Alfred B. Bortz
Các đột phá trong ngành vật lí vật chất ngưng tụ
Vào đầu thập niên 1980, đa số các nhà vật lí bắt đầu gọi ngành vật lí chất rắn bằng một tên gọi mới, ngành vật lí vật chất ngưng tụ, sau sự tiên phong của nhà khoa học đạt giải Nobel Philip W. Anderson (1923– ), người đã đổi tên nhóm nghiên cứu của ông vào năm 1967, và Hội Vật lí Hoa Kì, cơ quan đã đặt lại tên cho Phân viện Vật lí Chất rắn cũ vào năm 1978. Cho dù tên gọi là gì, thì đây là lĩnh vực có hai trong những đột phá quan trọng nhất trong ngành vật lí học trong thập niên 1980, cả hai thành tựu đều nhanh chóng được công nhận bởi giải thưởng Nobel.
Đột phá thứ nhất xuất hiện năm 1981, khi hai nhà nghiên cứu tại Phòng Nghiên cứu IBM Zurich ở Thụy Sĩ, Gerd Binnig (1947– ) và Heinrich Rohrer (1933– ) phát minh ra một dụng cụ cho phép các nhà khoa học tạo ra hình ảnh của từng nguyên tử một trên bề mặt của một chất liệu, đó là kính hiển vi quét chui hầm (STM). STM khai thác lợi ích của hiện tượng cơ lượng tử gọi là sự chui hầm, kết quả của bản chất sóng của các đối tượng thường được xem là hạt. Thí dụ, đa số electron trên bề mặt của một chất rắn thường được xem là thuộc về những nguyên tử nhất định, nhưng thật ra hàm sóng của chúng trải rộng ra khỏi phạm vi nguyên tử. Khi đầu của một cái kim bằng kim loại rất nhọn đặt rất gần bề mặt đó, thì hàm sóng của các electron tại đầu nhọn của kim và của các electron trên bề mặt chất liệu chồng lấn lên nhau. Các phép tính cơ lượng tử mang lại kết quả này: Tại mọi thời điểm, có cơ hội tìm thấy một electron từ kim nhọn ở trong chất liệu và ngược lại. Cái kim càng gần bề mặt, thì cơ hội xảy ra điều đó càng lớn. Thông thường, một điện áp ion hóa nhất định sẽ là cần thiết để hút một electron ra khỏi đầu kim hoặc bề mặt và băng qua khe trống giữa chúng, nhưng hiện tượng cơ lượng tử đó cho phép sự truyền electron xảy ra ngay cả ở giá trị điện áp thấp hơn nhiều. Nó giống như là các electron chui qua một hàng rào mà chúng không có đủ năng lượng để vượt qua và hiện ra ở phía bên kia. Khe trống càng nhỏ, thì dòng điện chui hầm càng lớn.Vì thế, nếu như cái kim quét tới lui trên một bề mặt, thì cỡ của dòng điện chui hầm phản ánh cái kim ở gần một nguyên tử đến mức nào. Binnig và Rohrer đã hoàn thiện một kĩ thuật phát hiện ra dòng điện chui hầm và hiển thị nó kiểu như hình ảnh ti vi.
Gerd Binnig (phải) và Heinrich Rohrer, cùng với thiết bị đã dẫn tới sự phát triển của kính hiển vi quét chui hầm (AIP Emilio Segrè Visual Archives)
Kính hiển vi quét chui hầm khai thác lợi ích của hiện tượng lượng tử gọi là sự chui hầm để tạo ra ảnh của các nguyên tử trên bề mặt của một mẫu vật.
Sử dụng cùng các nguyên lí đã dẫn tới sự phát triển của kính hiển vi quét chui hầm (STM), có thể thao tác với từng nguyên tử một, như thể hiện trong ảnh chụp STM này của các nguyên tử xenon lập thành chữ IBM trên một tinh thể nickel (IBM).
Vào lúc hai nhà nghiên cứu trên nhận giải Nobel Vật lí năm 1986, một số biến thể của kĩ thuật STM đã mang lại những kết quả hết sức giá trị. Các kính hiển vi lực nguyên tử đang đo và hiển thị sự biến thiên của lực điện giữa đầu kim và bề mặt, và những dụng cụ khác thậm chí còn di chuyển từng nguyên tử một để tạo ra những cấu trúc nhân tạo (Để chứng minh khả năng đó, IBM đã viết tên hãng mình với các nguyên tử xenon trên nickel bằng các kí tự chấm ma trận cao vài nguyên tử).
Giành một giải Nobel Vật lí chỉ trong 5 năm khám phá là một thành tựu nổi bật, và các đồng sự khoa học của Binnig và Rohrer tại IBM Zurich đã tổ chức ăn mừng tin tốt lành ấy. Họ có chút ngờ vực rằng họ sẽ lại có dịp ăn mừng tương tự vào năm sau đó cho J. Georg Bednorz (1950– ) và K. Alexander Müller (1927– ), những người đã xào nấu ra một công thức cho một khám phá giành giải Nobel khác. Công trình của họ vào năm 1986 đã mang đến một làn sóng toàn cầu nghiên cứu các chất siêu dẫn mới và một giải thưởng Nobel năm 1987. Không như đa số các nhà nghiên cứu sự siêu dẫn đang làm việc với các hợp kim, Bednorz và Müller lại nghiên cứu hiện tượng đó trong các chất liệu ceramic, vốn là hợp chất cứng nhưng giòn của kim loại và phi kim, bao gồm cả các oxide.
Đối với đa số các nhà khoa học yêu thích sự siêu dẫn, điều đó dường như là một sự lựa chọn kì cục, vì cả lí thuyết lẫn thực nghiệm đều cho biết nhiệt độ tại đó ceramic trở nên siêu dẫn thậm chí còn lạnh hơn cả nhiệt độ cần thiết đối với các kim loại. Như đã lưu ý trong chương 2, Heike Kamerlingh Onnes đã khám phá ra hiện tượng trên vào năm 1911 ở một sợi mỏng thủy ngân đông lạnh ở nhiệt độ thấp – nhỉnh hơn 4°C (39°F) trên không độ tuyệt đối một chút thôi – đến mức mọi chất khí, kể cả helium, đều biến thành chất lỏng. Khi trình bày sự siêu dẫn, các nhà vật lí và nhà khoa học khác mô tả nhiệt độ theo thang đo kelvin, hoặc độ Celsius trên không độ tuyệt đối, và tập sách này sẽ tuân theo sự chọn lựa đó. Ví dụ, nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn của thủy ngân là 4,3 K. Lí thuyết Bardeen, Cooper, và Schrieffer (BCS) năm 1957 (xem chương 6) cho biết cơ chế cơ lượng tử của sự siêu dẫn là sự trao đổi các phonon (các lượng tử dao động hay năng lượng âm) giữa các cặp Cooper của các electron. Lí thuyết BCS hướng các nhà khoa học và kĩ sư vật liệu (các nhà nghiên cứu chuyên về chế tạo và nghiên cứu các vật liệu mới) đến các hợp kim trở nên siêu dẫn ở những nhiệt độ ngày một cao hơn. Vào thập niên 1970, họ đã phát triển các hợp kim có nhiệt độ chuyển pha cao đến 23 K. Ở nhiệt độ hãy còn băng giá đó, sự tiến bộ bị chững lại. Mục tiêu kì vọng là tạo ra sự siêu dẫn ở một nhiệt độ có thể thu được với nitrogen lỏng (77 K hoặc cao hơn) dường như nằm ngoài tầm với.
J. Georg Bednorz (trái) và Alexander Müller, những người có nghiên cứu về sự siêu dẫn ở các vật liệu ceramic mang lại cho họ giải Nobel Vật lí năm 1987, một năm sau khi những người đồng nghiệp IBM của họ Binnig và Rohrer nhận giải (IBM Corporate Archives)
Lí do mong chờ mục tiêu đó thật đơn giản. Sản xuất helium lỏng thì đắt tiền hơn nhiều so với nitrogen lỏng. Để làm chậm sự bay hơi của helium quý giá, toàn bộ hệ thống helium lỏng thực tế phải được bao quanh bởi nitrogen lỏng. Điều đó làm hạn chế các ứng dụng công nghệ của sự siêu dẫn chỉ với một vài ứng dụng khai thác từ trường rất cao tạo ra bởi các nam châm điện chế tạo bằng các cuộn dây siêu dẫn. Đặc biệt, các hợp kim siêu dẫn có tính kinh tế thực tiễn trong phép chụp ảnh cộng hưởng từ (xem chương 8) và trong các nam châm mạnh cần thiết để điều khiển các chùm hạt trong các máy gia tốc hạt. Việc loại bỏ nhu cầu helium lỏng sẽ làm cho các nam châm đó kém phức tạp đi nhiều và giảm chi phí xây dựng và điều hành.
Vậy thì tại sao Bednorz và Müller lại khảo sát các ceramic chứ không phải các hợp kim? Một phần câu trả lời đơn giản là vì sự hiếu kì, họ muốn xem lí thuyết BCS có áp dụng được cho những vật liệu khác ngoài hợp kim ra hay không. Họ sớm nhận thấy là nó không thể. Một trong các ceramic mà họ khảo sát có nhiệt độ chuyển tiếp pha siêu dẫn cao hơn đáng kể so với lí thuyết BCS tiên đoán. Vì nhiệt độ chuyển tiếp vẫn rất thấp, nên sự chênh lệch đo theo thang kelvin là rất nhỏ, nhưng nó là đáng kể khi tính theo tỉ suất phần trăm. Họ nhìn thấy kết quả đó là một gợi ý cho một lộ trình mới dẫn tới sự siêu dẫn ngoài các cặp Cooper và các phonon, và họ bắt đầu tìm kiếm các ceramic khác với điểm chuyển tiếp cao hơn đáng kể. Đầu năm 1986, họ phát hiện thấy sự siêu dẫn ở một họ ceramic gọi là perovskite. Đặc biệt, lanthium-barium-đồng oxide siêu dẫn lên tới 35 K, tăng 50% so với bất kì chất siêu dẫn nào được biết trước đó. Kết quả đó đã kích thích một cuộc đua đi tìm các ceramic siêu dẫn ở cao hơn nhiệt độ của nitrogen lỏng. Trong vòng nhiều tháng, các nhà khoa học đã thành công. Thật bất ngờ, mục tiêu mới là nhiệt độ phòng (chừng 300 K), nhưng sự tiến bộ tiếp tục bị chững lại ở khoảng 130 K, không cao hơn bao nhiêu so với nhiệt độ chuyển tiếp cực đại đã thu được khi Bednorz và Müller giành giải thưởng Nobel Vật lí năm 1987.
Vì vật liệu ceramic có tính giòn, nên chúng khó chế tạo thành dây sợi, làm hạn chế những ứng dụng thực tiễn của chúng cho đến nay. Sự siêu dẫn nhiệt độ phòng dường như vẫn là một mục tiêu không thể đạt tới vì hai nguyên do. Thứ nhất, cho đến nay các nhà vật lí chưa phát triển được một lí thuyết mới hay một sự trau chuốt của lí thuyết BCS để giải thích cái đang xảy ra trong những ceramic này. Thứ hai, đã chẳng có sự tiến bộ nào hướng đến sự siêu dẫn ở những nhiệt độ cao hơn kể từ cuối những năm 1980. Dựa trên lịch sử của sự siêu dẫn, lĩnh vực trên có lẽ còn mang lại nhiều giải thưởng Nobel nữa nếu có một ai đó thực hiện một bước đột phá thuộc một trong hai lĩnh vực vừa nói.
Trần Nghiêm dịch
Còn tiếp...
