Ảnh hưởng của thăng giáng nhiệt lên độ từ hoá của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao

Khi một vật dẫn được làm lạnh đến một nhiệt độ gọi là nhiệt độ tới hạn sẽ xuất hiện trạng thái siêu dẫn, trong đó điện trở của kim loại bằng không.. Sau khi hiện tượng siêu dẫn đầu tiên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam kết bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của cá nhân tôi Các số liệu và các tài liệu được trích dẫn trong luận văn là trung thực Kết quả nghiên cứu này không trùng với bất cứ công trình nào được công bố trước đó

Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình

Hà Nội, tháng 6 năm 2017

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Quỳnh Hoa

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, Phòng sau Đại học, Ban chủ nhiệm khoa Vật lý, Tổ Vật lý lý thuyết, các thầy cô giáo trong trường Đại học Sư phạm Hà Nội Cảm ơn các thầy cô đã tham gia giảng dạy lớp cao học Vật lý lý thuyết K25 - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội và các bạn đồng khóa

đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi làm việc trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Qua đây tôi xin chân thành cảm ơn tới những người thân trong gia đình đã luôn động viên, chia sẻ, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập

Hà Nội, tháng 6 năm 2017

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Quỳnh Hoa

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: SƠ LƯỢC VỀ SIÊU DẪN 5

1.1 Siêu dẫn 5

1.1.1 Vài nét về sự phát triển của siêu dẫn 5

1.1.2 Các khái niệm về siêu dẫn 6

1.1.3 Các giá trị tới hạn của siêu dẫn 7

1.1.4 Các tính chất quan trọng của siêu dẫn 9

1.1.5 Lý thuyết BCS 15

1.1.6 Phân loại siêu dẫn trên cơ sở tính chất từ 17

1.2 Siêu dẫn nhiệt độ cao 18

1.2.1 Khái niệm 19

1.2.2 Tính chất 19

1.2.3 Sơ lược tiến trình phát triển của các siêu dẫn nhiệt độ cao 19

1.3 Một vài ứng dụng điển hình của siêu dẫn 20

1.3.1 Máy chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) 20

1.3.2 Truyền tải điện năng 22

1.3.3 Nam châm lưỡng cực 24

1.3.4 Tàu chạy trên đệm từ 24

1.3.5 Siêu máy tính 26

1.3.6 Phát hiện mới về siêu dẫn 27

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT GINZBURG-LANDAU 29

2.1 Thông số trật tự 29

2.2 Năng lượng tự do 29

2.3 Các phương trình Ginzburg-Landau và hệ quả 30

2.3.1 Hai phương trình Ginzburg-Landau 30

2.3.2 Hệ quả 31

2.4 Xoáy từ (Vortex) và trạng thái hỗn hợp trong chất siêu dẫn 33

2.5 Thăng giáng nhiệt 35

CHƯƠNG 3: ĐỘ TỪ HÓA TRONG MÔ HÌNH GINZBURG – LANDAU HAI CHIỀU 38

3.1 Năng lượng tự do trong trường hợp 2 chiều 38

3.2 Ảnh hưởng của thăng giáng lên độ từ hóa 41

3.2.1 Lý thuyết gần đúng tự hợp 41

3.2.2 Áp dụng tính độ từ hóa trong mô hình G-L 2 chiều 42

3.3 Kết quả và thảo luận: 46

KẾT LUẬN CHUNG 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1 1 :Sự mất điện trở của chất siêu dẫn nhiệt độ thấp 7

Hình 1 2: Sự phụ thuộc của từtrườngtới hạn vào nhiệt độ và đường cong ngưỡng 8

Hình 1 3: Đường cong ngưỡng của một vài chất siêu dẫn thường gặp 8

Hình 1 4: Tính chất từ của chất siêu dẫn 9

Hình 1 5: Một vật lơ lửng trong không trung, biểu tượng của vật liệu siêu dẫn 12

Hình 1 6: Một con tàu có thể lơ lửng cả ở trên và dưới đường ray nhờ siêu dẫn 13

Hình 1 7: Cấu trúc vật liệu gốm đồng oxyt trong nghiên cứu 14

Hình 1 8: Đường cong từ hóa của các chất siêu dẫn theo từ trường 17

Hình 1 9: Sự biến thiên của từ độ phụ thuộc từ trường của siêu dẫn loại I (a) và loại II (b) 18

Hình 1 10: Sự xuyên từ thông trong trạng thái hỗn hợp 18

Hình 1 11: Máy cộng hưởng từ (MRI) và hình ảnh chụp qua máy được ghi nhận lại 22 Hình 1 12: Cáp siêu dẫn nhiệt độ cao (high-temperature superconductor) 23

Hình 1 13: Máy va chạm Hadron lớn ở CERN (Ảnh CERN) 24

Hình 1 14: Tàu magnev – Nhật Bản 25

Hình 1 15: Siêu máy tính Tianhe-2 (Thiên hà 2) có tốc độ đạt 33,86 petaflop mỗi giây 27

Hình 2 1:Xoáy từ Abrikosov 34

Hình 2 2: Các nhân xoáy trong vùng hỗn hợp sắp xếp theo mạng tam giác 35

Hình 2 3: Cấu trúc một Vortex 35

Hình 2 4: Giản đồ pha của chất siêu dẫn nhiệt độ cao khi xét đến thăng giáng nhiệt 36

Hình 3 1: Sự phụ thuộc của độ từ hóa vào từ trường ứng với các nhiệt độ khác nhau của vật liệu siêu dẫn LSCO 47

Hình 3 2: Sự phụ thuộc của độ từ hóa vào từ trường ứng với các nhiệt độ khác nhau trên Tc 48 Hình 3 3: Sự phụ thuộc của độ từ hóa vào nhiệt độ ứng với các từ trường nhỏ khác nhau 49 Hình 3 4: Sự phụ thuộc của độ từ hóa vào nhiệt độ ứng với các từ trường lớn khác nhau 49

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Siêu dẫn là hiện tượng được Heike Kamerling Ones phát hiện năm 1911 – ông

là nhà vật lý nổi tiếng người Hà Lan đã được tặng giải thưởng Nobel vật lý năm 1913 Khi một vật dẫn được làm lạnh đến một nhiệt độ gọi là nhiệt độ tới hạn sẽ xuất hiện trạng thái siêu dẫn, trong đó điện trở của kim loại bằng không

Cho đến nay, vật liệu siêu dẫn đóng một vai trò rất quan trọng trong cuộc sống của con người c ng như đối với sự phát triển của khoa học k thuật Vật liệu này đã được ứng dụng sâu rộng trong cuộc sống như chuyển tải điện năng, tầu chạy trên đệm

từ, máy quét Magnetic Resonance Imaging (MRI) dùng trong y học, siêu máy tính, tiềm năng cho các ứng dụng thương mại rộng rãi… Các ứng dụng này đều dựa vào tính chất từ và tính chất dẫn của vật liệu siêu dẫn Điều đó cho thấy rằng tiềm năng của siêu dẫn là rất lớn mà con người còn chưa thể khám phá hết

C ng bởi thế, các vấn đề về siêu dẫn luôn là chủ đề thu hút được giới khoa học quan tâm cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm [6,7,12] Do đó việc tìm hiểu vật liệu siêu dẫn cần phải được các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu và phát triển, đặc biệt là các nhà vật lý lý thuyết Việc xây dựng một mô hình lý thuyết về vật liệu siêu dẫn hoàn chỉnh sẽ là cơ sở quan trọng giúp cho con người hiểu rõ hơn về loại vật liệu tương lai này, nó c ng là nền tảng để đưa loại vật liệu này vào các ứng dụng thực tiễn trong khoa học và k thuật

Lý thuyết Ginzburg-Landau (GL) rất thành công trong việc miêu tả nhiều tính chất nhiệt động và tính chất truyền dẫn của siêu dẫn nhiệt độ cao Lý thuyết của sự dẫn điện

và nhiệt (bao gồm hiệu ứng Nernst) dựa trên cơ sở là phương trình GL phụ thuộc thời gian có tính đến thăng giáng nhiệt mạnh của siêu dẫn đã được phát triển từ lâu bởi S.Ullah và A.T.Dorsey [10] Trong các nghiên cứu đó, chỉ thu được kết quả tường minh với mức Landau thấp nhất Biểu thức tổng quát cho tất cả các mức Landau rất

phức tạp Gần đây hơn, I.Ussishkinet al.[11] đã tính toán hiệu ứng Nernst cho nhiệt độ

trên nhiệt độ tới hạn Tc do đóng góp của thăng giáng Gaussian (bỏ qua số hạng tương tác bậc 4 trong biểu thức năng lượng tự do GL), tuy nhiên kết quả tính toán của họ chỉ mới xét đóng góp của mức Landau thấp nhất Các tính chất truyền dẫn và tính chất nhiệt động của vật liệu này có thể thay đổi lớn trong lân cận của nhiệt độ chuyển pha

do đóng góp của thăng giáng

Nghiên cứu ảnh hưởng của thăng giáng nhiệt lên độ từ hóa trong vật siêu dẫn ở nhiệt độ cao là một vấn đề nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong thời gian qua Trong khi kết quả thực nghiệm về tính chất truyền dẫn ví dụ như hiệu ứng Nernst đang có những vấn đề tranh luận nóng và những tính toán lí thuyết đã làm, thì dữ liệu thực nghiệm rõ ràng nhất đến từ việc đo độ từ hóa gần đây trong

Bi2Sr2CaCu2 O8+ (BSCCO) và YBa2Cu3O7 (YBCO) Trong tất cả các tính toán này (ngoại trừ trường hợp từ trường lớn mà cho phép sử dụng gần đúng mức Landau thấp nhất) thì thăng giáng giả sử là đủ nhỏ, vì vậy có thể sử dụng lí thuyết nhiễu loạn để tính toán ảnh hưởng của thăng giáng Trong lí thuyết Ginzburg-Landau, đóng góp nhiễu loạn quan trọng nhất gọi là lí thuyết thăng giáng Gaussian (bỏ qua ảnh hưởng của số hạng bậc 4 trong biểu thức năng lượng tự do Ginzburg-Landau) So sánh kết quả tính toán độ từ hóa theo lí thuyết thăng giáng Gaussian với dữ liệu thực nghiệm cho thấy chỉ phù hợp với một đường đơn lẻ mà không phù hợp với đồng thời một số đường quan trọng gần TC trong giản đồ pha Do đó để tính toán lí thuyết độ từ hóa nói riêng và các đại lượng nhiệt động nói chung c ng như các hệ số truyền dẫn đối với thăng giáng nhiệt mạnh, chúng ta phải vượt ra ngoài lí thuyết thăng giáng Gaussian Ảnh hưởng của

số hạng bậc 4 trong biểu thức năng lượng tự do Ginzburg-Landau phải được tính đến gọi là lí thuyết thăng giáng tự hợp, được sử dụng rộng rãi trong vật lí về các quá trình chuyển pha và c ng đã được áp dụng để nghiên cứu các tính chất truyền dẫn trong từ trường

Vì vậy chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu “Ảnh hưởng của thăng giáng nhiệt lên

độ từ hóa của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao” (thăng giáng nhiệt của tham số trật tự mô

tả quá trình chuyển pha siêu dẫn) bằng lí thuyết vĩ mô Ginzburg-Landau

2 Mục đích nghiên cứu

Xây dựng biểu thức giải thích bao gồm ảnh hưởng của thăng giáng nhiệt lên độ

từ hóa của vật liệu siêu dẫn, tính toán kết quả và so sánh với dữ liệu thực nghiệm gần đây

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Trong luận văn này chúng tôi sẽ nghiên cứu và tính toán sự đóng góp của thăng giáng nhiệt lên độ từ hóa có xét đến số hạng bậc 4 trong biểu thức năng lượng tự do Ginzburg-Landau, so sánh với các dữ liệu thực nghiệm xung quanh nhiệt độ chuyển pha TC

4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

Các nghiên cứu tính toán được thực hiện trong trong phạm vi của vật lý lý thuyết

5 Phương pháp nghiên cứu

Ngoài sử dụng phương pháp hàm Green để giải phương trình Ginzburg-Landau phụ thuộc thời gian, chúng tôi còn sử dụng phần mềm chuyên dụng Mathematica để tính số và vẽ đồ thị

6 Cấu trúc luận văn

Với mục tiêu như vậy, luận văn gồm 3 chương được trình bày theo thứ tự sau :

Chương 1: Tóm tắt sơ lược về siêu dẫn: khái niệm cơ bản, một số lý thuyết

quan trọng áp dụng cho siêu dẫn, ứng dụng của các vật liệu siêu dẫn

Chương 2: Trình bày lý thuyết Ginzburg-Landau

Chương 3: Tính toán sự đóng góp của thăng giáng nhiệt lên độ từ hóa của vật

liệu siêu dẫn nhiệt độ cao trong mô hình GL hai chiều

CHƯƠNG I: SƠ LƯỢC VỀ SIÊU DẪN 1.1 Siêu dẫn

1.1.1 Vài nét về sự phát triển của siêu dẫn [5,13]

Hiện tượng siêu dẫn đầu tiên được tìm ra bởi Kamerling Onnes vào năm 1911 khi ông hóa lỏng được khí trơ cuối cùng là Heli Việc hóa lỏng Heli đã tạo điều kiện cho việc nghiên cứu kim loại ở nhiệt độ rất thấp Nhờ đó, khi làm thí nghiệm với thủy ngân ông nhận thấy sự phụ thuộc của điện trở thủy ngân vào nhiệt độ khác hẳn so với các kim loại khác Khi ông hạ nhiệt độ của thủy ngân xuống dưới TC = 4,15K, thì điện trở của nó thay đổi một cách đột ngột và biến mất Hiện tượng nói trên được gọi là hiện tượng siêu dẫn và TC được gọi là nhiệt độ tới hạn Một năm sau đó, ông đã khám phá ra rằng khi đặt mẫu siêu dẫn trong từ trường đủ lớn thì mẫu sẽ trở lại trạng thái thông thường Đến năm 1914, ông tiếp tục phát hiện ra dòng điện phá vỡ tính siêu dẫn Cách

đó 12 năm ông tiếp tục công bố hiện tượng mất điện trở tương tự ở Thiếc và Chì Đến năm 1930, hợp kim siêu dẫn đầu tiên được tìm ra

Sau khi hiện tượng siêu dẫn đầu tiên được tìm ra thì các lý thuyết hiện tượng luận của siêu dẫn lần lượt được ra đời có thể kể đến như: “Hiệu ứng Meissener (1933)”, cho biết hiện tượng các đường sức điện bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn khi làm lạnh siêu dẫn trong từ trường; “Lý thuyết Ginzburg-Landau (1950)”, mô tả hiện tượng siêu dẫn thông qua tham số trật tự và cho ta một cách rút ra phương trình London”; “Lý thuyết BCS (1957)…

Đến năm 1985, hầu hết các chất siêu dẫn được tìm ra đều có nhiệt độ tới hạn không vượt quá 24K và chất lỏng He vẫn là môi trường duy nhất để nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn

Vào năm 1986, J.G.Bednorz và K.A.Muller tìm thấy hiện tượng siêu dẫn trong La-Ba-CuO, nó có điện trở giảm mạnh trong vùng 30K – 35K và giảm về không ở

12K Từ đây ngành vật lý siêu dẫn nhiệt độ cao ra đời, đánh dấu sự phát triển vượt bậc của khoa học trong lĩnh vực siêu dẫn

Một điều bất ngờ là vào năm 1991 người ta đã tìm thấy hiện tượng siêu dẫn trong hợp chất Kxc60 với nhiệt độ chuyển pha cỡ 30K Điều đó có nghĩa là khi siêu dẫn thực sự tồn tại trong chất hữu cơ mà cơ chế siêu dẫn nhiệt độ cao gây bởi lớp Cu-O trong vật liệu mới này đã trở nên không còn ý nghĩa nữa

Năm 1994, nhóm tác giả R.J.Cava đã tìm thấy siêu dẫn trong chất Intermatellic – LnNi2B2C (Ln=Y, Tm, Er, Ho, Lu) có nhiệt độ chuyển pha cỡ 13K – 17K Tuy loại vật liệu này có TC không cao nhưng đây là một phát minh quan trọng vì nó mở ra con đường tìm kiếm vật liệu siêu dẫn trong các hợp kim liên kim loại (Intermetallic) và các vật liệu từ, cái mà trước nay người ta vẫn cho rằng không có khả năng tồn tại siêu dẫn

Như vậy, cho đến nay đã có rất nhiều hợp chất siêu dẫn mới được phát hiện và nhiệt độ chuyển pha của chúng không ngừng được nâng cao Hiện nay người ta đang

cố gắng tổng hợp được chất siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha ở nhiệt độ phòng

1.1.2 Các khái niệm về siêu dẫn [13]

Siêu dẫn là một trạng thái vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn mà ở đó nó cho

phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở và khi đặt siêu dẫn vào trong từ trường thì từ trường 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

Hình 1 1 :Sự mất điện trở của chất siêu dẫn nhiệt độ thấp

Trạng thái siêu dẫn là trạng thái mà điện trở của một chất đột ngột biến mất,

nghĩa là chất đó có thể cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở

ở một nhiệt độ xác định

1.1.3 Các giá trị tới hạn của siêu dẫn

Một vật liệu siêu dẫn luôn được xác định bởi 3 tham số là nhiệt độ tới hạn, từ trường tới hạn và mật độ dòng tới hạn

Nhiệt độ tới hạn (hay nhiệt độ chuyển pha) là nhiệt độ mà tại đó điện trở hoàn

toàn biến mất Khi hạ nhiệt độ của vật liệu tới nhiệt độ này thì vật liệu chuyển từ trạng

thái thường sang trạng thái siêu dẫn, kí hiệu là T C

Từ trường tới hạn là giá trị của từ trường khi mà tăng từ trường ngoài đến giá

trị này thì vật ở trạng thái siêu dẫn chuyển sang trạng thái thường, kí hiệu là H C Từ trường tới hạn là hàm nhiệt độ tuân theo quy luật:

Ở đây, ( ) là từ trường tại nhiệt độ , ( ) là từ trường tại nhiệt độ T nào

đó, tại thì ( )

Hình 1 2: Sự phụ thuộc của từtrườngtới hạn vào nhiệt độ và đường cong ngưỡng

Hình 1 3: Đường cong ngưỡng của một vài chất siêu dẫn thường gặp

Ta thấy khi từ nhiệt độ giảm thì từ trường tới hạn tăng và khi thì ( )

độ dòng điện chạy qua chất siêu dẫn đạt đến giá trị này thì chất siêu dẫn chuyển sang trạng thái thường mặc dù T< TC và H< HC Hay nói ngắn gọn, dòng tới hạn là dòng điện lớn nhất khi điện trở của chất siêu dẫn xem như bằng không

1.1.4 Các tính chất quan trọng của siêu dẫn [3,13,14]

1.1.4.1 Tính chất từ

Tính nghịch từ của vật dẫn lý tưởng: Ở phần trên cho thấy, chất siêu dẫn ở dưới

nhiệt độ chuyển pha của nó biểu hiện không có điện trở Những vật dẫn như vậy được

gọi là vật dẫn lý tưởng (hoặc vật dẫn hoàn hảo)

Giả thiết rằng: Khi siêu dẫn được làm lạnh trong một từ trường xuống dưới TC

thì các đường sức từ bên trong mẫu bị đẩy ra ngoài, đồng thời từ trường bên trong mẫu bằng không Khi giảm từ trường về 0 thì mật độ từ thông bên trong kim loại có độ dẫn

lý tưởng không thể thay đổi và dòng bề mặt sẽ xuất hiện để duy trì từ thông bên trong

nó Hiện tượng này được phát hiện bởi Meissener và Ochosenfied năm 1933 và được

gọi là hiệu ứng Meissner Hiệu ứng Meissner cho thấy nếu mẫu ở trong trạng thái siêu

dẫn mà đặt vào từ trường thì các đường sức từ bị đẩy ra không thể đi sâu vào trong mẫu Điều đó có nghĩa là trong một từ trường yếu, vật siêu dẫn là một nghịch từ lý

tưởng

Hình 1 4: Tính chất từ của chất siêu dẫn

(a)-(b) Làm lạnh mẫu khi không có từ trường ngoài

(c) Mẫu siêu dẫn được đặt trong từ trường

trong đó: là hệ số từ hóa, M là độ từ hóa( từ độ)

Mặt khác, xuất phát từ trường cơ bản của điện động lực học thì định luật Ohm được biểu diễn trong điện trường theo mật độ dòng điện và điện trở suất là:

⃗ (1.7) Khi thì ⃗ nghĩa là ngay cả khi làm lạnh chất siêu dẫn xuống dưới nhiệt

1.1.4.2 Tính chất điện

Tính dẫn điện lý tưởng: Những vật dẫn có điện trở bằng 0 được gọi là vật dẫn lý

tưởng hay vật dẫn hoàn hảo Khi một chất được làm lạnh đến một nhiệt độ TC nhất định thì chất có điện trở bằng 0 Ở trạng thái siêu dẫn chất có tính dẫn điện lý tưởng Đây là

một trong những đặc tính quan trọng của siêu dẫn

Tất nhiên, không thể chứng minh được bằng thực nghiệm rằng điện trở trong thực tế là 0, bởi vì điện trở của nhiều chất trong trạng thái siêu dẫn có thể nhỏ hơn độ nhạy mà các thiết bị đo cho phép có thể ghi nhận được Trong trường hợp nhạy hơn, cho dòng điện chạy xung quanh một xuyến siêu dẫn khép kín, khi đó nhận thấy dòng điện hầu như không suy giảm sau một thời gian rất dài Giả thiết rằng tự cảm của xuyến là L, khi đó nếu ở thời điểm ta bắt đầu cho dòng ( ) chạy vòng quanh xuyến, tại thời điểm , cường độ dòng điện chạy qua xuyến tuân theo công thức:

Ở đây, R là điện trở của xuyến Chúng ta có thể đo từ trường tạo ra dòng điện bao quanh xuyến Phép đo từ trường không lấy năng lượng từ mạch điện mà vẫn cho ta khả năng quan sát dòng điện luân chuyển không thay đổi theo thời gian và có thể xác định được điện trở của kim loại siêu dẫn cỡ < 10-26m Giá trị thỏa mãn kết luận điện

trở của kim loại siêu dẫn bằng 0

1.1.4.3 Tính chất mới “electronic nematicity” [16]

Khi nói về chất siêu dẫn, các nhà khoa học thường ví nó là vật liệu của tương lai, thứ tạo nên một cuộc cách mạng mới trong công nghiệp và thay đổi cả thế giới Điều này chỉ đạt được khi trạng thái siêu dẫn của vật chất tồn tại ở nhiệt độ phòng

Trong nhiều thập kỷ các nhà khoa học không ngừng suy nghĩ về điều này, tuy nhiên, nhiệt độ cao nhất mà họ đạt được chỉ là -140oC Mới đây, một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Waterloo, Canada tuyên bố họ đã tìm ra chìa khóa của vấn đề, giúp chúng ta tiến nhanh đến siêu dẫn ở nhiệt độ phòng

Hình 1 5: Một vật lơ lửng trong không trung, biểu tượng của vật liệu siêu dẫn Tại sao chất siêu dẫn có thể tạo nên một cuộc cách mạng mới? Lí do đến từ những tính chất tuyệt vời của nó Siêu dẫn giảm điện trở của vật liệu xuống bằng 0

Điều đó có nghĩa là hệ thống truyền tải điện và tất cả các cỗ máy có thể hoạt động vô cùng hiệu quả với thất thoát năng lượng giảm đáng kể

Bên cạnh đó, tính chất từ của siêu dẫn sẽ hiện thực hóa những giấc mơ như tàu siêu tốc 1.200 km/h của Tesla hay đơn giản là những ván trượt lơ lửng của Lexus

Mặc dù đã tạo ra được chất siêu dẫn và ứng dụng chúng vào cuộc sống trong hơn một thế kỷ, tính kinh tế của chất siêu dẫn còn rất hạn chế Điều đó đến từ việc trạng thái siêu dẫn của vật chất thông thường chỉ đạt được khi hạ nhiệt độ của nó xuống sát ngưỡng 0K, tương đương -273o

C

Quá trình này thậm chí tiêu tốn nhiều hơn rất nhiều năng lượng chúng ta tiết kiệm được khi ứng dụng chất siêu dẫn Nó sử dụng Nitơ hoặc Heli lỏng để làm lạnh Điều này đội giá của tất cả các thiết bị và hoạt động sử dụng siêu dẫn ngày nay, từ máy móc y tế hàng ngày cho đến máy gia tốc hạt khổng lồ và các thí nghiệm vật lý của CERN

Hình 1 6: Một con tàu có thể lơ lửng cả ở trên và dưới đường ray nhờ siêu dẫn

Trong nhiều thập kỷ qua, nhiệt độ đạt được trạng thái siêu dẫn của vật chất đang được các nhà khoa học tăng dần lên Năm 2014, lần đầu tiên trạng thái siêu dẫn có thể đạt được ở nhiệt độ cao kỷ lục: -140oC với áp suất khí quyển Thậm chí, họ có thể khiến một chất trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ phòng trong vài phần tỷ giây

Tuy nhiên, chính các nhà khoa học trong nhóm nghiên cứu thực hiện điều này

c ng không hiểu tại sao nó xảy ra nên không thể dự đoán nó Lần đạt siêu dẫn ở nhiệt

độ phòng năm 2014 được tính là là không đáng tin cậy

Chính vì vậy, nhóm các nhà vật lý tại Đại học Waterloo, Canada, dẫn đầu bởi tiến sĩ David Hawthorn, quyết định tiếp tục nghiên cứu vấn đề này Họ muốn tìm hiểu xem chính xác những gì xảy ra khi một chất đạt trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ cao Khi

đó, chúng ta có thể tinh chỉnh quá trình để khiến điều này xảy ra thường xuyên ở nhiệt

độ cao nhất có thể

Hawthorn và nhóm của ông sử dụng những tia X mềm tán xạ để nhìn sâu vào điều xảy ra bên trong các vật liệu gốm đồng oxyt Đây là vật liệu tốt nhất mà chúng ta

có thể tạo ra để đạt trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ cao

Khi nhìn vào sâu các lớp nguyên tử, nhóm nhiên cứu phát hiện một cấu trúc đặc

biệt Họ tin rằng đây chính là chiếc công tắc để "bật tắt" trạng thái siêu dẫn của vật

chất ở nhiệt độ cao, giải thích cho việc đôi khi nhóm nghiên cứu trước đạt được siêu dẫn còn đôi khi thì không

Hình 1 7: Cấu trúc vật liệu gốm đồng oxyt trong nghiên cứu

Thách thức lớn nhất đối với nhóm nghiên cứu hiện nay là “electronic

nematicity” liệu sẽ liên quan thế nào đến quá trình dao động mật độ điện tích Điều này

vô cùng phức tạp nhưng có ý nghĩa rất quan trọng “Thông thường, các điện tử phân phố rất đồng đều Tuy nhiên, khi các điện tích xếp thành một trật tự chúng tạo thành các bó điện tử, giống như những gợn sóng trên mặt hồ”, đại diện Đại học Waterloo giải thích “Điều này thiết lập một cuộc cạnh tranh Vật liệu sẽ dao động giữa trạng thái siêu dẫn và không siêu dẫn Cho đến khi nhiệt độ hạ xuống đủ thấp để trạng thái siêu dẫn giành chiến thắng”

Mục đích cuối cùng là kiểm soát trạng thái siêu dẫn của vật chất ở nhiệt độ phòng một cách đáng tin cậy

Có thể thấy rằng, công việc của các nhà khoa học mới chỉ đi đến 1/3 quãng đường Nhưng dù sao đó c ng là một bước quan trọng hơn để đạt đến ước mơ vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao Phải nhắc lại một điều rằng vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao là thứ có thể tạo ra cuộc cách mạng mới trong công nghiệp và thay đổi cả thế giới

Để kiểm tra lý thuyết đó người ta làm thực nghiệm và đưa ra hai kết quả:

+ Hiệu ứng đồng vị cho thấy sự phụ thuộc của nhiệt độ TC vào số khối của chất siêu dẫn Nó cho ta thấy rằng: dao động mạng và sự chuyển động của hạt nhân nguyên

tử đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định nhiệt độ tới hạn TC

+ Thực nghiệm cho thấy trong hệ siêu dẫn giữa trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích sơ cấp có sự tồn tại của khe năng lượng 2 3k T B C Như vậy, khe năng lượng được sinh ra trong vùng bị kích thích, tức là các điện tử ở trang thái siêu dẫn đã tạo thành các cặp liên kết và phải cần một năng lượng đúng bằng 2 mới làm tách chúng ra được

1.1.5.2 Cặp Cooper

Vào năm 1956, Cooper đã nghiên cứu và khảo sát vấn đề tương tác gián tiếp giữa hai điện tử thông qua dao động mạng và ông đưa ra kết luận: Ở trạng thái siêu dẫn, các điện tử có xung lượng và spin đối song ( ngược chiều và có độ lớn bằng nhau)

được ghép lại thành từng cặp, được biễu diễn là 2e (k, -k), với k là vecto sóng biểu

diễn xung lượng của điện tử, m i tên biểu diễn spin của mỗi điện tử trong cặp Ta gọi chúng là cặp Cooper, các cặp Cooper có năng lượng kết hợp xác định

Lý thuyết BCS đã chứng minh rằng, trong những điều kiện nhất định thế năng tương tác hiệu dụng giữa hai điện tử là âm, nghĩa là chúng hút nhau và tạo thành từng cặp Tương tác này tồn tại do có lực hút giữa hai điện tử thông qua trường phonon ảo (một điện tử phát xạ phonon và một điện tử khác hấp thụ ngay phonon này) Khi đó có một cặp Cooper được tạo thành, năng lượng của hệ sẽ giảm đi, hệ sẽ trở nên bền vững hơn Kết quả là hệ điện tử sẽ trở về trạng thái có năng lượng bé hơn bằng cách tạo thành nhiều cặp Cooper Mỗi cặp Cooper được khảo sát như một chuẩn hạt có xung lượng và spin băng không Do đó chúng có thể chuyển động không ma sát, tức là có thể dẫn điện với điện trở suất bằng không

Ở trạng thái siêu dẫn, tất cả các điện tử đều tồn tại dưới dạng cặp Cooper Như

vậy dòng siêu dẫn là dòng tạo bởi các cặp Cooper 2e (k, -k) Hạt tải trong vật siêu

dẫn là cặp Cooper 2e (k, -k) Tuy nhiên nhiệt độ TC của chất siêu dẫn được tiên đoán bởi BCS không thể lớn hơn 30K

1.1.6 Phân loại siêu dẫn trên cơ sở tính chất từ [4]

Dựa vào tính chất từ của vật dẫn, ta chia siêu dẫn làm hai loại là siêu dẫn loại I

và siêu dẫn loại II

trong vùng H > Hc , trạng thái siêu dẫn bị phá vỡ, từ trường thâm nhập hoàn toàn vào chất siêu dẫn như một quá trình thuận từ, trong đó Hc là từ trường tới hạn nhiệt động

Siêu dẫn loại II: từ trường bị đẩy khỏi chất siêu dẫn hoàn toàn khi H tương đối

yếu trong vùng H < HC1 ; trong vùng HC1< H < HC2 , từ trường bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn từng bộ phận và trong mẫu vẫn duy trì dòng siêu dẫn cho đến khi H > HC2 , khi đó

từ trường thấm hoàn toàn vào chất siêu dẫn và trạng thái siêu dẫn biến mất Từ trường tới hạn nhiệt động Hc nằm trong vùng HC1< HC< HC2

Hình 1 8: Đường cong từ hóa của các chất siêu dẫn theo từ trường

Siêu dẫn loại I và loại II đều có chung cơ chế lí thuyết - bản chất là tương tác hút electron - electron thông qua phonon

Điểm khác nhau cơ bản trong chất siêu dẫn loại I và siêu dẫn loại II là trong siêu dẫn loại II tồn tại vùng hỗn hợp hay vùng xoáy bao gồm cả trạng thái siêu dẫn và

không siêu dẫn Vì thế, hiệu ứng Meissner đối với siêu dẫn loại I là hoàn toàn đúng, với siêu dẫn loại II thì không hoàn toàn đúng

Hình 1 9: Sự biến thiên của từ độ phụ thuộc từ trường của siêu dẫn loại I (a) và loại II

(b)

Hình 1 10: Sự xuyên từ thông trong trạng thái hỗn hợp

1.2 Siêu dẫn nhiệt độ cao

Siêu dẫn là loại vật liệu có những ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với các vật liệu thông thường khác, tuy nhiên việc ứng dụng loại vật liệu này vào cuộc sống lại gặp rất nhiều trở ngại bởi việc làm lạnh vật liệu xuống dưới nhiệt độ tới hạn để đạt được

trạng thái siêu dẫn là vô cùng khó (vì thường rất nhỏ so với nhiệt độ phòng) Đó

c ng là lí do mà ngay từ khi bắt đầu nghiên cứu về siêu dẫn người ta đã cố gắng tìm ra các vật liệu có cao nhất có thể Để hiểu rõ hơn về điều đó, ta có thể tìm hiểu thông qua các nội dung sau:

1.2.1 Khái niệm

Siêu dẫn nhiệt độ cao là hiện tượng siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha từ vài chục Kelvin trở lên

Hiện tượng này được khám phá từ năm 1980 và không thể giải thích được bằng

lý thuyết BCS vốn thành công với các chất siêu dẫn cổ điển được tìm thấy trước đó

1.2.2 Tính chất

Các chất siêu dẫn nhiệt độ cao c ng có các tính chất cơ bản của chất siêu dẫn nhiệt độ thấp như điện trở giảm về không khi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ tới hạn TC và tồn tại hiệu ứng Meissner Ngoài ra, vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao còn có các tính chất

riêng như:

+ Cấu trúc tinh thể là cấu trúc lớp và không đẳng hướng Các vật liệu này hầu hết có cấu trúc hai chiều là các mặt CuO2 và chuỗi CuO

+ Giá trị hệ số  trong hiệu ứng đồng vị nằm trong một khoảng rất rộng chứ

không bằng ½ như trong siêu dẫn nhiệt độ thấp

+ Độ dài kết hợp ngắn cỡ 10-7 cm, điều này làm tăng đáng kể ảnh hưởng của thăng giáng trong vùng lân cận TC Do đó hầu hết các siêu dẫn nhiệt độ cao đều thuộc

siêu dẫn loại II

1.2.3 Sơ lược tiến trình phát triển của các siêu dẫn nhiệt độ cao

Năm 1974, vật liệu gốm siêu dẫn được phát hiện với hợp chất BaPb1-xBixO3 (x= 0,25) có Tc cực đại cỡ 13K Mặc dù chuyển pha ở mức này không cao nhưng nó

mở ra một hướng mới là có thể tìm kiếm vật liệu siêu dẫn cả trong các hợp chất gốm,

chứ không phải chỉ ở kim loại nguyên chất hoặc hợp kim

Trong vòng 75 năm (1911-1985), chất Heli lỏng vẫn là môi trường duy nhất dùng

để nghiên cứu vật liệu siêu dẫn với nhiệt độ chuyển pha Tc không vượt quá 24K Tuy

nhiên, có một hạn chế lớn là quá trình tạo ra Heli lỏng rất phức tạp và tốn kém

Ngày 27/01/1986, hai nhà Vật lí là K.A Muler và J.G.Bednorz làm việc tại phòng thí nghiệm của hãng IBM ở Zurich (Thụy Sĩ) đã công bố: “Hợp chất Ba0.75La4.25Cu504(3-y) có điện trở giảm mạnh trong vùng 30 - 35K và bằng 0 ở 12K” Phát minh này đã mở ra một kỉ nguyên mới nghiên cứu về siêu dẫn nhiệt độ cao trên toàn thế giới

Năm 1986 nhóm TOKYO đã xác định được (La0.85Ba0.15)2CuO4-δ có cấu trúc Perovskite loại K2NiF4 có TC cỡ 30K

Năm 1991, một số nhà khoa học đã tìm ra siêu dẫn trong các hợp chất hữu cơ KxC60 với Tc lên đến 28 K Một phát hiện rất quan trọng c ng vào năm đó là các nhà khoa học ở AT&T đã tìm thấy siêu dẫn hữu cơ là chất C60Rb3 có TC cỡ 30 K Đó không chỉ là một bất ngờ lớn cho các nhà khoa học khi siêu dẫn tồn tại trrong chất hữu

cơ mà cơ chế siêu dẫn nhiệt độ cao gây bởi các lớp Cu-O trong vật liệu mới này đã trở

nên không còn ý nghĩa

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, Ho, Lu) có nhiệt độ TC cỡ 13 - 17 K Nó mở ra con đường tìm kiếm vật liệu siêu dẫn trong các hợp kim liên kim loại (Intermetallic) và trong các vật liệu từ - một vấn đề mà từ trước đến nay người ta vẫn cho rằng không có khả năng tồn tại Cho đến nay, đã có rất nhiều hợp chất siêu dẫn mới được phát hiện

1.3 Một vài ứng dụng điển hình của siêu dẫn

1.3.1 Máy chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI)

Đây loại máy sử dụng nam châm siêu dẫn để có một từ trường đủ mạnh để cho nguyên tử hydro bên trong chất béo của con người và các phân tử nước được tăng lên

mức năng lượng nào đó có thể đo được bằng các dụng cụ đặc biệt, MRI (Magnetic Resonance Imaging được dùng trong y học (quét ảnh bằng cách đo tiếng dội lại của âm thanh) để khám các mô trong cơ thể

Bác sĩ phải đặt vào trong cơ thể một nguồn từ mạnh có nguồn gốc siêu dẫn để kiểm tra những gì đang diễn ra trong cơ thể người bệnh, Bằng cách này, các nguyên tử hidro có trong nước và mỡ sẽ bị buộc phải chấp nhận năng lượng của từ trường Sau

đó, các nguyên tử hidro sẽ giải phóng năng lượng này ra theo tần số mà máy tính có thể nhận biết và vẽ trên bản đồ Công nghệ MRI đã ra đời vào giữa những năm 1940 và được thử nghiệm lần đầu tiên trên người vào năm 1977 Tuy nhiên ở thời điểm đó, k thuật này phải mất đến 5 tiếng mới tạo ra được một hình ảnh Dù vậy, công nghệ này vẫn làm vinh danh 2 nhà nghiên cứu khoa học Felix Bloch và Edward Purcell với giải Nobel Vật lý năm 1952

Đến năm 1986, công nghệ MRI cho ra ảnh chỉ trong 5 giây Năm 1992, công nghệ này đã có thể lập nên bản đồ của nhiều vùng chức năng trong não Hiện nay, nhóm Korean Superconductivity Group đã nâng công nghệ MRI lên một tầng cao mới với sự phát triển của thiết bị SQUID (Superconducting Quantum Interference Device = máy giao thoa lượng tử dùng siêu dẫn) trong công nghệ lập bản đồ các vùng chức năng của não (MEG) Thiết bị này có thể cảm nhận được sự thay đổi rất nhỏ của từ trường, nhỏ hơn cả 1 phần tỉ lần lực để di chuyển cái kim của compa Với công nghệ mới này, bác sĩ có thể thăm dò cơ thể người đến một mức độ nhất định mà không cần sử dụng từ trường mạnh như công nghệ MRI

Hình 1 11: Máy cộng hưởng từ (MRI) và hình ảnh chụp qua máy được ghi nhận lại

1.3.2 Truyền tải điện năng

Vận chuyển điện năng là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của chất siêu dẫn Do điện trở, điện năng bị tổn thất rất nhiều trong quá trình truyền tải chính là một vấn đề nan giải hiện nay, trong tình trạng bình thường, để nâng cao hơn nữa dung lượng điện truyền tải, chỉ có hướng phát triển dòng điện siêu cao áp Ngoài ra, vấn đề bảo vệ người sử dụng điện khỏi sự tác động của các quá dòng điện ngày càng lớn, tức

là các dòng điện sự cố c ng rất quan trọng

Đột phá về công nghệ trong k thuật cáp giúp các công ty điện lực khắc phục được cả hai vấn đề này là loại cáp sử dụng sợi siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS), mỏng như sợi tóc, có độ dẫn điện cao gấp 150 lần dây đồng có cùng kích cỡ Khi đặt vào trong cáp, sợi siêu dẫn này hoạt động như một dây dẫn hoàn hảo Áp HTS ở cấp điện áp bất

kỳ, dẫn điện gấp 10 lần so với các cáp đồng truyền thống Cùng truyền tải một công suất nhất định, cáp HTS có thể thực hiện ở cấp điện áp thấp hơn nhiều so với cấp điện

áp thường được sử dụng

Cáp HTS gần như không phát ra từ trường, nhờ đó một mặt giảm yêu cầu về hành lang tuyến, mặt khác không cần phải giảm công suất cáp khi chúng được bố trí gần các đường cáp khác hay là các cơ sở hạ tầng ngầm Các lợi ích về môi trường và về quan hệ cộng đồng do việc không phát ra từ trường c ng rất rõ ràng Bên cạnh đó, vì cáp HTS nằm trong vỏ bọc nhiệt độc lập do có hệ thống làm lạnh, nên không cần tính đến việc giảm công suất cáp tùy theo phương pháp chôn cáp, độ sâu hoặc loại đất Do

đó, cáp HTS là lý tưởng để lắp đặt ở các vị trí có hành lang tuyến bị hạn chế, đặc biệt

là khi cần phải truyền tải một lượng công suất lớn

Hình 1 12: Cáp siêu dẫn nhiệt độ cao (high-temperature superconductor)

(mỏng như sợi tóc dẫn điện gấp 150 lần dây đồng có cùng kích cỡ)

Tuy phải đáp ứng một số điều kiện, trong đó đáng lưu ý nhất là phải duy trì nhiệt độ của cáp thấp hơn một nhiệt độ tới hạn nào đó, tuy nhiên hệ thống cáp được làm lạnh liên tục bằng nitơ lỏng, là chất không hề đắt và an toàn với môi trường Điều này c ng giúp tránh được việc sử dụng dầu cách điện như đối với nhiều loại cáp công suất lớn thông dụng ở các thành phố của M Hiện nay, hệ thống cáp điện siêu dẫn đã được lắp đặt thử nghiệm tại đảo Long Island, California và tiếp theo sẽ là thành phố New York