Hành trình hướng đến điện trở bằng không - Phần 1

KỈ NIỆM 100 NĂM KHÁM PHÁ RA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN

Paul Michael Grant (Physics World, tháng 4/2011)

Kể từ khi khám phá ra nó cách đây 100 năm trước, kiến thức của chúng ta về sự siêu dẫn đã phát triển qua một chặng đường chẳng êm ái gì cho lắm. Paul Michael Grant giải thích tại sao hiện tượng đẹp đẽ, tao nhã, và sáng giá này tiếp tục ngáng chân và làm tiêu tan hi vọng của các nhà vật lí vật chất ngưng tụ ngày nay.

Trong số những khám phá trong ngành vật lí vật chất ngưng tụ trong thế kỉ thứ 20, một số người có thể gọi sự siêu dẫn là “viên ngọc sáng giá”. Những người khác thì có thể nói rằng vinh dự đúng ra nên thuộc về các chất bán dẫn hoặc sự giải thích cấu trúc của ADN, vì những lợi ích to lớn mà hai khám phá này mang đến cho nhân loại. Nhưng sẽ không ai phủ nhận rằng khi một đội khoa học, đứng đầu là Heike Kamerlingh Onnes tình cờ bắt gặp sự siêu dẫn – sự vắng mặt tuyệt đối của điện trở - tại một phòng thí nghiệm ở thành phố Leiden, Hà Lan, cách nay 100 trước, cộng đồng khoa học đã thật sự bất ngờ. Biết rằng các electron thường dẫn điện không hoàn hảo bởi sự va chạm liên tục với mạng nguyên tử mà chúng đi qua, cho nên thực tế sự dẫn điện còn có khả năng hoàn hảo dưới những điều kiện thích hợp đã – và đang – chắc chắn chẳng hơn gì sự thần kì cả.

Việc khám phá ra sự siêu dẫn là đỉnh điểm của một cuộc chạy đua giữa Onnes và nhà vật lí người Anh James Dewar khi họ cạnh tranh nhau đạt tới nhiệt độ không tuyệt đối, dùng những dụng cụ ngày một phức tạp hơn để hóa lỏng các chất khí. Onnes đã chiến thắng sau khi ông hóa lỏng thành công helium bằng cách làm lạnh nó xuống 4,2 K, nhờ đó ông đã giành giải thưởng Nobel Vật lí năm 1913. (Kỉ lục nhiệt độ thấp hiện nay giữ ở mức 10^-15 K, mặc dù, tất nhiên, về mặt nhiệt động lực học, không thể nào đạt tới độ không tuyệt đối) Nhưng các nhà vật lí không chỉ muốn đạt tới nhiệt độ thấp thôi, mà họ còn muốn khai thác nó nữa. Cái khêu gợi trí tò mò của họ nữa là tìm hiểu xem tính chất của các chất liệu, đặc biệt là sự dẫn điện của chúng, thay đổi như thế nào dưới những điều kiện lạnh giá. Năm 1900, nhà vật lí người Đức Paul Drude – dựa trên những phỏng đoán và thí nghiệm của J.J Thomson và Kelvin rằng dòng điện là dòng chảy của những hạt tích điện, nhỏ xíu, rời rạc – đã cho rằng điện trở của các chất dẫn điện có nguyên nhân do những thực thể này phản xạ không đàn hồi khỏi những nguyên tử đang dao động.

Vậy cái gì sẽ xảy ra với điện trở của một kim loại dìm trong helium lỏng mới tạo ra đó? Các nhà vật lí có ba mối ngờ vực chính. Thứ nhất là điện trở sẽ liên tục giảm xuống đến bằng không. Thứ hai là sự dẫn điện sẽ bão hòa ở một giá trị thấp cho trước nào đó vì luôn luôn có một số tạp chất mà các electron bị tán xạ. Tuy nhiên, có lẽ quan điểm phổ biến nhất – được dự đoán bởi bức tranh những quỹ đạo nguyên tử rời rạc, xác định – là các electron cuối cùng sẽ bị bắt giữ, dẫn tới một điện trở vô hạn. Nhưng trước khi một ai đó có câu trả lời chắc chắn, các nhà nghiên cứu cần có một mẫu kim loại rất nguyên chất.

Ảnh: Equinox Graphics/Science Photo Library

Gilles Holst, một trợ lí nghiên cứu trong viện của Onnes tại trường Đại học Leiden, nghĩ rằng có thể thu được một mẫu như thế bằng cách nhỏ giọt nhiều lần thủy ngân lỏng để loại bỏ tạp chất mà người ta biết là sẽ lấn át sự tán xạ ở dưới 10 K. Phòng thí nghiệm Leiden có rất nhiều kinh nghiệm trong việc chế tạo điện trở thủy ngân dùng làm nhiệt kế, và Holst đề xuất chứa thủy ngân trong một ống mao dẫn để giữ cho nó càng tinh khiết càng tốt trước khi dìm nó trong một mẫu helium lỏng. Và thế là vào tháng 4 năm 2011 (ngày tháng chính xác thì cho đến nay chẳng ai rõ, vì sổ sách ghi ghép của Onnes vốn không rõ ràng và lộn xộn), Holst và kĩ thuật viên phòng thí nghiệm của ông Gerrit Flim đã phát hiện thấy điện trở của thủy ngân lỏng, khi được làm lạnh xuống tới 4,2 K, đạt tới một giá trị nhỏ đến mức không thể nào đo được. Hiện tượng này – sự vắng mặt hoàn toàn của điện trở - là dấu hiệu xác nhận của sự siêu dẫn. Trớ trêu thay, giá như đội Leiden quấn một mẫu chì hay hợp kim đặt xung quanh phòng thí nghiệm trên – thay vì sử dụng thủy ngân – thì công việc của họ có lẽ đã nhẹ nhàng hơn nhiều, vì chì trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn nhiều – 7,2 K. Thật vậy, ba năm sau đó, theo đề xuất của Paul Ehrenfest, các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Leiden đã có thể tạo ra và đo những dòng điện “bền bỉ” (chúng có thể tồn tại trong một tỉ năm) trong một mẫu vòng chì đơn giản.

Vinh quang lịch sử rằng Onnes là người duy nhất khám phá ra cái ông gọi là "supra-conduction", theo quan điểm của tôi là sai lầm. (Nơi công trình được công bố đầu tiên khó tìm ra, mặc dù bản báo cáo đầu tiên viết bằng tiếng Anh là trên tạp chí Hà Lan Thông tin từ Phòng thí nghiệm Vật lí tại trường Đại học Leiden (120b 1911) Rõ ràng, khám phá trên sẽ không xảy ra nếu không có Onnes, nhưng việc công bố kết quả mà không có các đồng sự của ông làm đồng tác giả là cái ngày nay chúng ta không thể nào hiểu nổi. Ở mức tối thiểu thì công bố trên phải được đứng tên của Onnes và Holst. Như lịch sử cho thấy, cuộc sống đã bù đắp cho Holst, ông trở thành giám đốc sáng lập của Phòng Nghiên cứu Philips ở Eindhoven và là một giáo sư danh tiếng tại Leiden. Nhưng điều đó không có nghĩa là ông và những người khác nữa bị lãng quên khi chúng ta kỉ niệm tròn một thế kỉ khám phá ra sự siêu dẫn.

Học cách phân loại siêu dẫn

Sau khám phá năm 1911, nghiên cứu về sự siêu dẫn đã giẫm chân tại chỗ trong vài thập kỉ, chủ yếu là vì việc xây dựng phòng thí nghiệm giống như cơ sở Leiden là khó khăn và tốn kém. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng không tiến bộ vì trạng thái điện trở bằng không biến mất quá dễ dàng khi mẫu đặt trong một từ trường dù là khá khiêm tốn. Vấn đề là đa số các chất siêu dẫn buổi đầu là những kim loại đơn giản – hay chất siêu dẫn “loại I” như người ta thường gọi – trong đó trạng thái siêu dẫn chỉ tồn tại bên trong bề mặt chừng một micron của chúng. Onnes và những người khác nữa lập tức nhận ra giấc mơ biến chúng thành chất dẫn điện “bình thường”, khi đó sự siêu dẫn có thể làm cách mạng hóa mạng lưới điện bởi sự cho phép dòng điện truyền đi mà không bị tổn thất điện năng.

Tuy nhiên, những phòng thí nghiệm khác ở châu Âu – và sau đó ở Bắc Mĩ nữa – cuối cùng đã bắt đầu phát triển những cơ sở đông lạnh helium lỏng của riêng họ, và sự độc quyền tại Leiden từ từ bị phá vỡ, sự hứng thú và tiến bộ trong nghiên cứu siêu dẫn dần lấy lại phong độ. Năm 1933, Walther Meissner và Robert Ochsenfeld quan sát thấy mọi từ trường ở gần một chất liệu siêu dẫn đều bị đẩy ra khỏi mẫu hoàn toàn một khi nó được làm lạnh xuống dưới “nhiệt độ chuyển tiếp”, T_C, nhiệt độ tại đó nó mất toàn bộ điện trở. Các đường sức từ, trong những trường hợp bình thường sẽ đi xuyên qua chất liệu, giờ phải chạy vòng quanh chất siêu dẫn (hình 1). Kết quả này, xuất hiện hoàn toàn bất ngờ, không bao lâu sau đó được tiếp nối thêm bởi quan sát của Willem Keesom và J Kok thấy đạo hàm của nhiệt đặc trưng của một chất siêu dẫn nhảy bước đột ngột khi chất liệu được làm lạnh xuống dưới T_C. Ngày nay, việc quan sát thấy cả hai hiệu ứng kì lạ này – “sự nghịch từ” và “dị thường nhiệt đặc trưng bậc hai” – là tiêu chuẩn vàng để chứng minh sự tồn tại của sự siêu dẫn. (Thật ra, theo sử sách thì phép đo thứ hai vừa nói được thực hiện bởi vợ của Keesom, người khi ấy cũng là một nhà vật lí nhưng chưa có tên tuổi gì).

Hình 1. Một trong những tính chất kì lạ nhất của các chất siêu dẫn là cái xảy ra khi đặt chúng ở gần một từ trường. Ở nhiệt độ cao và cảm ứng từ mạnh (vùng màu xanh), các đường sức từ đi xuyên qua chất liệu đúng như người ta trông đợi. Nhưng như Walther Meissner và Robert Ochsenfeld phát hiện ra vào năm 1933, khi một chất siêu dẫn được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ chuyển pha, T_C, nhiệt độ tại đó dòng điện có thể chạy mà không có điện trở, thì các đường sức từ bị đẩy ra khỏi chất liệu và phải đi vòng qua mẫu chất – cái gọi là “hiệu ứng Meissner” (vùng màu vàng). Những chất siêu dẫn nhất định, gọi là “loại II”, có thể tồn tại trong một “trạng thái xoáy” (vùng màu lục), trong đó các vùng con có điện trở và vùng con siêu dẫn đồng thời tồn tại. Các trình diễn thực nghiệm nâng bằng từ luôn luôn sử dụng chất siêu dẫn loại II vì các xoáy từ xoay tròn tại chỗ, làm cho nam châm kế đó cân bằng khi nó lơ lửng. (Ảnh: Yorick van Boheemen)

Những năm giữa thập niên 1930 đã chứng kiến sự khám phá của Lev Shubnikov về sự siêu dẫn ở các hợp kim – những chất liệu trong đó từ trường tới hạn (trên giá trị đó sự siêu dẫn biến mất) cao hơn nhiều so với ở những kim loại nguyên chất đơn giản. Nghiên cứu thực nghiệm và lí thuyết của những hợp kim này – đặt tên là “loại II” – nhanh chóng lấn át nghiên cứu về sự siêu dẫn, đặc biệt ở Liên Xô, dưới sự lãnh đạo của Pyotr Kapitsa, Lev Landau và Shubnikov. (Shubnikov là người Do Thái, ông bị lực lượng đặc nhiệm tống vào tù vào năm 1937 trong chiến dịch thanh lọc của Stalin, và sau đó được phóng thích vào năm 1945). Những nỗ lực lí thuyết của người Xô Viết về cơ học thống kê của sự siêu dẫn – và hiện tượng siêu chảy có liên quan – tiếp tục diễn ra trong suốt Thế chiến thứ hai và Chiến tranh lạnh, chủ yếu dưới sự chỉ đạo của Vitaly Ginzburg, Alexei Abrikosov và Lev Gor'kov. Mặc dù phần lớn kết quả của họ trong thời kì ấy không được phương Tây biết đến, nhưng mô hình Ginzburg–Landau–Abrikosov–Gor'kov, hay "GLAG", đã đặt nền tảng cho mọi ứng dụng thực tiễn của sự siêu dẫn. Mô hình trên thật hữu ích vì nó mang tính kinh nghiệm và nhiệt động lực học trong tự nhiên, và do đó không phụ thuộc vào cơ sở vật lí vi mô lát đường cho một chuyển tiếp pha bậc hai đặc biệt, cho dù là từ tính, tính siêu chảy hay siêu dẫn.

Còn tiếp...

>> Phần 2: https://thuvienvatly.com/1408-hanh-trinh-huong-den-dien-tro-bang-khong-phan-2