Chuyện kể về một phát hiện tình cờ làm thay đổi cả ngành vật lý
Hồi năm 1986, tôi còn nhớ như in cái cảm giác hồi hộp khi đọc tin về hai nhà khoa học Alex Muller và Georg Bednorz ở Zurich. Họ đang nghịch mấy cục gốm – đúng vậy, gốm làm từ Lantan, Đồng, Bari và Oxit kim loại – thì bỗng nhiên phát hiện ra thứ này trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ 35 độ K.
Nghe thì vẫn còn lạnh lắm, nhưng so với mức 23 độ K trước đó thì đây là một bước nhảy vọt. Cả giới vật lý lúc đó xôn xao hẳn lên.Ai cũng biết chất siêu dẫn kiểu cũ chỉ hoạt động ở nhiệt độ cực thấp, phải dùng khí Helium hóa lỏng – thứ đắt đỏ và phức tạp. Thế mà giờ đây, chỉ với Nitơ lỏng rẻ tiền hơn nhiều, người ta đã có thể làm được điều tương tự.Cảm giác như mở ra một cánh cửa mới vậy.| Loại chất siêu dẫn | Nhiệt độ hoạt động (K) | Chất làm lạnh | Chi phí ước tính |
|---|---|---|---|
| Siêu dẫn cổ điển | 23 | Helium lỏng | Rất cao |
| Gốm siêu dẫn (1986) | 35 | Helium lỏng | Cao |
| Gốm siêu dẫn (1987) | 98 | Nitơ lỏng | Thấp |
| Kỷ lục hiện tại (1993) | 134 | Nitơ lỏng | Thấp |
Chuyện chưa dừng lại ở đó. Năm 1987, tại Hội nghị Vật lý Mỹ ở New York, người ta còn mang ra trình diễn một hiện tượng kỳ lạ: mấy cái đĩa gốm cứ lơ lửng trên nam châm.
Gọi là "hiệu ứng Meissner" – từ trường không thể xuyên qua bề mặt chất siêu dẫn, tạo ra lực đẩy khiến vật liệu tự nâng lên. Trông cứ như ảo thuật vậy.Chính từ những phát hiện tình cờ này, con đường tìm kiếm vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn bắt đầu rộng mở. Và câu chuyện vẫn chưa kết thúc ở đây đâu...Siêu dẫn và siêu lỏng Hai anh em song sinh trong thế giới nhiệt độ thấp
Bạn có biết, cả siêu dẫn và siêu lỏng đều có điểm chung là hoạt động ở nhiệt độ cực thấp? Nhưng chúng khác nhau thế nào?
Siêu dẫn là khi dòng điện chạy qua mà không gặp trở kháng nào. Tưởng tượng bạn đang đẩy một chiếc xe trên đường nhựa, bỗng nhiên mặt đường biến mất và xe cứ thế lăn mãi không dừng – đó là siêu dẫn đấy.Còn siêu lỏng là chất lỏng không có độ nhớt, không ma sát, nếu quay tròn thì nó quay mãi mãi.| Tính chất | Siêu dẫn | Siêu lỏng |
|---|---|---|
| Trạng thái | Rắn | Lỏng |
| Đặc điểm chính | Không điện trở | Không độ nhớt |
| Ứng dụng | Truyền tải điện, nam châm | Nghiên cứu cơ học lượng tử |
| Nhiệt độ hoạt động | Dưới 134K | Dưới 2.17K (Helium-4) |
Điều thú vị là cả hai hiện tượng này đều liên quan đến trạng thái lượng tử ở quy mô vĩ mô. Trong siêu dẫn, các điện tử kết cặp thành "cặp Cooper" và di chuyển đồng bộ.
Trong siêu lỏng, các nguyên tử Helium ngưng tụ thành một trạng thái lượng tử duy nhất. Thử tưởng tượng bạn có một cốc cà phê siêu lỏng – khuấy một lần là nó quay mãi, không bao giờ dừng.Nghe có vẻ viển vông, nhưng các nhà khoa học đã làm được điều đó trong phòng thí nghiệm với Helium lỏng ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối.So sánh số liệu Từ siêu dẫn nhiệt độ thấp đến siêu dẫn nhiệt độ cao
Hãy nhìn vào con số để thấy sự tiến bộ qua từng giai đoạn. Trước năm 1986, siêu dẫn chỉ xuất hiện dưới 23K – tức âm 250 độ C.
Để đạt được nhiệt độ đó, bạn phải dùng Helium lỏng, giá thành cực kỳ đắt đỏ.| Năm phát hiện | Vật liệu | Nhiệt độ chuyển pha (K) | Chi phí làm lạnh |
|---|---|---|---|
| 1911 | Thủy ngân | 4.2 | Rất cao |
| 1941 | Niobium nitride | 16 | Rất cao |
| 1954 | Niobium-tin | 18 | Rất cao |
| 1986 | La-Ba-Cu-O | 35 | Cao |
| 1987 | YBCO | 93 | Thấp |
| 1993 | HgBa2Ca2Cu3O8 | 134 | Thấp |
Điều quan trọng là khi nhiệt độ vượt qua mốc 77K (nhiệt độ hóa lỏng của Nitơ), chi phí làm lạnh giảm đáng kể. Nitơ lỏng rẻ hơn Helium lỏng tới 50 lần.
Đây là bước ngoặt đưa siêu dẫn từ phòng thí nghiệm ra ứng dụng thực tế. Tuy vậy, vẫn còn vấn đề nan giải: các chất siêu dẫn ở nhiệt độ trên 100K lại không ổn định.Chúng nhanh chóng mất tính siêu dẫn dưới tác động của từ trường mạnh. Các nhà khoa học gọi hiện tượng này là "vòng xoáy từ" – những đường từ tính di chuyển bên trong vật liệu, tạo ra điện trường ngăn cản dòng điện.Kinh nghiệm thực tế từ những ứng dụng đã và đang triển khai
Nói về ứng dụng, tôi muốn kể cho bạn nghe về tàu đệm từ Maglev của Nhật Bản. Họ đã thử nghiệm suốt 7 năm với kinh phí trên 3 tỷ USD.
Con tàu chạy từ Tokyo đến Osaka cách nhau 500km, mục tiêu chở 100 khách trong một giờ. Nguyên lý hoạt động khá thú vị: nam châm siêu dẫn đặt trên tàu được làm lạnh bằng Helium hóa lỏng ở -269 độ C, tạo ra từ trường 4.23 tesla – đủ để nâng con tàu lên 10cm khỏi đường ray.Đường ray hình chữ U có lắp 3 cuộn dây từ, cấp điện từ các trạm nguồn dưới đất.| Ứng dụng | Công nghệ | Hiện trạng | Chi phí ước tính |
|---|---|---|---|
| Tàu Maglev Nhật | Nâng điện-động lực học | Đã thử nghiệm | 3 tỷ USD |
| Transrapid Đức | Nâng điện từ | Đã vận hành thử | 6 tỷ USD |
| Máy gia tốc hạt Mỹ | Nam châm siêu dẫn | Đang xây dựng | Chưa công bố |
| MRI y tế | Siêu nam châm | Đã triển khai | Phổ biến |
Người Đức thì làm khác một chút với tàu Transrapid. Họ dùng phương pháp nâng điện từ nhờ thanh nam châm đặt trên tàu, kết hợp với nam châm vô kháng chạy dọc đường ray hình chữ T.
Vận tốc dự kiến đạt 450 km/giờ trên tuyến Berlin – Hamburg. Ngoài ra, còn có ứng dụng trong y tế với máy quét MRI dùng siêu nam châm để khảo sát mô trong cơ thể.Hoặc trong nghiên cứu không gian, người ta dùng khớp nối Josephson – nơi dòng điện nhảy qua khe hở giữa hai chất siêu dẫn – để tạo ra máy đo điện trường siêu chính xác.Lời khuyên cho người mới tìm hiểu về siêu dẫn
Nếu bạn mới bắt đầu tìm hiểu về lĩnh vực này, tôi có vài lời khuyên từ kinh nghiệm thực tế:
-
Bắt đầu từ những khái niệm cơ bản: Hiểu rõ ba đặc tính chính của siêu dẫn – không điện trở, hiệu ứng Meissner (đẩy từ trường), và khớp nối Josephson (dòng điện nhảy qua khe hở).
-
Phân biệt siêu dẫn nhiệt độ thấp và cao: Mốc 77K (nhiệt độ Nitơ lỏng) là ranh giới quan trọng. Trên mốc này, chi phí vận hành giảm đáng kể.
-
Theo dõi các vật liệu mới: Gần đây, các nhà khoa học Nhật đã tìm ra vật liệu siêu dẫn từ phi kim loại như Magie và Bo, hoạt động ở -133 độ C. Đây là hướng đi rẻ tiền và đầy hứa hẹn.
| Mức độ | Kiến thức cần nắm | Tài liệu tham khảo |
|---|---|---|
| Cơ bản | Đặc tính siêu dẫn | Sách giáo khoa vật lý phổ thông |
| Trung cấp | Lý thuyết BCS, cặp Cooper | Giáo trình vật lý đại cương |
| Nâng cao | Mô hình Hubbard, RVB | Tạp chí chuyên ngành |
-
Cập nhật tin tức thường xuyên: Lĩnh vực này thay đổi nhanh chóng. Hãy theo dõi các hội nghị vật lý lớn như APS March Meeting.
-
Thực hành nếu có thể: Ở Việt Nam, Đại học Quốc gia Hà Nội đã có phòng thí nghiệm siêu dẫn từ những năm 1990. Dù kinh phí còn hạn chế, nhưng đây là nơi tốt để học hỏi.
Tóm lại, siêu dẫn không chỉ là lĩnh vực hàn lâm mà còn mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn. Từ truyền tải điện không tổn hao (tiết kiệm 15-20% điện năng) đến tàu cao tốc, máy gia tốc hạt, hay thiết bị y tế.
Tương lai còn nhiều điều thú vị đang chờ phía trước.
