Phát hiện đặc tính mới của siêu dẫn có thể thay đổi thế giới

Khi nói về chất siêu dẫn, các nhà khoa học thường ví nó là vật liệu của tương lai, thứ tạo nên một cuộc cách mạng mới trong công nghiệp và thay đổi cả thế giới. Điều này chỉ đạt được khi trạng thái siêu dẫn của vật chất tồn tại ở nhiệt độ phòng.

Trong nhiều thập kỷ các nhà khoa học không ngừng suy nghĩ về điều này, tuy nhiên, nhiệt độ cao nhất mà họ đạt được chỉ là -140^oC. Mới đây, một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Waterloo, Canada tuyên bố họ đã tìm ra chìa khóa của vấn đề, giúp chúng ta tiến nhanh đến siêu dẫn ở nhiệt độ phòng.

Một vật lơ lửng trong không trung, biểu tượng của vật liệu siêu dẫn

Tại sao chất siêu dẫn có thể tạo nên một cuộc cách mạng mới? Lí do đến từ những tính chất tuyệt vời của nó. Siêu dẫn giảm điện trở của vật liệu xuống bằng 0. Điều đó có nghĩa là hệ thống truyền tải điện và tất cả các cỗ máy có thể hoạt động vô cùng hiệu quả với thất thoát năng lượng giảm đáng kể.

Bên cạnh đó, tính chất từ của siêu dẫn sẽ hiện thực hóa những giấc mơ như tàu siêu tốc 1.200 km/h của Tesla hay đơn giản là những ván trượt lơ lửng của Lexus.

Mặc dù đã tạo ra được chất siêu dẫn và ứng dụng chúng vào cuộc sống trong hơn một thế kỷ, tính kinh tế của chất siêu dẫn còn rất hạn chế. Điều đó đến từ việc trạng thái siêu dẫn của vật chất thông thường chỉ đạt được khi hạ nhiệt độ của nó xuống sát ngưỡng 0K, tương đương -273^oC.

Quá trình này thậm chí tiêu tốn nhiều hơn rất nhiều năng lượng chúng ta tiết kiệm được khi ứng dụng chất siêu dẫn. Nó sử dụng Nitơ hoặc Heli lỏng để làm lạnh. Điều này đội giá của tất cả các thiết bị và hoạt động sử dụng siêu dẫn ngày nay, từ máy móc y tế hàng ngày cho đến máy gia tốc hạt khổng lồ và các thí nghiệm vật lý của CERN.

Một con tàu có thể lơ lửng cả ở trên và dưới đường ray nhờ siêu dẫn

Trong nhiều thập kỷ qua, nhiệt độ đạt được trạng thái siêu dẫn của vật chất đang được các nhà khoa học tăng dần lên. Năm 2014, lần đầu tiên trạng thái siêu dẫn có thể đạt được ở nhiệt độ cao kỷ lục: -140^oC với áp suất khí quyển. Thậm chí, họ có thể khiến một chất trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ phòng trong vài phần tỷ giây.

Tuy nhiên, chính các nhà khoa học trong nhóm nghiên cứu thực hiện điều này cũng không hiểu tại sao nó xảy ra nên không thể dự đoán nó. Lần đạt siêu dẫn ở nhiệt độ phòng năm 2014 được tính là là không đáng tin cậy.

Chính vì vậy, nhóm các nhà vật lý tại Đại học Waterloo, Canada, dẫn đầu bởi tiến sĩ David Hawthorn, quyết định tiếp tục nghiên cứu vấn đề này. Họ muốn tìm hiểu xem chính xác những gì xảy ra khi một chất đạt trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Khi đó, chúng ta có thể tinh chỉnh quá trình để khiến điều này xảy ra thường xuyên ở nhiệt độ cao nhất có thể.

Tấm ván trượt của Lexus vẫn cần làm lạnh với Nitơ lỏng

Hawthorn và nhóm của ông sử dụng những tia X mềm tán xạ để nhìn sâu vào điều xảy ra bên trong các vật liệu gốm đồng oxyt. Đây là vật liệu tốt nhất mà chúng ta có thể tạo ra để đạt trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ cao.

Khi nhìn vào sâu các lớp nguyên tử, nhóm nhiên cứu phát hiện một cấu trúc đặc biệt. Họ tin rằng đây chính là chiếc công tắc để "bật tắt" trạng thái siêu dẫn của vật chất ở nhiệt độ cao, giải thích cho việc đôi khi nhóm nghiên cứu trước đạt được siêu dẫn còn đôi khi thì không.

“Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã xác định được một số liên kết bất ngờ của các điện tử. Nó có khả năng xuất hiện trong mọi trạng thái siêu dẫn của vật chất ở nhiệt độ cao”, Hawthorn nói.

Cụ thể, đây là hiện tượng mà các đám mây điện tử sắp thành những hàng rất trật tự và có định hướng. Nó giống như đã tạo thành các ô hình caro trong các chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Nhóm nghiên cứu gọi nó là “electronic nematicity”.

“Những mô hình sắp xếp và sự đối xứng có tác động quan trọng đến trạng thái siêu dẫn. Nó có thể triệt tiêu, cùng tồn tại hoặc là tăng cường tính siêu dẫn”, Hawthorn nói. Nhóm nghiên cứu cũng nhận thấy hiện tượng “electronic nematicity” thường xảy ra trong gốm đồng oxyt khi nhiệt độ giảm xuống đến một điểm xác định.

Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Science.

Cấu trúc vật liệu gốm đồng oxyt trong nghiên cứu

Thách thức lớn nhất đối với nhóm nghiên cứu hiện nay là “electronic nematicity” liệu sẽ liên quan thế nào đến quá trình dao động mật độ điện tích. Điều này vô cùng phức tạp nhưng có ý nghĩa rất quan trọng.

“Thông thường, các điện tử phân phố rất đồng đều. Tuy nhiên, khi các điện tích xếp thành một trật tự chúng tạo thành các bó điện tử, giống như những gợn sóng trên mặt hồ”, đại diện Đại học Waterloo giải thích. “Điều này thiết lập một cuộc cạnh tranh. Vật liệu sẽ dao động giữa trạng thái siêu dẫn và không siêu dẫn. Cho đến khi nhiệt độ hạ xuống đủ thấp để trạng thái siêu dẫn giành chiến thắng”.

Nhóm nghiên cứu sẽ giải quyết vấn đề này trong công trình tiếp theo. Sau đó, họ có thể biến “electronic nematicity” thành một “công tắc vặn” có thể điều chỉnh. Mục đích cuối cùng là kiểm soát trạng thái siêu dẫn của vật chất ở nhiệt độ phòng một cách đáng tin cậy.

Có thể thấy rằng, công việc của các nhà khoa học mới chỉ đi đến 1 phần 3 quãng đường. Nhưng dù sao đó cũng là một bước quan trọng hơn để đạt đến ước mơ vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao. Phải nhắc lại một điều rằng vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao là thứ có thể tạo ra cuộc cách mạng mới trong công nghiệp và thay đổi cả thế giới.

Tham khảo ScienceAlert, Uwaterloo