Lần đầu tiên đo được dòng nhiệt “chảy ngược” qua tiếp giáp Josephson

Hiệu ứng Josephson nhiệt, hiện tượng xảy ra khi nhiệt truyền qua một khe trống giữa hai chất siêu dẫn, lần đầu tiên đã được đo trong phòng thí nghiệm. Thí nghiệm được thực hiện bởi hai nhà vật lí ở Italy và xác nhận một dự đoán lí thuyết từ hồi năm 1965. Ngoài việc xác nhận một tiên đoán kì lạ rằng một phần nhiệt chảy từ phía lạnh của lớp tiếp giáp sang phía nóng, đột phá trên còn có thể thúc đẩy sự phát triển của những mạch nhiệt điện tử sử dụng nhiệt theo kiểu giống hệt như cách điện tử được sử dụng trong các dụng cụ điện tử hiện nay.

Hiệu ứng Josephson kiểu thường đã được dự đoán vào năm 1965 bởi nhà vật lí người Anh Brian Josephson và đã được quan sát trong phòng thí nghiệm chưa tới một năm sau đó. Hiệu ứng xảy ra trong một tiếp giáp Josephson, cái được tạo ra khi hai chất siêu dẫn cách nhau bởi một lớp mỏng chất không siêu dẫn hoặc không gian tự do. Josephson đã chứng minh rằng những cặp Cooper – các electron ghép cặp không chịu điện trở bên trong chất siêu dẫn – có thể chui hầm qua lớp tiếp giáp đó. Toàn bộ các cặp Coopẻ ở trong cùng một trạng thái lượng tử và do đó được biểu diễn bởi hàm sóng giống nhau. Dòng điện chui hầm là một hàm sin của độ lệch pha của hàm sóng từ phía bên này và bên kia của khe trống. Vì thế, một dòng gồm những cặp Cooper sẽ chảy qua khe cho dù có hay không có điện áp ngoài.

Ảnh chụp hiển vi điện tử quét của phần dụng cụ SQUID dùng để đo hiệu ứng Josephson nhiệt. (Ảnh: Francesco Giazotto và María José Martínez-Pérez)

Nếu có điện áp giữa hai bên tiếp giáp, thì mọi thứ trở nên phức tạp hơn và ba quá trình khác nhau ảnh hưởng đến cách dòng điện chạy qua lớp tiếp giáp. Thứ nhất là siêu dòng Josephson, nó sẽ có mặt ngay cả khi không có điện áp. Đóng góp thứ hai là từ những cặp Cooper đã phân li thành những electron bình thường cấu thành của chúng, những electron này khi đó có thể chui hầm qua hàng rào thế dưới sự tác dụng của điện áp đặt vào. Cuối cùng là có một “dòng giao thoa” phát sinh từ sự tương tác giữa hai quá trình thứ nhất.

Thế nhiệt

Vào năm 1965, Kazumi Maki và Allan Griffin thuộc trường Đại học California, San Diego đã tính được cái sẽ xảy ra nếu một tiếp giáp Josephson được cấp một thế nhiệt – tức là một bên hơi nóng hơn bên kia một chút – thay vì một thế điện áp bình thường.

Các kim loại bình thường có thể truyền nhiệt bởi những electron giàu năng lượng chuyển động từ những vùng nóng sang những vùng lạnh hơn – chúng làm môi trường xung quanh nóng lên do sự tán xạ từ các nguyên tử và tạo ra các dao động mạng. Tuy nhiên, hiện tượng này không xảy ra với các chất siêu dẫn, bởi vì các cặp Cooper chuyển động không bị tán xạ. Do đó, ở một tiếp giáp Josephson thế nhiệt, siêu dòng không có đóng góp vào dòng nhiệt. Tuy nhiên, dòng electron chui hầm và dòng giao thoa có thể đều tham gia vào sự truyền nhiệt qua lớp tiếp giáp.

Dòng nhiệt từ sự chui hầm electron là một quá trình đơn giản sẽ luôn luôn truyền nhiệt từ phía nóng sang phía lạnh của lớp tiếp giáp. Tuy nhiên, cái hiếu kì của tiên đoán của Maki và Griffin là dòng giao thoa thỉnh thoảng có thể mang nhiệt từ phía lạnh sang phía nóng. Đó là vì, giống như siêu dòng, nó phụ thuộc vào hàm sóng chất siêu dẫn.

Khó kiểm tra

Kiểm tra dự đoán này là phần việc khó khăn, theo Francesco Giazotto và María José Martínez-Pérez thuộc Viện Khoa học Nano NEST và Scuola Normale Superiore ở Pisa – những người đầu tiên làm công việc này. Đó là bởi vì, không giống như dòng điện, người ta không thể đo dòng nhiệt trực tiếp được. Không có cái tương đương nào cho ampe kế đối với một dòng nhiệt cả, Giazotto nói. Ông còn cho biết việc theo dõi dòng nhiệt khó gấp nhiều lần theo dõi dòng điện tích.

Giazotto và Martínez-Pérez đã tiến hành phép đo của họ trên một dụng cụ giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID) – một cái vòng chất siêu dẫn bị chia cắt bởi hai tiếp giáp Josephson. Một nửa vòng được giữ ở một nhiệt độ hơi ấm hơn một chút, làm cho các electron bình thường mang nhiệt qua hai lớp tiếp giáp sang phía lạnh hơn như dự đoán.

Thí nghiệm làm biến thiên từ thông gởi qua SQUID, thành ra ảnh hưởng đến bản chất của hàm sóng tại một tiếp giáp Josephson. Bằng cách chứng minh rằng dòng nhiệt điều biến giữa giá trị tối đa và tối thiểu khi từ thông biến thiên, Giazotto và Martínez-Pérez đã chứng minh rằng dòng giao thoa thật sự có thể truyền nhiệt từ phía lạnh sang phía nóng. Tuy nhiên, dòng nhiệt toàn phần không đảo chiều bởi vì dòng nhiệt đó bị át trội bởi những electron bình thường chui hầm qua hai tiếp giáp.

Kết quả rất rõ ràng

Raymond Simmonds thuộc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Boulder, Colorado, cảm thấy ấn tượng trước những thách thức thực nghiệm mà hai nhà nghiên cứu người Italy đã vượt qua. “Tôi thật sự bất ngờ là họ đã đo được một kết quả rất rõ ràng,” ông nói.

Giazotto và các đồng sự của ông hiện đang khảo sát những ứng dụng thực tế mà kết quả trên có thể mang lại. Ông nói tới khả năng của “một loại mạch nhiệt điện tử kết hợp – cái tương đương với điện tử học nhưng sử dụng nhiệt”.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature.

Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp