Hình 1: Ba loại keo nối cho electron siêu dẫn: các dao động mạng (trên), spin electron (giữa), và các thăng giáng giữ hai orbital electron (zx và yz) (dưới). Những quả cầu màu vàng biểu diễn các cặp Cooper electron. Ảnh: Shik Shin
Cuộc tranh luận về cơ chế gây ra sự siêu dẫn ở một họ chất liệu gọi là pnictide đã được một đội nghiên cứu người Nhật Bản và Trung Quốc giải quyết. Sự siêu dẫn ở pnictide mới được khám phá ra gần đây, và chúng thuộc về cái gọi là ‘chất siêu dẫn nhiệt độ cao’. Mặc dù tên gọi của chúng như vậy, nhưng nhiệt độ mà chúng hoạt động như chất siêu dẫn vẫn thấp hơn nhiệt độ phòng rất nhiều. Nhận ra sự siêu dẫn ở nhiệt độ phòng vẫn là một thách thức chính trong nghiên cứu vật lí: nó sẽ cách mạng hóa ngành điện tử học vì các dụng cụ điện có thể hoạt động mà không tổn hao năng lượng.
Sự siêu dẫn ở một chất phát sinh khi hai electron liên kết với nhau thành cái gọi là cặp Cooper. Sự ghép cặp này dẫn tới một khe trống trong phổ năng lượng của chất liệu siêu dẫn, làm cho các electron không nhạy với những cơ chế gây ra điện trở. Các electron có thể liên kết thành cặp Cooper theo những cách khác nhau, dẫn tới những loại chất siêu dẫn khác nhau.
Cho đến công trình nghiên cứu của Takahiro Shimojima tại trường Đại học Tokyo cùng các đồng nghiệp của ông, trong đó có những nhà nghiên cứu thuộcTrung tâm RIKEN SPring-8 ở Harima, các chất liệu siêu dẫn được chia làm hai nhóm chính. Trong những chất siêu dẫn cổ điển, hoạt động ở nhiệt độ rất thấp, các dao động của nguyên tử trong mạng tinh thể của chất liệu cung cấp manh mối thiết yếu cho sự ghép cặp. Ở cuprate, những hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao ban đầu, các tương tác từ hoạt động trên spin của electron gây ra sự ghép cặp siêu dẫn (Hình 1). Ở những chất siêu dẫn nhiệt độ cao pnictide, các nhà vật lí cho rằng cơ chế căn bản là giống với cơ chế đối với cuprate, nhưng những kết quả thực nghiệm mâu thuẫn nhau cho thấy cơ chế chính xác là cái còn gây tranh cãi.
Để nghiên cứu cơ chế ghép cặp còn gây tranh cãi này của pnictide, các nhà khoa học đã nghiên cứu tính chất của khe điện tử của chất liệu trên. Nhờ một bộ laser năng lượng cao độc nhất vô nhị hoạt động trên những tinh thể laser rất hiếm mà chỉ có vài ba phòng thí nghiệm trên thế giới có được, các thí nghiệm của họ đã giải quyết được những vấn đề này một cách rõ ràng, chi tiết đến chưa có tiền lệ.
Shimojima và các đồng nghiệp bất ngờ phát hiện ra rằng sự tương tác giữa các spin electron không làm cho các electron hình thành nên cặp Cooper ở pnictide. Thay vào đó, sự ghép cặp được trung gian bởi những đám mây electron bao xung quanh nhân nguyên tử. Một số cái gọi là orbital nguyên tử này có năng lượng bằng nhau, làm cho các tương tác và thăng giáng electron đủ mạnh để trung chuyển sự siêu dẫn.
Kết quả này có thể kích thích người ta khám phá ra những chất siêu dẫn mới hoạt động trên cơ chế này. “Công trình của chúng tôi xác lập rằng các orbital electron là loại keo nối ghép cặp thứ ba cho các cặp electron trong chất siêu dẫn, tiếp theo các dao động mạng và spin elecron”, Shimojima giải thích. “Chúng tôi tin rằng kết quả này là một bước tiến bộ hướng đến giấc mơ thu được sự siêu dẫn ở nhiệt độ phòng”, ông kết luận.
Nguồn: RIKEN, PhysOrg.com
