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.
Tiến tới lí thuyết BCS
Tiến bộ trong việc làm sáng tỏ lí thuyết cơ sở của sự siêu dẫn diễn ra chậm chạp hơn. Năm 1935, Fritz và Heinz London đề xuất một “điều chỉnh” mang tính hiện tượng học cho các phương trình thành phần Maxwell để mang lại khái niệm “chiều sâu xâm nhập” của từ trường bên ngoài đặt vào bề mặt chất siêu dẫn. Tuy nhiên, mãi cho đến giữa thập niên 1950 thì mạng lưới lí thuyết xung quanh sự siêu dẫn cuối cùng mới được làm sáng tỏ, có những nỗ lực đơm hoa kết trái do một số nhà vật lí xuất sắc nhất của thế kỉ 20 xây dựng, trong đó có Dirac, Einstein, Feynman và Pauli. Thành tựu này cuối cùng đã đạt tới được bởi John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer, đưa tới cái ngày nay gọi là lí thuyết BCS, nhờ đó bộ ba tác giả đã cùng chia sẻ Giải thưởng Nobel Vật lí năm 1972. Một phát triển quan trọng là sự xác định của Cooper rằng một chất khí electron là không bền trong sự có mặt của mọi tương tác hút dù là rất nhỏ, dẫn tới các electron ghép cặp lại với nhau. Bardeen cùng người học trò của ông, Schrieffer, khi đó nhận ra rằng trạng thái lượng tử thu được phải có bản chất vĩ mô và thống kê.
Nhưng tương tác hút đó từ đâu mà có? Vào năm 1950, Emanuel Maxwell ở Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Mĩ lưu ý rằng nhiệt độ chuyển pha của thủy ngân bị dịch chuyển tùy thuộc vào các đồng vị của nó được sử dụng trong mẫu chất nhất định, cho thấy trong sự siêu dẫn có liên quan đến những dao động mạng, hay “phonon”. Lí thuyết BCS chứng minh, cho trước những điều kiện thích hợp, rằng những dao động này – chúng thường là nguyên nhân gây ra điện trở bên trong của kim loại – có thể mang lại tương tác hút cho phép một chất liệu dẫn mà không có điện trở.
Khá đơn giản, lí thuyết BCS được xếp là một trong những thành tựu tao nhã nhất của ngành vật lí vật chất ngưng tụ. Nói chung, nó mô tả sự ghép cặp của hai fermion trung chuyển bởi một trường boson: mọi fermion, ghép bởi mọi boson. Tất cả những chất siêu dẫn đã biết đều tuân theo công thức chung mà lí thuyết BCS đưa ra, dạng cơ bản của nó là một biểu thức hết sức đơn giản: Tc _ Θ/e1/λ, trong đó Tc là nhiệt độ chuyển pha, hay nhiệt độ tới hạn, nhiệt độ mà dưới đó một chất liệu trở nên siêu dẫn, Θ là nhiệt độ đặc trưng của trường boson (nhiệt độ Debye nếu nó gồm các phonon), và λ là hằng số kết hợp của trường đó với các fermion (electron và/hoặc lỗ trống trong chất rắn). Một chất liệu có giá trị λ lớn thường là một ứng cử viên tốt dùng làm chất siêu dẫn, cho dù – hơi phản trực giác một chút - nó là một kim loại “nghèo” dưới những điều kiện bình thường với những electron liên tục bị nảy khỏi mạng tinh thể đang dao động. Điều này giải thích tại sao sodium (natri), vàng, bạc và đồng, mặc dù là những kim loại tốt, nhưng lại không phải Chất siêu dẫn, trong khi chì thì lại siêu dẫn (hình 2).
Tuy nhiên, BCS là một sự mô tả và định tính, chứ không định lượng. Không giống như các phương trình Newton hoặc Maxwell hoặc cơ sở của lí thuyết dải khe năng lượng của chất bán dẫn, cái mà với đó các nhà nghiên cứu có thể thiết kế ra những cầu nối, mạch điện và chip máy tính, và dám quả quyết chúng sẽ hoạt động như thế nào, lí thuyết BCS rất tệ ở việc chỉ ra nên dùng những chất liệu nào hoặc làm sao chế tạo ra những chất siêu dẫn mới. Nói chung, khám phá ra sự siêu dẫn là một thành tựu trí tuệ, đúng như lời nhà vật lí gốc Đức Berndt Matthias đã nói, “BCS cho chúng ta biết mọi thứ, nhưng chẳng tìm thấy cho chúng ta cái gì cả”.
Hình 2. Hơn 100 năm qua, ngày càng có nhiều nguyên tố trong bảng tuần hoàn hóa học được tìm thấy là có tính siêu dẫn. Bảng trên thể hiện những nguyên tố siêu dẫn ở áp suất tùy ý (tô màu vàng/cam), và những nguyên tố chỉ siêu dẫn ở áp suất cao (tô màu tím). Ảnh: Stephen Blundell (Trích, Tìm hiểu Sự siêu dẫn, 2009, NXB Đại học Oxford)
Những bước ngoặc muộn sau này
Sau sự phát triển của lí thuyết BCS, một trong những bước ngoặc về nghiên cứu siêu dẫn là dự đoán năm 1962 của Brian Josephson tại trường Đại học Cambridge ở Anh quốc rằng một dòng điện có thể chui hầm qua giữa hai chất siêu dẫn phân cách nhau bởi một lớp cách điện mỏng hoặc một hàng rào kim loại bình thường. Hiện tượng này, ngày nay gọi là hiệu ứng Josephson, lần đầu tiên được quan sát thấy vào năm sau đó bởi John Rowell và Philip Anderson ở phòng thí nghiệm Bell, và đã mang lại sự phát triển của dụng cụ giao thoa lượng tử siêu dẫn, hay SQUID, dụng cụ có thể đo những từ trường rất nhỏ và đồng thời mang lại một chuẩn điện áp dễ dàng nhân bản dùng cho các phòng thí nghiệm đo lường trên khắp thế giới.
Tuy nhiên, với bước ngoặc tiếp theo trong nghiên cứu siêu dẫn, chúng ta phải chờ thêm hơn hai thập kỉ nữa, cho đến sự quan sát tình cờ của Georg Bednorz và Alex Müller thấy điện trở bằng không tại những nhiệt độ cao hơn 30 K ở hợp chất đồng oxide phân lớp. Sự khám phá ra “chất siêu dẫn nhiệt độ cao” của họ tại phòng thí nghiệm Zurich của hãng IBM vào năm 1986 không chỉ mang về cho cặp đôi tác giả giải thưởng Nobel Vật lí năm 1987, mà còn gây ra một làn sóng bùng nổ nghiên cứu trong lĩnh vực trên. Trong vòng một năm, M K Wu, Paul Chu, cùng những cộng sự của họ, tại các trường Đại học Houston và Alabama đã phát hiện thấy hợp chất yttrium–barium–đồng-oxide – YBa2Cu3O6.97, còn gọi là YBCO, mặc dù lượng pháp chính xác lúc đó còn chưa rõ – có thể siêu dẫn ở nhiệt độ đến 93 K. Vì nhiệt độ này cao hơn 16 K so với điểm sôi của nitrogen lỏng, cho nên việc khám phá ra những chất liệu này cho phép các nhà nghiên cứu lần đầu tiên khảo sát những ứng dụng của sự siêu dẫn bằng cách sử dụng một chất đông lạnh thông dụng và rẻ tiền. Kỉ lục nhiệt độ chuyển pha đã được chứng minh là ở 138 K với chất HgBa2Ca2Cu3O8+d ở áp suất bất kì (hoặc 166 K dưới áp suất 23 GPa).
Với Bednorz và Müller khăn gói lên đường sang Stockholm nhận giải Nobel cho nghiên cứu của họ về sự siêu dẫn, đây đúng là thời khắc tuyệt vời đối với những ai đang nghiên cứu trong lĩnh vực trên. Đúng là đã có hàng nghìn bài báo về sự siêu dẫn được công bố trong năm đó, cùng với phần lễ ăn mừng thâu đêm, nay đã trở thành huyền thoại, diễn ra tại cuộc họp tháng 3 năm 1987 của Hội Vật lí Mĩ ở thành phố New York nay được đặt tên là “Woodstock của ngành vật lí”, tại đó những người tham gia, trong đó có tôi, đã có một đêm quậy tưng bừng, khó quên.
Công nghệ đi trước thời đại của nó
Song song với những tiến bộ này trong ngành khoa học siêu dẫn là vô số những nỗ lực nhằm áp dụng hiện tượng trên để cải tiến công nghệ cũ và sáng tạo ra những công nghệ mới – chúng phong phú đủ loại, từ cái rất nhỏ (dùng cho máy vi tính cực nhanh) cho đến cái rất lớn (dùng cho phát điện). Thật vậy, thời kì từ thập niên 1970 đến giữa thập niên 1980 đã chứng kiến một số minh chứng kĩ thuật khá thành công của sự áp dụng siêu dẫn ở Mĩ, châu Âu và Nhật Bản. Trong lĩnh vực năng lượng, có lẽ nổi trội nhất là sự phát triển giữa năm 1975 và 1985 của một đường cáp điện xoay chiều siêu dẫn tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở Mĩ, do Bộ Năng lượng Mĩ và Công ti Điện lực Philadelphia tài trợ. Thôi thúc trước viễn cảnh những cụm lớn các nhà máy điện hạt nhân đòi hỏi khả năng truyền tải lớn để phân phối điện năng phát ra của chúng, dây cáp siêu dẫn đã thu hút rất nhiều sự chú ý. Mặc dù tuyến cáp hoạt động, nhưng thật đáng tiếc, hóa ra nó không cần thiết khi mà nước Mĩ tiếp tục đốt than đá và bắt đầu chuyển sang đốt khí thiên nhiên. Tương tự như vậy, ở Nhật Bản, nhiều công ti đã triển khai minh chứng của các tuyến cáp điện, máy phát điện, và máy biến áp siêu dẫn, tất cả chúng đều tỏ ra thành công nếu nhìn từ quan điểm kĩ thuật. Những dự án này được sự ủng hộ của chính phủ Nhật Bản, vì lúc ấy nước này chịu sự áp lực lớn về nhu cầu điện năng do sự bùng nổ dân số. Tuy nhiên, những dự án đó đã không thành hiện thực, và tôi biết không có dự án minh chứng siêu dẫn quan trọng nào ở Nhật Bản ngày nay, ngoại trừ tuyến đường thử nghiệm lực nâng từ Yamanashi hoạt động hồi giữa những năm 1970, sử dụng chất siêu dẫn niobium–titanium.
Năm 1996, tôi có công bố một bài báo mang tựa đề “Sự siêu dẫn và sự cấp điện: hứa hẹn, hứa hẹn... quá khứ, hiện tại và tương lai” (IEEE Trans. Appl. Supercond. 7 1053), trong đó tôi đã nhìn thấy trước một tương lai sáng sủa cho sự siêu dẫn nhiệt độ cao. Một số lượng lớn các minh chứng thiết bị điện thành công đã xuất hiện sau đó, với nhiều công ti phát triển cáp điện, máy phát điện, máy điều điện (máy biến áp và ổn áp) siêu dẫn, tất cả chúng đều tỏ ra thành công. Mặc dù một số trong những minh chứng này đã được biến thành những sản phẩm hoạt động được, nhưng có rất nhiều công nghệ siêu dẫn tiên tiến hiện vẫn đang nằm trên giá chờ tương lai đến, nếu như cần thiết. Thật đáng tiếc, cho đến nay nó chẳng có nhiều tác động gì lên ngành công nghiệp điện, lĩnh vực chịu sự chi phối lớn bởi chính trị và sự thông qua công chúng vì nó là công nghệ thiết yếu với cuộc sống hàng ngày. Trái lại, với ngành công nghiệp điện tử, thì giá thành và hiệu quả - thí dụ như của laptop hay điện thoại thông minh đời mới nhất – là tất cả.
Một câu chuyện có phần tương tự đi cùng với việc áp dụng sự siêu dẫn cho điện tử học, một thí dụ tuyệt vời là việc các máy vi tính hoạt động trên “tiếp xúc Josephson”, cái hứa hẹn mang lại tốc độ CPU nhanh hơn, tiêu hao nhiệt ít hơn so với công nghệ silicon lưỡng cực đã thống trị từ thập niên 1960 cho đến đầu thập niên 1980. Hãng IBM và chính phủ Nhật Bản đã đánh cược nhiều vào sự thành công của nó, vì nó đã thành công ở góc độ kĩ thuật, nhưng nó đã bị lu mờ trước sự xuất hiện của transistor hiệu ứng trường kim loại oxide-silicon (MOSFET), cái đáp ứng cả hai mục tiêu và không cần nhiệt độ đông lạnh.
Còn tiếp...
>> Phần 1: https://thuvienvatly.com/1407-hanh-trinh-huong-den-dien-tro-bang-khong-phan-1
>> Phần 2: https://thuvienvatly.com/1408-hanh-trinh-huong-den-dien-tro-bang-khong-phan-2
>> Phần 3: https://thuvienvatly.com/1409-hanh-trinh-huong-den-dien-tro-bang-khong-phan-3
