Trong năm kỉ niệm lần thứ 100 sự kiện khám phá ra hiện tượng siêu dẫn, các nhà vật lí tại trường Đại học Massachusetts Amherts và Viện Công nghệ Hoàng gia Thụy Điển vừa công bố một lí thuyết hoàn toàn nhất quán của loại hành trạng siêu dẫn mới, Loại 1.5, trong số ra tháng này của tạp chí Physical Review B.
Trong ba bài báo, các tác giả báo cáo về những nghiên cứu chi tiết của họ cho thấy trạng thái siêu dẫn Loại 1.5 thật sự là có thể ở một họ chất liệu gọi là chất siêu dẫn đa dải.
Trong những năm qua, đa số các nhà vật lí tin rằng sự siêu dẫn phải là Loại I hoặc Loại II. Sự siêu dẫn Loại 1.5 là đề tài gây tranh cãi mạnh mẽ vì cho đến nay chưa có lí thuyết nào liên hệ cơ sở vật lí đó với những tính chất cấp độ micro của những chất liệu thực tế - theo lời của Egor Babaev thuộc UMass Amherst, hiện là một viện sĩ tại viện công nghệ ở Stockholm, cùng Mikhail Silaev, một nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại đó.
Những bài báo mới của họ cung cấp một khuôn khổ lí thuyết cho phép các nhà khoa học tính ra những điều kiện cần thiết cho sự xuất hiện của sự siêu dẫn Loại 1.5, trường hợp biểu hiện các đặc trưng của Loại I lẫn Loại II mà trước đây người ta nghĩ là trái ngược nhau.
Siêu dòng của hai loại electron siêu dẫn (các mũi tên thể hiện vận tốc của chúng) tính toán trên siêu máy tính. Hình 2 thể hiện siêu dòng của một bộ phận electron khác trên bề mặt của một đám xoáy. Ảnh: Egor Babaev.
Sự siêu dẫn là một trạng thái trong đó điện tích chảy đi mà không bị cản trở. Ở Loại I và Loại II, kiểu dòng điện tích khác nhau hoàn toàn. Loại I, phát hiện ra vào năm 1911, có hai tính chất xác định trạng thái: Mất điện trở và thực tế nó không cho phép một từ trường ngoài đi qua nó. Khi tác dụng một từ trường ngoài lên những chất liệu này, các electron siêu dẫn tạo ra một dòng điện mạnh trên bề mặt, thành ra tạo ra một từ trường theo hướng ngược lại. Bên trong loại chất siêu dẫn này, từ trường ngoài và từ trường tạo bởi dòng electron bề mặt cộng lại bằng không. Nghĩa là chúng triệt tiêu lẫn nhau.
Sự siêu dẫn Loại II được tiên đoán là tồn tại bởi một nhà vật lí lí thuyết người Nga cho rằng sẽ có những chất liệu siêu dẫn trong đó một dòng electron siêu dẫn phức tạp có thể đi sâu vào bên trong chất. Ở chất liệu Loại II, một từ trường có thể dần dần xâm nhập, mang bởi những xoáy giống như những tornado điện tử nhỏ xíu, Babaev giải thích. Những nghiên cứu kết hợp mô tả lí thuyết sự siêu dẫn Loại I và Loại II đã giành Giải Nobel Vật lý năm 2003.
Siêu dòng của hai loại electron siêu dẫn (các mũi tên thể hiện vận tốc của chúng) tính toán trên siêu máy tính. Hình 1 thể hiện loại siêu dòng đầu tiên tạo ra các xoáy. Ảnh: Egor Babaev.
Việc phân loại các chất siêu dẫn theo kiểu như vậy hóa ra là rất tốt: Toàn bộ các chất liệu siêu dẫn khám phá ra trong nửa thế kỉ vừa qua đều có thể xếp vào một trong hai loại, Babaev nói. Nhưng ông tin rằng phải tồn tại một trong trạng thái không xếp vào loại nào hết: Loại 1.5. Với việc thiết lập cơ sở lí thuyết cho các chất siêu dẫn, ông đã dự đoán rằng ở một số chất, các electron siêu dẫn có thể xếp vào hai loại hay hai tập con cạnh tranh nhau, một loại hành xử giống như các electron ở chất liệu Loại I, loại kia hành xử giống như các electron ở chất liệu Loại II.
Babaev cho biết các chất siêu dẫn Loại 1.5 sẽ tạo ra cái tựa như một bánh phó mát Thụy Sĩ siêu đều, với những đám giọt xoáy sít nhau của hai loại electron: một loại bó lại với nhau, còn loại thứ hai chảy trên bề mặt của các đám xoáy theo kiểu giống như cách các electron chảy ở bên ngoài của chất siêu dẫn Loại I. Những đám xoáy này cách nhau bởi những “khoảng trống” không có xoáy, không có dòng điện và không có từ trường.
Phản biện chính do những người hoài nghi nêu ra là về cơ bản chỉ có một loại electron, nên thật khó chấp nhận rằng hai loại tập hợp electron siêu dẫn có tồn tại với những hành trạng khác nhau kịch tính như vậy.
Để trả lời câu hỏi này, Silaev và Babaev đã phát triển lí thuyết của học nhằm giải thích các chất liệu thực tế có thể gây ra sự siêu dẫn Loại 1.5 như thế nào, có xét đến các tương tác ở cấp độ micro. Trong một nỗ lực khác, các đồng nghiệp của họ tại UMass Amherst và ở Thụy Điển, gồm Johan Carlstrom và Julien Garaud, cùng với Babaev, đã sử dụng các siêu máy tính thực hiện những phép tính dạng số cỡ lớn mô phỏng hành trạng của các electron siêu dẫn để hiểu rõ hơn cấu trúc của các đám xoáy và chúng trông như thế nào ở một chất siêu dẫn Loại 1.5.
Họ tìm thấy dưới những điều kiện nhất định, họ có thể mô tả những lực mới tác dụng giữa các xoáy Loại 1.5, có thể làm cho các đám xoáy có cấu trúc rất phức tạp. Khi nghiên cứu kĩ lưỡng hơn về sự siêu dẫn, đội vật lí ở Stockholm và UMass Amherst cho biết họ chất liệu siêu dẫn đa dải sẽ phát triển. Họ đang trông ngóng một số chất liệu mới khám phá sẽ thuộc về Loại 1.5.
Tham khảo: http://prb.aps.org … /i13/e134515
http://prb.aps.org … 4/i9/e094515
http://prb.aps.org … /i13/e134518
Nguồn: Đại học Massachusetts Amherst
