Các chất siêu dẫn ở nhiệt độ bình thường sẽ cho phép truyền năng lượng điện mà không bị thất thoát hoặc lãng phí, các đoàn tàu maglev ( đệm từ) hoạt động hiệu quả hơn và việc sử dụng công nghệ MRI rẻ hơn và phổ biến hơn trong tương lai.
Chất siêu dẫn là gì?
Chất siêu dẫn là vật liệu đạt được tính siêu dẫn, là trạng thái vật chất không có điện trở và không cho phép từ trường xuyên qua. Dòng điện trong chất siêu dẫn có thể tồn tại vô thời hạn.
Tính siêu dẫn thường chỉ có thể đạt được ở nhiệt độ rất lạnh. Chất siêu dẫn có rất nhiều ứng dụng hàng ngày, từ máy chụp cộng hưởng từ MRI đến tàu hỏa siêu nhanh sử dụng nam châm để đẩy tàu lên khỏi đường ray nhằm giảm ma sát. Các nhà nghiên cứu hiện đang cố gắng tìm kiếm và phát triển các chất siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, điều này sẽ tạo ra một cuộc cách mạng trong việc vận chuyển và lưu trữ năng lượng.
Ai là người phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn?
Nhà vật lý người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes là người có công trong việc khám phá ra hiện tượng siêu dẫn. Năm 1911, Onnes đang nghiên cứu các tính chất điện của thủy ngân trong phòng thí nghiệm của ông tại Đại học Leiden, Hà Lan thì ông phát hiện ra rằng điện trở trong thủy ngân hoàn toàn biến mất khi ông giảm nhiệt độ xuống dưới 4,2 Kelvin - tức là chỉ 4,2 độ C (7,56 độ Fahrenheit) trên không tuyệt đối.
Để xác nhận kết quả này, Onnes đã cho dòng điện vào một mẫu thủy ngân siêu lạnh, sau đó ngắt kết nối pin. Ông phát hiện ra rằng dòng điện vẫn tồn tại trong thủy ngân mà không giảm, khẳng định sự thiếu hụt điện trở và mở ra cánh cửa cho các ứng dụng trong tương lai của hiện tượng siêu dẫn.
Các nhà vật lý đã dành nhiều thập kỷ để cố gắng tìm hiểu bản chất của hiện tượng siêu dẫn và nguyên nhân gây ra nó. Họ phát hiện ra rằng, nhiều nguyên tố và vật liệu, nhưng không phải tất cả, đều trở nên siêu dẫn khi được làm lạnh dưới một nhiệt độ tới hạn nhất định.
Năm 1933, các nhà vật lý Walther Meissner và Robert Ochsenfeld phát hiện ra rằng chất siêu dẫn "trục xuất" bất kỳ từ trường nào gần đó, có nghĩa là từ trường yếu không thể xuyên sâu vào bên trong chất siêu dẫn. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Meissner.
Cho đến năm 1950, các nhà vật lý lý thuyết Lev Landau và Vitaly Ginzburg mới công bố lý thuyết về cách hoạt động của các chất siêu dẫn, theo tiểu sử của Ginzburg trên trang web Giải Nobel . Mặc dù thành công trong việc dự đoán các thuộc tính của chất siêu dẫn, lý thuyết của họ là "vĩ mô", có nghĩa là nó tập trung vào các hành vi quy mô lớn của chất siêu dẫn trong khi vẫn không biết gì về những gì đang diễn ra ở cấp độ vi mô.
Cuối cùng, vào năm 1957, các nhà vật lý John Bardeen, Leon N. Cooper và Robert Schrieffer đã phát triển một lý thuyết vi mô hoàn chỉnh về hiện tượng siêu dẫn. Để tạo ra điện trở, các electron trong kim loại cần phải tự do bật ra xung quanh. Nhưng khi các electron bên trong kim loại trở nên cực kỳ lạnh, chúng có thể bắt cặp, ngăn không cho chúng bật ra xung quanh. Các cặp điện tử này, được gọi là cặp Cooper, rất bền ở nhiệt độ thấp, và không có điện tử nào "tự do" bật ra xung quanh, điện trở sẽ biến mất.
Chất siêu dẫn được sử dụng làm gì?
Rất có thể bạn đã gặp phải một chất siêu dẫn mà không nhận ra nó. Để tạo ra từ trường mạnh được sử dụng trong chụp cộng hưởng từ (MRI) và chụp cộng hưởng từ hạt nhân (NMRI), các máy sử dụng nam châm điện mạnh, như Mayo Clinic mô tả . Những nam châm điện mạnh mẽ này sẽ làm tan chảy các kim loại bình thường do sức nóng của điện trở dù chỉ là một chút. Tuy nhiên, vì chất siêu dẫn không có điện trở nên không sinh nhiệt, và nam châm điện có thể tạo ra từ trường cần thiết.
Các nam châm điện siêu dẫn tương tự cũng được sử dụng trong các đoàn tàu đệm từ (maglev), lò phản ứng tổng hợp hạt nhân thực nghiệm và các phòng thí nghiệm máy gia tốc hạt năng lượng cao.
Thách thức đầu tiên đối với các nhà nghiên cứu ngày nay là "phát triển các vật liệu siêu dẫn ở điều kiện môi trường xung quanh, bởi vì hiện tại siêu dẫn chỉ tồn tại ở nhiệt độ rất thấp hoặc ở áp suất rất cao", Mehmet Dogan, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học California, Berkeley, cho biết.
Chất siêu dẫn được chia thành hai loại chính: chất siêu dẫn nhiệt độ thấp (LTS), còn được gọi là chất siêu dẫn thông thường và chất siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS), hoặc chất siêu dẫn không thông thường.
Hầu hết các nghiên cứu lịch sử về hiện tượng siêu dẫn đều theo hướng của LTS, bởi vì những chất siêu dẫn đó dễ khám phá và nghiên cứu hơn nhiều, và hầu như tất cả các ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn đều liên quan đến LTS.
Bí quyết của nghiên cứu chất siêu dẫn là tìm ra một vật liệu có thể hoạt động như một chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Cho đến nay, nhiệt độ siêu dẫn cao nhất đã đạt được với lưu huỳnh hyđrua cacbon có áp suất cực cao, đạt đến độ siêu dẫn ở 59 F (15 C, hay khoảng 288 K), nhưng cần 267 gigapascal áp suất để làm điều đó. Áp suất đó tương đương với bên trong của các hành tinh khổng lồ như Sao Mộc, điều này khiến nó không thực tế đối với các ứng dụng hàng ngày.
Các chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng sẽ cho phép truyền năng lượng điện mà không bị thất thoát hoặc lãng phí, các đoàn tàu maglev hiệu quả hơn và việc sử dụng công nghệ MRI rẻ hơn và phổ biến hơn. Các ứng dụng thực tế của chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng là vô hạn - các nhà vật lý chỉ cần tìm ra cách chất siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ phòng và vật liệu "Goldilocks" để cho phép siêu dẫn có thể là gì.
Phát triển tàu đệm từ vốn được xem là một trong những mục tiêu chính của Trung Quốc, nhằm nâng cấp hệ thống hạ tầng giao thông vận tải. Cụ thể, Bắc Kinh dự tính cho ra đời 9 tàu đệm từ có thể bao phủ một khu vực rộng hơn 1.000 km