Sự siêu dẫn
Năm 1951, John Bardeen rời Bell Labs đến làm giáo sư kĩ thuật điện tại trường đại học Illinois. Tại đó, ông quyết định đương đầu với một trong những vấn đề thách thức nhất trong ngành vật lí chất rắn: đó là sự siêu dẫn.
Như đã mô tả trong chương 2, hiện tượng trên được phát hiện ra vào năm 1911 và sớm mang giải thưởng Nobel vật lí về cho Heike Kamerlingh Onnes, nhưng 40 năm sau vẫn chưa có ai đi tới một lời giải thích cho nó cả. Ngay cả khi các nhà vật lí bắt đầu tìm hiểu xem cơ học lượng tử và sự sắp xếp tinh thể của các nguyên tử và phân tử trong chất rắn có thể tạo ra sự dẫn điện của chúng như thế nào, họ vẫn chưa thể đi tới một cơ chế cho một electron truyền qua một chất dẫn mà không bị mất mát năng lượng. Điều chắc chắn xảy ra là các electron sẽ chịu những va chạm với các nguyên tử của chất rắn, và mỗi va chạm sẽ mang lại một sự trao đổi năng lượng. Sử dụng cơ học thống kê, các nhà vật lí tính được rằng tác dụng trung bình của những va chạm đó là sự suy giảm chút ít năng lượng của electron có thể đo dưới dạng điện trở. Năng lượng thất thoát sẽ thể hiện dưới dạng nhiệt trong chất rắn.
Các tính toán dự báo rằng việc làm lạnh chất rắn đi sẽ làm giảm điện trở của nó. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ sẽ là một đường thẳng kéo dài đi qua nhiệt độ không tuyệt đối không thể nào đạt tới. Xu hướng giảm điện trở đó thật ra là cái Kammerlingh Onnes trông thấy cho đến khi các dây dẫn của ông lạnh tới một nhiệt độ tới hạn nhất định, tại đó điện trở đột ngột giảm xuống bằng không. Các electron vẫn va chạm với các nguyên tử trong chất rắn, nhưng chúng bật trở ra mà không hề thất thoát năng lượng. Bardeen không đơn độc trong việc nghĩ rằng cơ học lượng tử có thể mang lại lời giải thích cho hiện tượng này. Với tư cách giáo sư, ông giám sát một số nghiên cứu sinh, phân công họ thực hiện những vấn đề nghiên cứu sẽ mang đến những kiến thức sâu sắc về những tính chất cơ lượng tử của chất rắn.
 |
| John Bardeen (trái), Leon Cooper (giữa), và John Robert Schrieffer (phải) tại lễ trao giải Nobel công nhận sự phát triển lí thuyết BCS của họ cho sự siêu dẫn. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives) |
Một tính chất như vậy liên quan đến những dao động trong mạng tinh thể. Các nhà vật lí đã sáng tạo ra những mô hình toán học biểu diễn các tinh thể dưới dạng một mạng lưới nguyên tử và phân tử liên kết với nhau bằng những lò xo. Nếu một phân tử bắt đầu dao động – đong đưa tới lui, thì các lò xo sẽ truyền dao động đó sang những phân tử lân cận. Không lâu sau thì toàn bộ tinh thể sẽ dao động. Phân tích cho biết chỉ có những mode và cường độ dao động nhất định mới có thể duy trì được. Giống như cơ học lượng tử đã liên hệ năng lượng của các photon cho những chuyển tiếp giữa những trạng thái electron được phép với những số lượng tử, phân tích mới cho biết năng lượng dao động cũng xuất hiện thành từng gói tương ứng với những chuyển tiếp giữa những trạng thái được phép của dao động mạng. Các nhà vật lí gọi các gói năng lượng dao động đó là phonon, vì chúng tương ứng với sóng âm truyền qua tinh thể.
Bardeen, Cooper, và Schrieffer nghĩ rằng sự siêu dẫn có thể thu được từ những electron tạo ra và hấp thụ những phonon khi chúng va chạm với các nguyên tử. Thay vì trao đổi năng lượng với một đơn nguyên tử trong một va chạm, điều gì sẽ xảy ra nếu như electron trao đổi năng lượng với mạng tinh thể nói chung? Họ đã phải chật vật với một số ý kiến cho đến khi Schrieffer thực hiện một đột phá – một cách khác nhìn vào hàm sóng electron – và trình bày nó với Cooper. Cooper tán thành rằng ý tưởng của Schrieffer sẽ hoạt động, và ông bổ sung thêm một đặc trưng quan trọng cho nó. Hãy tưởng tượng một cặp electron có tập hợp số lượng tử như nhau, trừ chỗ spin ngược chiều nhau, đang truyền cùng nhau trong mạng tinh thể. Một hạt sẽ tương tác với mạng để tạo ra một phonon, còn hạt kia thì hấp thụ phonon. Chúng sẽ cùng bật đi, tương tác với mạng mà không mất năng lượng chừng nào chúng vẫn còn ghép cặp và trao đổi phonon. Hoạt động nhiệt trong tinh thể có xu hướng làm phá vỡ các “cặp Cooper”, nhưng giống như nước đông đặc thành băng dưới một nhiệt độ nhất định, tốc độ hình thành cặp sẽ vượt quá tốc độ phá vỡ khi mọi thứ đủ lạnh. Điều đó giải thích cho nhiệt độ tới hạn. Những tính toán mở rộng thêm cho thấy hàm sóng của Schrieffer và các cặp electron của Cooper cũng giải thích được những tính chất khác của các chất siêu dẫn.
Ngay khi lí thuyết Bardeen, Cooper, và Schrieffer (BCS) của sự siêu dẫn xuất hiện trên các tạp chí vào năm 1957, chẳng mấy ai nghi ngờ nó sẽ có tầm cỡ nhận giải thưởng Nobel. Chưa ai từng được trao giải Nobel hai lần trong cùng một lĩnh vực, ngoại trừ Bardeen. Bộ ba tác giả của lí thuyết BCS được trao giải Nobel vật lí năm 1972.
Còn tiếp nhiều kì...
Xem lại Phần 33
