Đã 25 năm trôi qua kể từ khi các nhà khoa học khám phá ra các chất siêu dẫn nhiệt độ cao đầu tiên – đồng oxide, hay cuprate, dẫn điện mà không có điện trở ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với những kết luận siêu dẫn khác. Nhưng chưa có ai giải thích được rốt cuộc tại sao những cuprate này có khả năng siêu dẫn. Nay hai nhà hóa học tại Caltech (Viện Công nghệ California) vừa phát triển một giả thuyết nhằm giải thích hành trạng kì lạ của những chất liệu này, đồng thời còn hướng đến một phương pháp chế tạo những chất siêu dẫn nhiệt độ cao hơn nữa.
Các chất siêu dẫn là vô giá đối với những ứng dụng như máy MRI vì chúng dẫn điện hoàn hảo, không tổn hao năng lượng dưới dạng nhiệt – một khả năng cần thiết để tạo ra những từ trường lớn. Vấn đề là đa số các chất siêu dẫn chỉ có thể hoạt động ở những nhiệt độ cực kì thấp, khiến chúng không thực tế cho đa số các ứng dụng vì chi phí làm lạnh chúng là rất lớn.
Một giá trị gọi là nhiệt độ tới hạn TC cho biết nhiệt độ cao nhất tại đó một chất liệu có thể siêu dẫn. Chất siêu dẫn dùng trong MRI – hợp kim thiếc niobium – có nhiệt độ tới hạn TC là – 248oC. Việc làm lạnh chất liệu này xuống tới nhiệt độ băng giá như thế đòi hỏi helium lỏng, một sản phẩm khan hiếm và cực kì đắt tiền.
Nhưng các cuprate thì khác. Chúng vẫn hoạt động tốt ở dưới sự đông lạnh (chất siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn cao nhất, một cuprate tạo ra hồi năm 1993, có nhiệt độ tới hạn TC là khoảng – 135oC), nhưng một số chất có thể làm lạnh bằng nitrogen lỏng. Điều này khiến chúng thực tế hơn nhiều, vì nitrogen lỏng thì dồi dào và chi phí sản xuất nó chỉ khoảng một phần trăm chi phí sản xuất helium lỏng.
Tuy nhiên, mục tiêu tối hậu là tạo ra những chất siêu dẫn có thể hoạt động ở gần nhiệt độ phòng. Những chất này có thể cải thiện chất lượng tín hiệu tháp điện thoại và độ tin cậy của mạng lưới điện, và một ngày nào đó có thể cho phép những đoàn tàu nâng bằng từ hoạt động với chi phí nhiên liệu giảm đi rất nhiều.
Đường đi của các electrong trong mô hình Tahir-Kheli-Goddard của những chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Ảnh: Caltech/Tahir-Kheli/Goddard
“Nhưng để đưa các chất siêu dẫn lên mức độ tiếp theo, chúng ta cần tìm hiểu những chất siêu dẫn nhiệt độ cao đã biết hoạt động như thế nào,” phát biểu của William Goddard III, giáo sư hóa học, khoa học vật liệu và vật lí ứng dụng tại Caltech. “Sau khi công bố hơn 100.000 bài báo đã được chứng thực về đề tài trên, vẫn chưa có lời giải thích nào được chấp nhận, và thật ra, trong 18 năm qua chẳng có sự tăng nào đối với TC cả.”
Tất cả các cuprate siêu dẫn bắt đầu là chất cách điện từ tính và biến đổi thành chất siêu dẫn qua “sự pha tạp”, một quá trình loại electron ra khỏi hợp chất bố mẹ, hoặc thay thế những nguyên tử nhất định bằng những nguyên tử khác hoặc bằng cách thêm vào hoặc lấy ra các nguyên tử oxygen. Tuy nhiên, chẳng ai biết gì về sự pha tạp làm cho những cuprate này siêu dẫn.
Hơn bốn năm qua, Goddard đã cho công bố ba bài báo cùng với Jamil Tahir-Kheli, một nhà khoa học thâm niên tại Caltech, xây dựng một giả thuyết giải thích nguyên nhân làm cho cuprate siêu dẫn. Họ đã làm việc với một cuprate trong đó các nguyên tử strontium (Sr) là “nguyên tử tạp chất”, thay thế các nguyên tử lanthanum (La). Dựa trên những phép tính cơ lượng tử hiện đại, Goddard và Tahir-Kheli tìm thấy mỗi nguyên tử tạp chất tạo ra một lỗ trống bốn-tâm trên các nguyên tử đồng xung quanh strontium, một đơn vị mà họ gọi là một "plaquette”. Các electron bên trong các plaquette tạo nên những miếng kim loại nhỏ xíu, trong khi các electron bên ngoài các plasquette là từ tính. Kết quả này hoàn toàn trái với giả thuyết của đa số những nhà khoa học khác về cái xảy ra khi các nguyên tử tạp chất được thêm vào. Vấn đề là các nhà nghiên cứu vẫn không biết làm thế nào các lỗ trống trong các plaquette đó dẫn tới sự siêu dẫn.
Goddard và Tahir-Kheli đã mất 5 năm để đi tìm lời giải. Giả thuyết của họ là khi có đủ số nguyên tử tạp chất được thêm vào, các plaquette có thể tạo ra một lộ trình thấm lọc cho phép các electron chạy theo mọi ngả qua chất liệu. Các electron từ tính bên ngoài các plaquette có thể tương tác với các electron đang chuyển động qua lộ trình plaquette, và “chính sự tương tác này dẫn tới sự ghép cặp electron – lực hút yếu giữa các electron – thành ra mang lại sự siêu dẫn,” Tahir-Kheli nói.
Bài báo mới nhất của hai nhà nghiên cứu ttreen, công bố hồi đầu năm nay trên tạp chí Journal of Physical Chemistry Letters, đưa giả thuyết này tiến thêm một bước với việc giải thích một pha bí ẩn nhìn thấy ở những chất siêu dẫn cuprate gọi là pseudogap. Trong mọi chất siêu dẫn, có một khe năng lượng siêu dẫn, đó là lượng năng lượng cần thiết để kích thích một electron từ trạng thái siêu dẫn vào một mức năng lượng cao hơn không đi cùng với sự siêu dẫn. Khe năng lượng này triệt tiêu ở những nhiệt độ trên đó chất liệu không còn siêu dẫn nữa – nói cách khác là cao hơn TC. Nhưng ở những chất siêu dẫn cuprate, có một khe năng lượng khổng lồ vẫn tồn tại ở những nhiệt độ cao hơn nhiều so với TC. Đây là pseudogap.
Trong số các nhà khoa học, có hai phe tranh luận vể vấn đề pseudogap. Một phe nói rằng pseudogap vì lí do gì đó có liên quan đến sự siêu dẫn. Phe kia thì khăng khăng rằng không có liên quan, và thật ra có lẽ là một pha đang cạnh tranh với sự siêu dẫn. Lí thuyết của Goddard và Tahir-Kheli nghiêng về phe thứ hai vừa nói. “Chúng tôi tin rằng pseudogap đang làm giảm sự siêu dẫn của chất liệu,” Tahir-Kheli nói. “Và, một lần nữa, nguồn gốc của nó liên quan đến vị trí của các plaquette”.
Goddard và Tahir-Kheli giải thích pseudogap bằng cách chỉ ra rằng các plaquette không đóng góp gì cho sự siêu dẫn hết. Những plaquette này là cô lập; chúng không có bất kì plaquette nào khác ở lân cận với chúng. Các nhà nghiên cứu tìm thấy có hai trạng thái lượng tử riêng biệt có năng lượng bằng nhau trong những plaquette cô lập này. Hai trạng thái này có thể tương tác với những plaquette cô lập láng giềng, tại điểm đó hai trạng thái riêng biệt đó trở nên không bằng nhau về năng lượng nữa. Sự chênh lệch năng lượng này là pseudogap. Do đó, để xác định cỡ của pseudogap, tất cả những gì bạn cần là đếm số plaquette cô lập và xác định xem chúng ở cách nhau bao xa.
“Các electron liên quan trong pseudogap là những electron lãng phí vì chúng không đóng góp cho sự siêu dẫn,” Goddard nói. “Cái quan trọng về chúng nên biết là, vì pseudogap phát sinh từ những plaquette cô lập, nên nếu chúng ta điều khiển vị trí tạp chất để loại trừ các plaquette cô lập, thì chúng ta sẽ có thể làm tăng nhiệt độ siêu dẫn.”
Goddard và Tahir-Kheli dự đoán rằng bằng cách xử lí thận trọng sự thay thế của những nguyên tử tạp chất, người ta có thể tạo ra những chất liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao tới – 73oC. Họ lưu ý rằng một sự cải thiện như thế sau 18 năm đình trệ giậm chân tại chỗ sẽ đánh dấu một bước phát triển mới hướng đến sự ra đời của những chất siêu dẫn nhiệt độ cao thật sự với những ứng dụng thực tế trong ngành năng lượng và ngành y tế.
Dịch bởi Xuân Nguyễn - thuvienvatly.com
Nguồn: Viện Công nghệ California
