Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC trực thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kì vừa công bố một bài báo đề xuất cách các nhà khoa học có thể xử lí kĩ thuật các chất siêu dẫn (các chất có điện trở đúng bằng không) để hoạt động ở nhiệt độ cao.
Các chất siêu dẫn nhiệt độ cao tiêu biểu cho một họ vật liệu mới biểu hiện những tính chất từ và siêu dẫn lạ thường. Chúng là vật liệu gốm sứ kết hợp với các lớp đồng oxide (chất bình thường không dẫn điện), phân cách nhau bởi các lớp nguyên tử (khi kết hợp với những chất như barium, đồng oxide khi đó có thể trở thành chất siêu dẫn). Các chất siêu dẫn này có nhiệt độ chuyển pha (nhiệt độ mà dưới đó chúng siêu dẫn) cao đến 139 K (- 135oC), trong khi các chất siêu dẫn thông thường (nhiệt độ thấp) có nhiệt độ chuyển pha dưới 30 K (- 243oC).
Tác dụng của việc thay thế những nguyên tử này hoặc làm giảm hoặc làm tăng lượng electron trong vật liệu, một kĩ thuật thường được gọi là “pha tạp”.
Những nỗ lực trước đây
Trên lí thuyết, kĩ thuật này nghe có vẻ dễ, tuy vậy, người ta rất khó xác định sự pha tạp làm biến đổi tính chất của vật liệu như thế nào ở cấp vi mô. Các nhà nghiên cứu tại Viện Paul Scherrer (PSI) đã sử dụng kĩ thuật tán xạ tia X cộng hưởng phi đàn hồi (RIXS), một kĩ thuật thực nghiệm trong đó các photon tia X năng lượng cao bị tán xạ phi đàn hồi khỏi vật chất (do đó một phần động năng của các photon bị mất).
Chất siêu dẫn biểu hiện lực nâng từ
“Trung tâm này hiện đang dẫn đầu thế giới về độ phân giải và có thể làm sáng tỏ từng hạt mang điện – electron – chuyển động như thế nào dưới kích thích của những tia X tới. Kết quả của một kích thích như thế là những trạng thái kích thích có thể tưởng tượng là các sóng lan tỏa trong vật liệu nếu một trong các tính chất của nó biến thiên ở đâu đó,” giải thích của Thorsten Schmitt, một nhà nghiên cứu tại viện.
Một hiện tượng gọi là trật tự từ – nghiên cứu sự phân bố của các điện tích trong vật liệu – có thể xuất hiện dưới dạng các electron hành xử giống như những nam châm nhỏ xíu, gây ra các sóng nếu trật tự này bị gián đoạn.
Sắt selenide trên STO
Tuy nhiên, các kích thích không lan tỏa theo cùng chiều mà từng nam châm nhỏ xíu bị dịch chuyển, thay vậy, chúng hành xử giống như nước: tạo sóng lan đi trên bề mặt, mặc dù từng phân tử nước chỉ chuyển động lên xuống.
Nỗ lực hiện nay
Trong bài báo, các nhà nghiên cứu tại SLAC giải thích tại sao một lớp mỏng chất siêu dẫn sắt selenide hoạt động được ở nhiệt độ cao hơn nhiều khi được đặt trên strontium titanate (SrTiO3, hay STO). Các nhà khoa học kết luận rằng các dao động tự nhiên bên trong STO truyền lên vào màng mỏng sắt selenide thành những gói rời rạc. Những dao động này, hóa ra, cấp năng lượng mà nó cần để siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ siêu dẫn nếu không có STO.
“Các mô phỏng của chúng tôi cho biết phương pháp này – sử dụng các dao động tự nhiên trong một vật liệu để làm tăng hoạt động siêu dẫn ở một vật liệu khác – có thể được khai thác để làm tăng nhiệt độ hoạt động của các chất siêu dẫn gốc sắt lên ít nhất 50%,” phát biểu của Zhi-Xun-Shen, tác giả thâm niên của bài báo trên.
Các nhà nghiên cứu phát hiện thấy khi một lớp màng mỏng sắt selenide được đặt lên trên STO, thì nhiệt độ chuyển pha của nó tăng từ 8 K lên gần 77 K.
“Đây là một thí nghiệm rất ấn tượng, thí nghiệm này khó đến mức nó không thể thực hiện được ở nơi nào khác,” phát biểu của Andrew Millis, một nhà vật lí vật chất ngưng tụ lí thuyết tại trường Đại học Columbia, người ngoài cuộc đối với nghiên cứu trên. “Và rõ ràng nó cho biết cái gì đó quan trọng về nguyên do đặt một lớp mỏng sắt selenide lên trên chất nền này, chất người ta nghĩ là trơ lì và chán ngắt, làm thay đổi mọi thứ kịch tích như vậy. Nó mở ra rất nhiều câu hỏi kì thú, và chắc chắn nó sẽ kích thích rất nhiều nghiên cứu”.
Strontium titanate ở dạng khoáng chất tự nhiên của nó: Tausonite
Ý nghĩa khoa học
Sự siêu dẫn chẳng phải cái gì mới mẻ, các nam châm siêu dẫn nhiệt độ thấp đã được sử dụng trong nhiều thiết bị đa dạng từ máy quét MRI đến Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC). Tuy nhiên, vì các chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấp, nên chúng cần được làm lạnh, đó không phải yêu cầu dễ dàng gì. Các nhà khoa học tại LHC làm lạnh các hệ thống xuống nhiệt độ hoạt động 1,9 K, lạnh hơn cả không gian vũ trụ bên ngoài. Họ hoàn thành kì công này bằng cách sử dụng helium lỏng để làm lạnh từng bộ phận của cỗ máy LHC dài 27 km, khiến việc bảo dưỡng công nghệ rất tốn kém và cực kì khó khăn.
Mặc dù các chất siêu dẫn nhiệt độ thấp có thể là câu trả lời cho vấn đề này vào một ngày nào đó, nhưng hiện tại, vẫn có một vài trở ngại cần khắc phục. Các nhà nghiên cứu vẫn chưa biết cái gì khiến các electron ghép cặp với nhau (đây là quá trình mà nhờ đó chúng dẫn điện trong các chất siêu dẫn nhiệt độ cao).
Các kết quả mới trên “nhắm tới một chiều hướng mà trước đây người ta chưa từng xét đến,” Moore phát biểu. “Chúng có tiềm năng thật sự phá kỉ lục siêu dẫn nhiệt độ cao và mang lại cho chúng ta hiểu biết mới về những thứ khiến chúng ta vật vã hàng năm qua.”
Ông bổ sung thêm rằng SLAC hiện đang phát triển một đường dẫn chùm tia X mới tại SSRL, với một hệ ARPES tiên tiến hơn, để tạo ra và nghiên cứu những vật liệu mới lạ này.
Moore kết lời, “Mục tiêu là một ngày nào đó tạo ra được các chất siêu dẫn nhiệt độ phòng, chúng có thể làm cách mạng hóa xã hội bởi việc khiến cho mỗi máy móc chạy bằng điện hoạt động với hiệu suất gần như hoàn hảo, với tổn hao năng lượng rất nhỏ. Với sự hỗ trợ của các nhà khoa học tại SLAC và nghiên cứu của họ trong lĩnh vực này, một ngày nào đó công nghệ này sẽ có thể trình làng, đưa đến một cuộc cách mạng kĩ thuật mới.”
Nguồn: Edis Tireli – fromquarkstoquasars.com
