà khoa học đã tập trung vào việc phát triển các chất siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha cao hơn.
Ngày 27 tháng 01 năm 1986, hai nhà vật lý là K.A.Muller và J.G.Bedorz làm việc tại phòng thí nghiệm của hãng IBM ở Zurich (Thụy Sĩ) đã công bố trên tạp chí
Hợp chất gốm Ba0.75La4.25Cu5O4(3-y) đã được công bố trên tạp chí “Zeitschrift Fur Physik” ở Đức, cho thấy điện trở giảm mạnh trong khoảng 30 – 35K và trở về không ở 2K Phát minh này đã gây chấn động dư luận toàn cầu, mở ra một chân trời mới đầy hy vọng trong lĩnh vực siêu dẫn nhiệt độ cao, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà vật lý trên thế giới.
Sự bùng nổ thông tin nghiên cứu về siêu dẫn nhiệt độ cao đã diễn ra trên toàn cầu, với nhiều phòng thí nghiệm và nhóm nghiên cứu ở khắp nơi đua nhau công bố kết quả Các vật liệu siêu dẫn mới liên tục được phát hiện, và nhiệt độ chuyển pha TC ngày càng được nâng cao đáng kể.
Sau khi Bednorz và Müller phát minh ra siêu dẫn, vào năm 1986, nhóm TOKYO đã phát hiện hợp chất (La0.85Ba0.15)2CuO4 với cấu trúc Perovskite loại K2NiF4 có nhiệt độ chuyển pha TC khoảng 30K Nhóm Houston đã nghiên cứu hiệu ứng áp suất cao trên hợp chất này và phát hiện TC tăng khoảng 1K/kbar, đồng thời xác định nhiệt độ bắt đầu chuyển pha là 57K ở áp suất 12kbar Tiếp theo, nhóm Houston – Alabama đã thay thế một lượng nhỏ Ba bằng Sr và xác định được nhiệt độ bắt đầu chuyển pha siêu dẫn.
TC 42,5K trong hợp chất (La0.9Sr0.1)Cu4- ở áp suất thường.
Nhiều thí nghiệm nghiên cứu về siêu dẫn nhiệt độ cao trên thế giới, như A&T.Bell, Beijing, Belcore, Argone và Naval Research Laboratory, đã khẳng định các kết quả đã được công bố Đến năm 1991, một số nhà khoa học phát hiện siêu dẫn trong các hợp chất hữu cơ KxC60 với nhiệt độ chuyển pha lên đến 28K Cùng năm đó, các nhà khoa học ở AT&T đã tìm thấy siêu dẫn hữu cơ C60Rb3 với nhiệt độ TC khoảng 30K, gây bất ngờ lớn cho cộng đồng khoa học Phát hiện này không chỉ khẳng định sự tồn tại của siêu dẫn trong chất hữu cơ mà còn đặt ra câu hỏi về cơ chế siêu dẫn nhiệt độ cao, khiến cần thiết phải hình thành một hướng mới để giải thích sự tồn tại siêu dẫn trong hợp chất “Fullerence”.
Một phát hiện đáng quan tâm nữa là ngày 20/01/1994 nhóm tác giả R.J.Cava đã công bố tìm thấy siêu dẫn trong hợp chất Intermetallic - LnNi2B2C (Ln=Y, Tm, Er,
Hợp chất Ho, Lu có nhiệt độ siêu dẫn TC trong khoảng 13 – 17K, mặc dù không cao, nhưng đây là một phát minh quan trọng Phát hiện này mở ra cơ hội tìm kiếm vật liệu siêu dẫn trong các hợp kim liên kim loại và vật liệu từ, điều mà trước đây được cho là không thể xảy ra.
Nhiệt độ chuyển pha của một số chất siêu dẫn theo thời gian
Đến năm 2001, nhiều hợp chất siêu dẫn mới đã được phát hiện Để có cái nhìn hệ thống hơn, chúng ta sẽ sắp xếp các loại siêu dẫn điển hình theo bảng dưới đây.
Bảng 1.1 : Phân loại các chất siêu dẫn
Loại siêu dẫn Chất siêu dẫn tiêu biểu
Siêu dẫn kim loại và hợp kim
Oxit siêu dẫn chứa Cu và O
Siêu dẫn không chứa Cu
Siêu dẫn hữu cơ KxC60 30 1991
Siêu dẫn không chứa Cu và O
Y-Pd-B-C 23 1994 Đồng thời với nhiều chất siêu dẫn mới được phát hiện, nhiệt độ chuyển pha của chúng cũng không ngừng được nâng cao.
Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình
1.3.1 Vài nét về oxit siêu dẫn
Dấu ấn đầu tiên trong lịch sử phát hiện siêu dẫn là oxit SrTiO3, được tìm thấy bởi Scholey, Hooler và Cohen vào năm 1964 với nồng độ điện tử n = 3.10\^{19}/cm\^{3} Hiện tượng này không tuân theo lý thuyết BCS Mười bảy năm sau, việc pha tạp Nb vào SrTiO3 đã nâng nồng độ điện tử lên n = 10\^{21}/cm\^{3} Chín tháng sau, nhóm Matthias phát hiện siêu dẫn trong NaxWO3 với x = 3 và n = 10\^{22}/cm\^{3} Như vậy, siêu dẫn đã xuất hiện trong nhiều loại oxit khác nhau với nồng độ electron đủ lớn, bao gồm TiO và NbO với nhiệt độ chuyển pha tương ứng là 0,65K và 1,25K.
Năm 1973, Johnston và đồng nghiệp đã tìm ra siêu dẫn có trong LiTi2O4 với
Vào năm 1975, Sleight và các đồng nghiệp đã phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn trong hợp chất BaPb1-xBixO3 với nhiệt độ siêu dẫn TC = 11K Khi x = 0,25, nồng độ hạt tải n đạt 2,4 x 10^21/cm^3 Tiếp theo, họ đã thay thế ion K^+1 vào vị trí Ba^+2 trong chất cách điện BaBiO và phát hiện ra hợp chất Ba-K-Bi-O.
Từ năm 1986 trở về trước, người ta tìm được siêu dẫn tồn tại trong nhiều oxit kim loại nhưng không phải trong các hợp chất chứa oxit đồng.
1.3.2 Một số loại siêu dẫn chứa oxit đồng
Năm 1956, lý thuyết BCS ra đời với giá trị của TC được tính theo ông thức
Với là nhiệt độ Debye, là mật độ trạng thái mặt Fermi, V là thế năng tương tác electron – proton.
Trong nghiên cứu về vật liệu siêu dẫn, ba thông số quan trọng không độc lập với nhau Việc tăng cường một hoặc nhiều thông số này có thể dẫn đến việc phát hiện các vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha cao, bao gồm các hệ vật liệu bất thường như oxit ở vùng biên của kim loại và điện môi Ý tưởng này đã được hai nhà khoa học K.A Muller và G Bednorz tại IBM Thụy Sĩ triển khai Vào tháng 1 năm 1986, họ đã phát hiện ra chất siêu dẫn nhiệt độ cao đầu tiên chứa oxit Cu, La2-xBaXCuO4, với nhiệt độ chuyển pha đáng chú ý.
Tháng 7 năm 1987, Bednorz và muller đã nhận giải thưởng Nobel về sự phát minh ra siêu dẫn nhiệt độ cao.
Trong chất siêu dẫn nhiệt độ cao, các tương tác mạnh giữa electron và proton trong các oxit có thể dẫn đến sự phá vỡ lý thuyết BCS do sự phân cực tương tự như trạng thái hóa trị hỗn hợp Các hợp chất siêu dẫn chứa oxit đồng, đặc biệt là với Cu có hóa trị hỗn hợp, đã được phát hiện phù hợp với giả thuyết này.
Ngày 12 tháng 01 năm 1987, nhóm nghiên cứu của C.W.Chu lần đầu tiên đã tạo ra siêu dẫn có ở hợp chất YBa2Cu3O7- Các nghiên cứu cho thấy rằng cấu trúc pha siêu dẫn trong hợp chất này khác hẳn cấu trúc (La-214)
Tháng 3 năm 1987, người ta thay La bằng Y (không từ tính) và phát hiện ra hợp chất siêu dẫn YBa2Cu3O7- (gọi là Y-123) có nhiệt độ chuyển pha TC > 90K Ngay sau đó cấu trúc pha siêu dẫn của Y-123 được xác định tại phòng thí nghiệm Geophysical Laboratory đó là cấu trúc lớp với sự sắp xếp trật tự một cách tuần hoàn (Y-BaO-CuO-
Hợp chất Cu2-BaO có cấu trúc với hai lớp CuO2 được ngăn cách bởi một chuỗi tuyến tính ô mạng Nghiên cứu tiếp theo đã chỉ ra sự hình thành của nhiều hợp chất mới khi thay thế Y bằng các nguyên tố như La, Nb, Sm và Eu.
Gd, Ho, Xe và Lu (các nguyên tố thuộc dãy đât hiếm), sự thay thế này không cho thấy sự thay đổi TC.
Một số nhà nghiên cứu trên thế giới, bao gồm nhóm Muller từ Thụy Sĩ, nhóm Tanaka từ Nhật Bản, nhóm Paul Chu từ Mỹ và nhóm Zhong-Xian-Zhao từ Bắc Kinh, đã độc lập phát hiện ra siêu dẫn R-123 với nhiệt độ chuyển tiếp cao hơn 90K.
1.3.3 Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao chứa Cu và Oxy.
Kể từ năm 1988, nhiều oxit siêu dẫn chứa đồng (Cu) đã được phát hiện, bao gồm các hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao tiêu biểu như La(R)-214 và Y(R)-123.
BiSr2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt là Bi-22(n-1)n với n=1,2,3,…)
Tl2Ba2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt là Tl-22(n-1)n với n=1,2,3,…)
HgBa2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt là Hg-12(n-1)n với n=1,2,3,…)
CuBa2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt là Cu-12(n-1)n với n=1,2,3,…)
A1-xBaxCuO2 (A là loại đất hiếm, B là kim loại kiềm hoặc valency).
Các vật siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha đã vượt quá 120K và cấu trúc của chúng cũng đặc biệt hơn.
♦ Hệ Bi-22(n-1)n: (Vật liệu này do Maeda và đồng nghiệp phát hiện vào tháng 1 năm 1988).
- Điển hình là: Bi-Sr-Ca-Cu-O (gọi tắt là BSCCO system).
Vật liệu đa pha này có cấu trúc tinh thể gồm ba pha, được xác định theo trật tự sắp đặt lớp: BiO2-SrO-CuO2-(Ca)-CuO2-…-(Ca)-CuO2-SrO, trong đó n là số lớp CuO2 ngăn cách bởi (n-1) lớp Ca Các giá trị nhiệt độ chuyển pha tương ứng với n = 1, 2 và 3 lần lượt là 22K, 80K và 110K, cho thấy sự gia tăng nhiệt độ chuyển pha theo số lớp n.
♦ Hệ Tl-22(n-1)n: (Do Shung và Herman công bố vào năm 1987).
Khi thay thế nguyên tố phi kim hóa trị 3 (Tl) vào hợp chất (R)-123(TlBa2Cu3Ox), nhiệt độ chuyển pha của hợp chất tăng lên khoảng 90K Vào tháng 2 năm 1988, Shung và Herman đã thay thế một phần Ca và Ba, tạo ra hợp chất Tl-Ba-Ca-Cu-O (TBCCO), có cấu trúc tương tự như siêu dẫn BI-2223 với hai lớp kép (TlO2) và có nhiệt độ chuyển pha TC lần lượt là 90K, 110K và 125K khi n = 1, 2, 3.
Vào năm 1991, Hg đã được thay thế cho Cu, dẫn đến việc Putilin và đồng nghiệp phát triển hợp chất với n=1 có nhiệt độ chuyển tiếp TC = 94K Tiếp theo, Schiling và các cộng sự đã thay đổi n thành 2 và 3 trong Hg-12(n-1)n, làm tăng TC lên 133K – 134K ở áp suất 16Gpa và 164K ở 30Gpa Cấu trúc của hợp chất được sắp xếp theo dạng HgO-BaO-CuO2-(Ca)-CuO2-…-(Ca)-CuO2-BO, với n lớp CuO2 được ngăn cách bởi (n-1) lớp Ca, tương tự như cấu trúc đã được nghiên cứu trước đó.
Công thức chung: với m = 1 hoặc 2, X = Ba hoặc Sr, n 1,2,3 tăng theo sự thay đổi của A trong bảng hệ thống tuần hoàn.
Từ nhóm VB (Bi) và nhóm IIIB (Tl) đến nhóm IIB (Hg) trong bảng tuần hoàn, các nguyên tố này có khả năng làm tăng tính chất điện hóa bằng cách thay đổi liên tiếp đến nhóm IB như vàng (Au) hoặc bạc (Ag), với tính chất điện hóa đạt được là 124K trong hệ này.
Một số đặc tính chung của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao
1.4.1 Các phép đo thông thường để nghiên cứu một số tính chất của siêu dẫn nhiệt độ cao.
Thông thường để nghiên cứu một số tính chất của siêu dẫn nhiệt độ cao người ta thường dùng các phép đo sau:
+ Nghiên cứu về tính chất nhiệt: Đo độ dẫn nhiệt, nhiệt dung, suất điện động nhiệt điện.
+ Nghiên cứu về tính chất điện: Đo điện trở, mật độ dòng tới hạn…
+ Nghiên cứu tính chất nhiệt động: Đo từ trường tới hạn nhiệt động HC (T), sự tăng - giảm entropy…
+ Nghiên cứu các chất từ: Đo hệ số tự hóa, đường cong từ trễ, từ trường tới hạn dưới (HC 1), từ trường tới hạn trên (HC 2), dị hướng từ…
Các phép đo trên đây đều phục vụ cho một mục đích chung là:
Nghiên cứu tính chất chuyển của vật liệu bao gồm việc thực hiện các phép đo quan trọng như hiệu ứng Hall, chuyển pha từ và chuyển pha cấu trúc.
Phân tích mẫu và nghiên cứu cấu trúc vật liệu siêu dẫn bao gồm các phương pháp như phân tích nhiệt, nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ neutron, và kính hiển vi điện tử quét Ngoài ra, việc đo hấp thụ sóng quang học cũng là một phần quan trọng trong quá trình nghiên cứu này.
Các hiệu ứng như hiệu ứng xuyên ngâm, Ramann, Meissner, Isotop và Joshepson đang được nghiên cứu kết hợp cả trong thực nghiệm lẫn lý thuyết, cho thấy sự phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực này.
1.4.2 Đặc tính cơ bản chung của siêu dẫn nhiệt độ cao ở trạng thái thường.
Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao thường có cấu trúc tinh thể lớp (Perovskite) và không đẳng hướng Chúng có cấu hình hai chiều với các mặt CuO2 và chuỗi Cu-O Ở trạng thái bình thường, hầu hết các hợp chất gốm siêu dẫn có nhiệt độ chuyển tiếp TC khác nhau, và TC này phụ thuộc mạnh vào quy trình công nghệ, điều kiện xử lý nhiệt và môi trường tạo mẫu.
Nồng độ hạt tải trong các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao thường thấp hơn từ một đến hai bậc so với các kim loại thông thường, và điều này liên quan đến các dị thường trong trạng thái siêu dẫn Độ dẫn nhiệt của các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao, đặc biệt là các oxit đồng, có những đặc điểm riêng biệt.
Dòng nhiệt truyền chủ yếu là do mạng còn trong kim loại ,dòng nhiệt truyền chủ yếu là do các điện tử dẫn.
1.4.3 Đặc tính cơ bản chung của siêu dẫn nhiệt độ cao ở trạng thái siêu dẫn.
Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng các chất siêu dẫn nhiệt độ cao sở hữu đầy đủ các đặc tính cơ bản giống như các chất siêu dẫn nhiệt độ thấp Điện trở của chúng giảm đột ngột về không khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn TC Hiệu ứng Meissner luôn hiện diện trong các chất siêu dẫn, mặc dù không hoàn toàn, dẫn đến sự tồn tại của ba trường tới hạn HC, HC1 và HC2 Mỗi loại vật liệu có giá trị mật độ dòng tới hạn JC riêng Khi chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn, nhiệt dung có sự thay đổi đột ngột, thường được giải thích qua lý thuyết BCS.
Chuyển pha siêu dẫn hiếm khi xảy ra đồng thời với chuyển pha cấu trúc trong tinh thể Thực tế, trong các hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao, chuyển pha cấu trúc thường diễn ra một cách độc lập.
Các nghiên cứu về siêu dẫn nhiệt độ cao dựa trên lý thuyết BCS đều khai thác tính chất khe năng lượng Trong trạng thái siêu dẫn, cơ chế tương tác chủ yếu là sự tương tác gián tiếp của cặp Cooper, trong đó điện tử tương tác với nhau thông qua phonon.
Hiệu ứng đồng vị vẫn là một thách thức lớn trong nghiên cứu siêu dẫn nhiệt độ cao, do hệ số của nó dao động trong một khoảng rất rộng, khác biệt so với các chất siêu dẫn nhiệt độ thấp.
Ngoài các tính chất cơ bản trên, vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao còn một vài đặc trưng riêng:
Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao thể hiện tính dị hướng rõ rệt, với điện trở R đo theo trục c có sự khác biệt mạnh mẽ, trong khi điện trở theo mặt (ab) lại có dạng tương tự như kim loại.
Chất liệu này có tính phản sắt từ, với trật tự phản sắt từ được phát hiện thông qua nhiễu xạ Neutron ở nhiệt độ Néel là TN = 500K Đối với các chất siêu dẫn chứa (RE), nhiệt độ Néel giảm xuống còn TN = 2K.
Độ dài kết hợp rất ngắn ở siêu dẫn nhiệt độ cao làm tăng ảnh hưởng của các thăng giáng trong vùng lân cận của TC Hầu hết các chất siêu dẫn nhiệt độ cao thuộc loại siêu dẫn loại II do đặc điểm này Việc phát hiện siêu dẫn nhiệt độ cao, đặc biệt là các hợp chất chứa Cu, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong nghiên cứu vật liệu siêu dẫn Những tính chất đặc biệt của chúng mở ra chân trời mới cho sự phát triển công nghệ và đời sống.
CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO CHỨA ĐỒNG VÀ OXY ĐIỂN HÌNH
Hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao 30- 40K
2.1.1 Cấu trúc cơ bản của La-214.
Hệ siêu dẫn nhiệt độ cao tiêu biểu là hợp chất La-Ba-Cu-O, được biểu diễn bằng công thức La2-xBaxCuO4 hoặc La2-xSr2CuO4, thường được gọi là siêu dẫn 214 Hợp chất này, được phát minh bởi Bednorz và Muller vào năm 1986, có nhiệt độ chuyển pha TC trong khoảng 30-40K, tùy thuộc vào nồng độ x Cấu trúc tinh thể ban đầu của nó thuộc loại Perovskite lập phương ABO3 Ở trạng thái thường, hợp chất này là chất điện môi, và khi pha tạp, nguyên tử ở trung tâm (B +) dịch chuyển, dẫn đến sự biến dạng của cấu trúc lập phương ABO3, tạo ra các cấu trúc như tứ diện, trực giao, trực thoi và đơn tà Các nguyên tử Cu được sắp xếp cùng với nguyên tử oxy trong cấu trúc tinh thể theo hình bát diện.
Hình 2.1: Cấu trúc tinh thể Perovskite loại ABO 3
Hình 2.2: Cấu trúc tinh thể của hợp chất siêu loại La-Sr-Cu-O
2.1.2 Cấu trúc điện tử La2CuO4
Thông thường, vật liệu siêu dẫn La(214) là hợp chất gốm cách điện Khi thay
Khi nồng độ ion La 3+ bằng ion Sr 2+ trong hệ La2-xSr2CuO4, sẽ xuất hiện các lỗ trống trong các mặt phẳng CuO2, dẫn đến sự giảm điện trở đột ngột và hình thành tính siêu dẫn Do đó, sự biến đổi nồng độ lỗ trống trong mặt CuO2 chính là yếu tố quyết định tính siêu dẫn của vật liệu này.
- Độ từ hóa phụ thuộc từ trường của chất siêu dẫn (214)
- Sự phụ thuộc của độ từ hóa M vào nhiệt độ.
Hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao 80- 90K 1 Cấu trúc cơ bản của siêu dẫn
2.2.1 Cấu trúc cơ bản của siêu dẫn YBa 2 Cu 3 O 7-y
Siêu dẫn trong hợp chất YBa-Cu-O được phát hiện và khẳng định với nhiệt độ chuyển pha T C khoảng 90K, có hợp thức cation là 1Y: 2Ba: 3Cu.
YBa2-Cu-O (siêu dẫn 123) có cấu trúc ô cơ bản tương tự như cấu trúc Perovskite ABO3 Trong cấu trúc Perovskite, có hai vị trí ion dương: vị trí A nằm ở trung tâm của khung bát diện do các ion âm (oxy) tạo ra, phù hợp với các ion dương lớn hơn, trong khi vị trí B dành cho các ion dương nhỏ hơn, nằm tại tâm của khối bát diện.
(123) các ion Y và Ba có kích thước lớn hơn sẽ chiếm các vị trí A, còn Ca nhỏ hơn sẽ chiếm các vị trí B.
Hình 2.3: Cấu trúc tinh thể hợp chất La 2-x Sr 2 CuO 4
Cu 3 O 7-y
Các tính chất vật liêu siêu dẫn Y- 123
- Tính chất điện của vật liệu siêu dẫn Y-123
- Tính chất từ của siêu dẫn Y-123
- Tính chất nhiệt: Bước nhảy nhiệt dung và độ dẫn nhiệt - suất điện động nhiệt điện
Hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao 110- 125K
Một số hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao có nhiệt độ chuyển pha từ 110 đến 125K, trong đó nổi bật là hai loại hợp chất Bi-Sr-Ca-Cu-O và Tl-Ba-Cu-O.
Hình 2.4: Cấu trúc ô cơ bản của YBa 2 -Cu-O
Hình 2.5: Cấu trúc tinh thể của vật liệu siêu dẫn RBa 2 Cu 3 O 6 + x (123)a) Vị trí của các ion
Cu và O trong cấu trúc lớp và chuỗi CuO trong ô mạng cơ bản có sự liên kết của các ion trong từng lớp, cùng với vị trí của các nguyên tử Cu và oxy Hai loại hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao này sở hữu cấu trúc tinh thể và tính chất tương đối giống nhau.
Vào tháng 5 năm 1987, Michel và các đồng nghiệp đã phát hiện ra siêu dẫn Ba-Sr-Cu-O với nhiệt độ chuyển pha từ 7 đến 22K Đến tháng 1 năm 1988, Maeda và nhóm nghiên cứu của ông đã phát hiện rằng việc thêm Ca vào hệ Bi-Sr-Cu-O sẽ tạo ra một vật liệu siêu dẫn mới có nhiệt độ chuyển pha cao hơn nhiệt độ hóa lỏng của Nitơ Hợp chất này có công thức chung là:
Bi2Sr2Can-1CunOy với n = 1,2,3 Hợp thức này tồn tại ba hệ siêu dẫn gồm các hợp phần sau đây:
+ Hệ Bi2Sr2Cu1O6+x có TC 7 22K (khi n=1) Trong hệ này pha siêu dẫn chính gọi là Bi(2201).
+ Hệ Bi2Sr2Ca1Cu2O8+x với TC 80 90K (khi n=2) Trong hệ này pha siêu dẫn chính gọi là Bi(2212).
+ Hệ Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x có TC 110 12K (khi n=3) Trong hệ này pha siêu dẫn chính là Bi(2223).
Hợp chất siêu dẫn thường có cấu trúc Perovskite, như mô tả trong Hình 2.6 Các hệ siêu dẫn Bi(2201), Bi(2212) và Bi(2223) chứa các cấu trúc Tetragonal, Orthorhombic hoặc giả Tetragonal Trong hợp chất Bi-Sr-Ca-Cu-O, cả ba siêu dẫn (2201), (2212) và (2223) thường tồn tại Mặc dù cấu trúc pha siêu dẫn tương tự nhau, nhưng chúng khác nhau về độ dài trục c Tỷ lệ các pha trong mẫu phụ thuộc vào thành phần hợp chất ban đầu, quy trình công nghệ chế tạo và điều kiện môi trường.
3.3.2 Cấu trúc tinh thể lý tưởng của siêu dẫn nhiệt độ cao chứa Bi– 2212.
Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 Hình 2.6: Cấu trúc tinh thể của siêu dẫn nhiệt độ cao chứa Bi (2201), (2212), và (2223)
Hình 2.7 trình bày các mô hình lý tưởng cho cấu trúc tinh thể của các chất siêu dẫn nhiệt độ cao chứa Bi Nghiên cứu nhiễu xạ điện tử (ED) của N.Y.Li và đồng nghiệp cho thấy rằng, pha thứ nhất với n=1 chỉ có một lớp CuO2, pha thứ hai với n=2 có hai lớp CuO2, và pha thứ ba với n=3 có ba lớp CuO2 Số lượng lớp CuO2 là yếu tố cực kỳ quan trọng trong việc hình thành tín hiệu siêu dẫn của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao.
Trong nghiên cứu cơ chế siêu dẫn nhiệt độ cao, một số tác giả đã phát triển các mô hình lý tưởng về cấu trúc tinh thể của hợp chất siêu dẫn.
Bi2Sr2CaCu2O8 có thể tìm thấy trong các tài liệu đã công bố về siêu dẫn nhiệt độ cao
3.3.3 Cấu trúc tinh thể các hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao Bi 2 SrCaCu 2 O 8+
Trong thực tế, các nguyên tử oxy không thể kết hợp hoàn toàn với các nguyên tố khác để tạo nên tinh thể lý tưởng Bi2Sr2CaCu2O8, dẫn đến việc hợp thức chế tạo thường được viết dưới dạng Bi2Sr2CaCu2O8+\(\delta\) Do đó, J.M.Tarascon, A.W.Slieglit, M.Hervieu và M.A.Subramanian đã đề xuất một số mô hình, được minh họa trong các hình 2.8 và 2.9 a, b.
Hình 2.8: Minh họa một vài mô hình lý tưởng khác của siêu dẫn Bi(2212)
Mô hình của Subraamnian với các lớp CuO 2 (các nguyên tử O sắp xếp cho các lớp Bi là lí tưởng
Hình 2.7: Mô hình cấu trúc lý tưởng của siêu dẫn nhiệt độ cao
Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 của P.Bordet
Các mô hình này đều có giả thiết ban đầu tương tự, với cấu trúc ô cơ sở chứa cặp nguyên tử Cu-O và sự sắp xếp của các nguyên tử Sr, Ca và Bi Sự khác biệt giữa các mô hình nằm ở giả định về cấu trúc các lớp Bi-O.
3.3.4 Cấu trúc lý tưởng của hợp chất siêu dẫn TI 2 Ba 2 CaCu 2 O 8
Khi nghiên cứu hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng ta tập trung vào cấu trúc và các tính chất đặc trưng của chúng Có ba loại hợp chất siêu dẫn điển hình: loại có nhiệt độ chuyển pha T C trong khoảng 30-40K, 80-90K, và 110-125K Tất cả các hợp chất này đều chứa Cu và Oxy, với cấu trúc tinh thể đặc trưng bởi mạng hai chiều Cu-O Tùy thuộc vào số đỉnh O và vị trí Cu trong tinh thể, lớp Cu-O có thể hình thành mạng hai chiều hình tháp vuông hoặc hình bát giác Các hợp chất này chia sẻ những tính chất chung về tinh thể, và mô hình đơn giản cho cơ chế siêu dẫn là sự truyền điện tích giữa các lớp, được coi là bể điện tích và các lớp dẫn điện CuO2.
Hình 2.9: a) Mô hình của Tarascon với các lớp (BiO) 2 b) Mô hình của Sleight với các lớp (BiO) 2
Hình 2.10: a) Cấu trúc tinh thể của pha siêu dẫn TI (2212) b) Cấu trúc tinh thể của pha siêu dẫn TI (2223)
MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO
Sử dụng hiệu ứng điện trở không
3.1.1.1 Truyền tải năng lượng (Electric Power Transmission)
Hiện nay, nhiều quốc gia tiên tiến như Mỹ và Nhật Bản đã xây dựng các đường dây tải điện siêu dẫn nhiệt độ cao Việc sử dụng cáp siêu dẫn để tải điện mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các đường dây tải điện thông thường, đặc biệt là khả năng tải dòng điện rất lớn.
Dây siêu dẫn nhiệt độ cao có khả năng tải điện mà không bị tổn hao năng lượng, cho phép truyền tải dòng lớn gấp ba lần so với cáp đồng thông thường mà không mất mát năng lượng do điện trở Điều này giúp tiết kiệm chi phí khi truyền tải điện đến khoảng cách xa Ngoài ra, cáp siêu dẫn còn có thể vận chuyển năng lượng từ các nguồn như địa nhiệt, điện Hydro, năng lượng mặt trời, than đá và năng lượng hạt nhân đến các khu vực tiêu thụ.
3.1.1.2 Máy phát điện và động cơ điện siêu dẫn
Máy phát điện siêu dẫn có thiết kế tương tự như các turbin thông thường, với nguyên lý điều khiển và hoạt động giống nhau Tuy nhiên, điểm khác biệt chính là motor siêu dẫn được đặt trong một buồng chân không quay tròn, nơi chất lỏng Nitơ được bơm vào để duy trì nhiệt độ siêu dẫn Máy phát điện siêu dẫn không chỉ có kích thước nhỏ hơn khoảng một nửa so với máy phát điện thông thường mà còn có giá thành rẻ hơn khoảng 40% so với máy phát điện 300MW truyền thống, đồng thời nâng cao hiệu suất lên tới 98 - 99%.
3.1.1.3 Bình tích trữ năng lượng từ siêu dẫn (Superconducting Magnetic Energy Storage – SMES)
Trong hệ thống SMES, năng lượng được tạo ra từ từ trường của cuộn dây siêu dẫn lớn chôn dưới lòng đất, cho phép tích trữ năng lượng mà không bị tiêu hao Năng lượng này không cần chuyển đổi từ các dạng khác như hóa học, cơ học hay nhiệt Khi cần, năng lượng được phóng ra nhanh chóng với cường độ mạnh, dẫn đến giảm từ trường và năng lượng tích trữ SMES đạt hiệu suất lên đến 97%, và hiện nay, các nghiên cứu đang phát triển các SMES có công suất lên tới vài ngàn MW.
Hình 3.2: Motor siêu dẫn nhiệt độ cao
SMES có nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa học quân sự, bao gồm năng lượng laser và súng chạy trên đường ray, cho phép bắn các loại tên lửa tầm xa với tốc độ rất lớn.
Có thể sử dụng thiết bị này để phóng các loại máy bay phản lực, tàu vũ trụ v.v….
3.1.2 Máy gia tốc hạt (Particle Accelerators)
Việc sử dụng nam châm siêu dẫn nhiệt độ thấp thay cho nam châm thông thường có thể tiết kiệm hàng triệu đô la tiền điện Nếu thay thế bằng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao, hiệu suất của các máy gia tốc hạt sẽ tăng đáng kể nhờ vào việc giảm chi phí điện năng và chi phí làm lạnh.
Hình 3.3: Bình tích trữ năng lượng từ siêu dẫn
Hình 3.4: Máy gia tốc hạt bằng chất siêu dẫn nhiệt độ cao
3.1.3 Lò phản ứng nhiệt hạch từ (Magnetic fusion reactors) Để sử dụng cho các thí nghiệm với lò phản ứng nấu chảy từ Các nam châm siêu dẫn sẽ giữ plasma ở giữa không trung trong lò phản ứng Tokamak hình bánh răng. Nam châm siêu dẫn nhiệt độ thấp có thể sản sinh ra từ trường lên đến 11 testla Trạng thái plasma của khí gas nóng được đưa vào bên trong từ trường Phản ứng nóng chảy tự xuất hiện khi plasma nóng lên ngưng đọng lại Sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao làm giảm tổng năng lượng cần thiết để làm lạnh nam châm và đơn giản hóa hệ thống làm lạnh.
Ứng dụng hiệu ứng Meissner: Hiệu ứng nâng
Motor siêu dẫn được chế tạo dựa trên hiệu ứng Meissner, với khả năng đẩy các đường từ thông, giúp lái rotor trong motor điện Chúng có kích thước chỉ bằng 1/3 so với motor thông thường và giảm thiểu sự mất mát dòng lên đến 50% Motor siêu dẫn có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp, bao gồm sản xuất ôtô, bơm, quạt, máy thổi, máy cơ khí, máy nghiền và nhiều thiết bị khác.
Motor siêu dẫn có thể được áp dụng cho ôtô điện và máy kéo, với điện năng được lưu trữ trong bình tích trữ năng lượng từ siêu dẫn Các phương tiện này hoạt động êm ái, có hiệu suất năng lượng cao và không gây ô nhiễm môi trường Việc phát triển chất siêu dẫn nhiệt độ cao ở nhiệt độ phòng trong tương lai sẽ nâng cao hiệu quả và giảm chi phí cho ứng dụng này.
3.2.2 Sự treo từ (Magnetic Levitation)
Kể từ khi siêu dẫn được phát minh, đã có sự quan tâm lớn đến các ứng dụng trong lĩnh vực điện từ Thực tế, ứng dụng dựa trên đặc tính trường của siêu dẫn được sử dụng đa dạng hơn so với việc chỉ giảm điện trở.
3.2.3 Tách chiết từ (Magnetic Separation).
Tách lọc từ là phương pháp hiệu quả để chiết xuất các tạp chất từ hỗn hợp dựa trên sự khác biệt về tính chất từ của các thành phần Khi áp dụng từ trường, một số thành phần sẽ được kéo ra, trong khi các thành phần khác vẫn được giữ lại Nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao có nhiều ứng dụng trong công nghệ này, bao gồm tách chiết sunfurơ từ than đá, loại bỏ tạp chất từ khoáng vật, và thu hồi kim loại từ lòng đất hoặc thiên thạch Phương pháp tách từ cũng có thể được áp dụng trong quy trình tái chế.
Hình 3.6: Hiệu ứng treo từ (sử dụng nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao YBCO)
Bộ lọc sóng micro bằng siêu dẫn nhiệt độ cao có khả năng làm sạch nước thải, loại bỏ hóa chất và tách lọc khí đốt Phương pháp này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn có kích thước thiết bị nhỏ gọn Đặc biệt, từ trường mạnh của các chất siêu dẫn giúp tăng cường khả năng hút hoặc đẩy tạp chất hiệu quả.
Giá đỡ từ siêu dẫn thường sử dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao hoạt động ở 77K, cho phép cơ cấu chuyển động không ma sát được nâng lên nhờ hiệu ứng Meissner Một ví dụ điển hình là rotor nặng 2,4kg có khả năng quay trên giá đỡ từ làm bằng vật liệu YBCO với tốc độ lên tới 30000 vòng/phút.
Các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao được sử dụng để làm các chắn từ, nhưng để hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao (77K), từ trường tới hạn chỉ có thể che chắn ở mức vài trăm Oe.
Ứng dụng hiệu ứng lượng tử: Điện tử học siêu dẫn
3.3.1 Cảm biến đo từ thông ba chiều (Three Dimensinal Flux Sensors)
Một lĩnh vực ứng dụng quan trọng khác của các chất siêu dẫn đã có từ thời kỳ
"Các dụng cụ đo nhiệt độ thấp, đặc biệt là dựa trên khám phá của B.Josephson về hiệu ứng mang tên ông, cho phép đo chính xác dòng siêu dẫn phát ra sóng điện từ Trong các từ kế phổ thông, cặp cuộn dây pick-up được sử dụng để thu tín hiệu, nhưng để tăng độ nhạy, người ta đã thay thế bằng thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (SQUID) SQUID, với lớp tiếp xúc chui hầm Josephson, có khả năng đo các lượng tử từ thông, nâng cao độ nhạy của thiết bị Hiện nay, hệ siêu dẫn nhiệt độ cao SQUID YBCO được ứng dụng trong việc đo từ thông ba chiều, cải thiện chất lượng và giảm giá thành sản phẩm."
Hình 3.8: Thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID)
Lợi ích của thiết bị này là định vị sự tăng cường từ thông trong cấu trúc cụ thể.
Để phát hiện những biến động từ trường trong não người, cần chú ý đến các thăng giáng này, vốn xuất phát từ các quá trình phóng điện liên quan, chẳng hạn như hiện tượng động kinh.
3.3.2 Thiết bị thu phát sóng Viba Ứng dụng tính không thấm sâu của sóng điện từ vào chất siêu dẫn (độ thấm sâu London) so với của kim loại thường để dùng trong các thiết bị tần số cao Cùng với việc sử dụng siêu dẫn nhiệt độ cao YBCO, người ta đã chế tạo ra các bộ lọc sóng viba với hệ số phẩm chất tăng lên hàng trăm lần do điện trở bề mặt của chất siêu dẫn nhỏ hơn nhiều lần so với các kim loại thông thường (Al, Cu, Au,…) Ví dụ ở tần số 10GHz và 77K, điện trở của chất siêu dẫn YBCO là 0,1 Ω trong khi điện trở bề mặt của Cu là 13mΩ Điều này làm giảm tổn hao của tín hiệu viba xuống 10 2 ÷10 4 lần khi thay thế chất siêu dẫn cho Cu trong bộ lọc vi sóng.
Công nghệ lọc sử dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS) giúp loại bỏ tín hiệu nhiễu gần như hoàn toàn, bảo toàn tín hiệu gốc Việc áp dụng HTS cho phép duy trì thiết bị thu vô tuyến và ăng-ten hiện có, đồng thời mở rộng khoảng cách và dải thông cho các cuộc gọi vốn không thể thực hiện trước đây Hệ thống lọc đầu vào với vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao mang lại khả năng lọc độc đáo, loại bỏ nhiễu ngoài dải sóng và tăng cường độ nhạy cho thiết bị thu đối với các tín hiệu yếu.
Vật liệu siêu dẫn nổi bật với điện trở cực thấp, gần như bằng 0 với dòng điện một chiều, nhưng cần được làm lạnh để phát huy tính năng này Công nghệ HTS, dù còn mới, đã chứng minh tính khả thi với hơn 1.000 trạm thông tin vô tuyến đang sử dụng Bộ lọc HTS được trang bị trên tàu hải quân, máy bay và hỗ trợ cho các cơ quan tình báo, pháp luật Cải tiến công nghệ làm lạnh và vật liệu HTS hứa hẹn tạo ra các hệ thống nhỏ gọn hơn với nhiều bộ lọc hơn Ứng dụng bộ lọc HTS trong hệ thu phát sóng điện thoại di động đã được triển khai tại một số nước công nghiệp, nâng cao chất lượng dịch vụ cho khách hàng với độ nhạy và tính lọc lựa được cải thiện đáng kể.
Người ta đã phát triển các ăng-ten siêu nhỏ bằng chất siêu dẫn, với kích thước chỉ bằng 5% so với các loại ăng-ten thông thường Những ăng-ten này hoạt động theo nguyên lý mạch xuyên ngầm và có độ nhạy gấp 20 lần so với các loại ăng-ten khác Chẳng hạn, một ăng-ten siêu dẫn nhiệt độ cao dài 2,6 inch có thể thay thế cho ăng-ten thông thường dài 52 inch dùng để bắt tần số FM.
3.3.3 Thiết bị dò sóng milimet (Milimet waves delector).
Việc sử dụng tiếp xúc Josephon trên màng mỏng siêu dẫn YBCO đã mở ra khả năng chế tạo thiết bị bắt sóng milimet, điều mà các công cụ bán dẫn thông thường khó có thể thực hiện Thiết bị dò bằng màng mỏng YBCO có khả năng phát hiện và định vị các bộ phận hỏng hóc trong không gian ba chiều từ các nguồn nhiệt thấp phát ra sóng milimet, nhờ vào việc nhận diện các vùng có nhiệt độ thấp hơn so với các bộ phận xung quanh.
3.3.4 Máy phát sóng tần số Terahertz (THz).
Bức xạ điện từ ở dải tần THz (10^12 Hz) có tiềm năng ứng dụng lớn, từ phát hiện chất nổ đến chẩn đoán và điều trị ung thư Tuy nhiên, việc tạo ra bức xạ THz gặp khó khăn do tần số cao của chúng, khiến cho các linh kiện phát dựa trên vật liệu bán dẫn không đủ khả năng, trong khi máy laser chất rắn lại không thể tạo ra tần số này Gần đây, các nhà nghiên cứu từ Hoa Kỳ, Thổ Nhĩ Kỳ và Nhật Bản đã tìm ra giải pháp bằng cách sử dụng lớp tiếp xúc Josephson trong các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao để khắc phục vấn đề này.
Lớp tiếp xúc Josephson bao gồm hai lớp siêu dẫn được ngăn cách bởi một lớp điện môi mỏng, thể hiện rõ hiệu ứng đường hầm lượng tử.
Hình 3.9: Thiết bị dò tìm các mạch sai hỏng bằng siêu dẫn nhiệt độ cao
Ulrich Welp từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Hoa Kỳ, cùng các cộng sự đã chỉ ra rằng hai vấn đề có thể được giải quyết bằng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao Khác với vật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp, các chất siêu dẫn nhiệt độ cao không cần tạo ra trong lớp tiếp xúc Josephson, vì chúng tự nhiên chứa một lượng chất đồng nhất trong các cấu trúc lớp đơn Đồng thời, chúng cũng có khe năng lượng lớn đủ để phát ra bức xạ trong dải sóng THz.
Nhóm của Welp đã phát hiện ra một phương pháp đơn giản để đồng bộ hóa các bức xạ từ các lớp tiếp xúc Josephson trong vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao, cho phép tạo ra công suất phát ở mức miliwatts (mW) Họ đã sử dụng vật liệu siêu dẫn Bi2Sr2CaCu2O8 (BSCCO), nổi bật với các lớp Josephson được tạo ra và sắp xếp liên tục.
Hình 3.10 Cấu trúc linh kiện của nhóm Welp
Hình 3.11: Kết quả về tần số phát ra
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao để phát triển công nghệ Josephson, nhằm tạo ra công suất phát ở mức miliwatts (mW).
Bi2Sr2CaCu2O8, hay còn gọi là BSCCO, có cấu trúc với các lớp Josephson được sắp xếp liên tục giữa các lớp siêu dẫn CuO2 và các lớp điện môi BiO cùng SrO Khi áp dụng một hiệu điện thế ngang qua mẫu BSCCO, các lớp này phát ra bức xạ điện từ ở tần số nhất định nhưng không đồng pha Để tạo ra bức xạ đồng pha giống như laser, cần điều chỉnh hiệu điện thế cho đến khi tần số phát ra phù hợp với tần số cộng hưởng của hốc Tại tần số này, điện trường sẽ tự bù trừ về pha, giúp bức xạ được đồng bộ hóa Ban đầu, chỉ một số lớp tiếp xúc đồng pha, nhưng hiệu ứng này được tăng cường mạnh mẽ nhờ phản hồi, dẫn đến việc toàn bộ dải sóng phát ra đồng pha.
Nhiều quốc gia đã phát triển máy biến áp hoạt động dựa trên tiếp xúc Josephson với tần số bức xạ chính xác Việc sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao trong tiếp xúc Josephson giúp giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng bền bỉ, độ chính xác cao và mở rộng khả năng hoạt động của máy biến áp.
3.3.6 Thiết bị xử lý tín hiệu (Signal Processors).
Phát triển máy xử lý tín hiệu tốc độ cao sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao, với độ nhạy gấp 50 lần so với các thiết bị xử lý tín hiệu thông thường.
3.3.7 Đầu dò bức xạ (Radiation Detectors)
