Vật liệu siêu dẫn và ứng dụng Chúng ta cùng nhau tăng sự hiểu biết của mình về một loại vật liệu rất nhiều tính năng ưu việt và khả năng ứng dụng trong rất nhiề lĩnh vực mang lại hiệu quả kinh tế rất cao. Những vật liệu dẫn điện với tính năng hoàn toàn không có điện trở khi dẫn điện đó là vật liệu siêu dẫn (superconducting materials). . Thời sơ khaingười tamới biết một đặc tính củachấtsiêu dẫn, đó là: nếu truyền một dòngđiện vào một mạchlàm bằng chất liệusiêu dẫn thì dòng điện sẽ chạytrong đó mãi màkhông suy giảm, vìnó khônggặp mộttrở khángnào trên đườngđi, nghĩa là năng lượng điệnkhông bị tiêuhao trong quá trìnhchuyển tải điện từ nơi này sangnơi khác. Đây được coi như một dạng chuyển động vĩnhcửu trong điện năng. khi Ônglàm nguội thủy ngân trong ni tơ lỏng. Trạng thái này đã được nhà khoa học người Đức Meissnerchứng minh đó là điện trở đột ngột giảm xuống bằng 0 Năm 1911,Nhà khoahọc Kamerlingh OnnesngườiHà Lan đã tình cờ phát hiện ra trạng thái điện trở bằng0 Đặc tính trên, được gọi là:Đặc tính riêng thứ nhấtcủa chất siêu dẫn. Tính dẫn điện nghĩa là cácđiện tích chuyểntrong cấu trúc tinh thể chất dẫnđiện (đồng,nhôm, sắt v v ),khiđiện tử va chạm phải nguyên tử trên đường đi trong chất dẫn điện thì sinh ra điện trở làm tổn thấtđiện năng. Sự tổn thất ấy lên tới 15% đến20%. Như vậy,nếu ứngdụng chất siêu dẫn vàochuyển tải điện năng từ nhà máy điện đến người tiêu dùng,sẽ tiết kiệm đượcrất nhiều cho xã hội. Nhưng trở ngại là chất siêudẫn chỉ xuất hiện khiở nhiệt độ rất thấp,chỉ một vài độ trên không độ tuyệt đối (0 độ K, tức âm 273 độ C); cụ thể, nhiệt độ mà ngườita đã ghi lại được ở chất siêu dẫn nêu trên là 23độ Kvà phải dùngkhí Heliumhoá lỏng để làm lạnh, đó làmột chất phức tạpvà đắt tiền, đòi hỏiphải tìmra những chất siêu dẫn mới,thích hợp, khắc phục nhược điểm trên. - Đến tháng 1/1986tại Zurich,hai nhà khoa họcAlex Muller và GeorgBednorz tình cờ phát hiện ra một chất gốm mà các yếu tố cấu thành là: Lantan,Đồng, Bari,Oxit kim loại. Chấtgốmnày trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ 30 độ K. Một thời gian ngắn sau,các nhà khoahọc Mỹ lại phát hiện ra những chất gốm tạo thành chất siêudẫn ở nhiệt độ tới 98 độ K. Điều quantrọng là chúng làm lạnh bằng Nitơ hoá lỏng. Đó làmột thứ rẻ tiền vàdễ thaotác hơn sovới Helium lỏng. Người ta gọi đó là nhữngchất siêu dẫn mới. Kết quả này kích thích các nhàkhoa họcđua nhau đi tìm chấtgốm có đặc tính siêu dẫn ở nhiệt độ K ngày càngcao để manglại sự thuận tiện và đỡ tốn kém khi ứng dụngsiêu dẫnvào đời sống - Năm1987, Hội Vậtlý Mỹ (American Physical Society)mở Hội nghị khoa họctại New Yorkvới sự hiện diện của nhiều nhà vậtlý nổi tiếng Hoa Kỳ vànhiều nước trên thế giới.Người ta trao đổi đếnnhững nét mới của siêu dẫn mà một trong số đó là hiệntượng những đĩa “gốm treo” lơ lửng trên cácnam châm, ngườita gọi đó là “hiệu ứng Meissner”. Hiệu ứng này ngăncản từ trườngthâm nhập vào bề mặt chất siêu dẫn, vì thế, làm cho đĩa gốm tự nâng lên và lơ lửng trên các namchâm; nhưng nếu làmột từ trường mạnh thì vẫncó thể thắng được sức đẩy, khi đó nó phá huỷ đặc tínhsiêu dẫncủavật liệu. Như vậy, những chất gốm siêu dẫn tỏ ra dễ bị ảnhhưởng bởi từ trường mạnh.Đồng thời, nguyên lý MagneticLevitation (Maglev)cũng được đề cập đến,nguyên lýnày dựa vào từ trườngdo các tấm nam châmsiêu dẫn sinhra khi duytrì đượcnhiệt độ rất thấp. ở nhiệt độ ấy, mọitrở kháng không còn, nam châm trở thành siêu dẫn và tạo ratừ trường cực mạnh. Từ kết quả trên cùng với những nghiên cứu khác,người ta kết luận:Những chất siêu dẫn nhiệt độ thấp có thể tạora nhữngtừ trườngrất mạnh và gọi chung đó là đặc tínhriêng thứ hai của siêu dẫn. Mọi chấtsiêu dẫn đều làm ra từ trường; mặt khác,dòng điện chạy trong chất siêu dẫn lại không gặp phải mộtkháng trở nào, do đó từ trường siêu dẫn sản sinhra rất mạnh. Nhờ đó mà ngày nay,con người có thể tạo ra từ trườngnhân tạo mạnh gấptới 200 ngàn lần so vớitừ trường của Trái đất. - Cũngtại hội nghị khoa học này, các nhà khoa học còn thảo luận tới phát minh mới về chất siêu lỏng(nó cũng hoạt động ở nhiệt độ rất thấp, tới giới hạntối đa của độ âm) và nó không có độ bám dính, nghĩa là không có ma sát, nếu tác động quay tròn, chúng sẽ khôngdừnglại. Đây cũngđượccoi như dạng một chuyểnđộng vĩnhcửu trong chất lỏng. Từ những trìnhbầy trên, ta có thể định nghĩa : Chất siêu dẫn là những chất tồn tại ở nhiệt độ cực thấp, khidòng điệnchạy quakhông có kháng trở. Cả haithứ: siêu dẫn và siêu lỏngđều là những lĩnh vực hấp dẫn của vật lý đương đại, từ đây,người ta nhanh chóngnhận ratiềm năngto lớn củachúng. Cũngphải nói thêm rằng, những nămvề trước, người ta biết đến chất gốm siêu dẫn là một hỗnhợp cấu thành từ các kim loại, hợp kim, oxit kimloại như đồng (Cu), niobium (Nb)…trong tươnglai, chắc chắn còn tìmra nhiều chất gốmsiêu dẫnưu việt khác nữa và nhiệt độ cấu thành lên nó ngày mộtcao. Cho đến nay, nhiệt độ caonhất cóthể đạt đượcvới một chấtgốm siêu dẫn mới là 150Ktrong hon hop InSnBa4Tm3Cu5Ox.Nhưng thực tế cho thấy, nhữngchấtgốm được tạothành siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn 100 độ K lại tỏ ra không được ổn định vì nó nhanh chóngmất đi tính siêu dẫn;Đây là một trong những trở ngại lớn trên con đường chinhphục siêudẫn. Sự phá huỷ đặc tính siêu dẫn khi ảnhhưởng bởitừ trường mạnh được giải thích như sau: Đó là do “vòng xoáy từ-vortex state” (tức là những đường từ tính chuyển độngbên trong chất liệu, như những xoáy nước đi trong dòngnước), nhữngxoáy này di chuyển, tạo ra những điện trường ngăn chặn dòngđiện di chuyển tự do, vì thế sinhra mất tínhsiêudẫn của vậtliệu. - Ngoài những trở ngại như: chất siêu dẫn chỉ xuất hiện ở nhiệt độ thấp, và chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn 100 độ K lại khôngổn định; một trở ngại khácnữa đòi hỏi phải sớm vượtqua, đó là, chất siêu dẫn đượclàm nên dưới dạng một loại bột, có thể nén lại thành một chấtrắn nhưngrất giòn. Để dễ ứngdụng, tacần biến nó dướidạng “ mộtsợi giây”, nhưng tính giòn làm cản trở cho ý đồ kỹ thuật này.Tuy nhiên,dựa vào côngnghệ làm vi mạch, người ta đã bắt chước cách làm đó và tiến hành như sau:Phun chấtbột này thành mộtlớp mỏnglên nền mộtchất liệu khác gọi là đế (tức làrải nhữngyếu tố cấu thành gốm lên cáiđế ). Nhờ đó có thể tạo thành “dạng giây” và có thể uốnlượn đường giây theo ý muốn trên mặt phẳng.Tuy nhiên,không đượcbẻ cong vì dễ tạo ra sự đoản mạch. - Từ đặc tínhriêng thứ haicủa siêu dẫn đã mở ranhiều hướng ứngdụng vàcác nhà công nghiệptỏ ra hào hứngnhẩy vào cuộc săn tìmcông nghệ mới từ siêu dẫn. Họ hướngvào một số lĩnh vực ứngdụngchính sau: + Dựa vào “nam châm siêu dẫn”, người Nhậtvà người Đức thiết kế ra các đoàn tầu chạytrên đệm từ .Người Nhật đã thử nghiệm với khoảng 3-4 công nghệ tầu chạy trên đệmtừ khác nhau,lấy tên là Maglevdựa theo côngnghệ: Thực hiện phép nâng điện-độnglực học bằng cách tạo ra 2 từ trường đối nhau giữa các nam châm siêu dẫn đặt trên con tầuvà nhữngcuộn dây lắp trongđường ray hình chữ Ubằng bê tông. Sau đâylà một hìnhmẫu nhiều triển vọng nhất đã thử nghiệm đến lần thứ ba, có thông số kỹ thuật: Tầuchạy từ Tokyo đến Osakacách nhau khoảng 500 km,mục tiêu chở 100 khách chạy trongmột giờ. Từ trườngdo nam châm siêu dẫn tạo ra cực mạnh đủ để nângcon tầu lên10 cm khỏi đường ray.Đường raycó mặtcắt hình chữ U,trên nó có lắp 3 cuộn giây từ, được cung cấp điện bởi các trạm nguồn đặt dưới đất dọc theođường tầu. Namchâm siêu dẫn đặt trên tầu và đặt trong những bình chứa Heliumđã hoálỏng,tạora nhiệtđộ thấp là269 độ dướikhôngđộ, khi có dòng điện đi qua, sinhra mộttừ trường khoảng 4,23tesla nâng tầu bổng lên trong khung đường ray chữ U. Nhờ lựchút và lực đẩy xen kẽ giữahai cực Bắc-Nam của cuộn giây và nam châm, con tầu cứ thế tiến lên phía trước. Điều khiển tốc độ nhờ điều chỉnhbiến đổi tần số dòngđiện trong cuộn dây từ 0 đến 50 Hz và điều chỉnh tốc độ từ xa tại trung tâm điều khiển. Để hãm tầu, người ta làmcánh hãmnhư trên máy bay.Người Nhật đã phải vừa sản xuất vừa thử nghiệm trong7 năm với kinhkhítrên 3 tỷ USD .Hệ thống trên đôi khicòn được gọi là hệ thống “Vận tải trên bộ tốc độ cao” (High Speed Surface transport – HSST). + Theo hướng công nghệ HSST này, người Đứcchế tạo ra tầu“Transrapid”chạy trên đệmtừ và cũng theo nguyênlý phátminhtừ những năm 1960theocôngnghệ hơi khácngười Nhật đôi chút, đó là phương pháp nâng điện từ nhờ tácđộng của những thanh namchâm đặttrên tầu,với nhữngnam châmvô kháng chạy bên dưới và hai bên đườngtầu hình chữ T. Với vận tốc đạt450 km/giờ chạy trên đường Berlintới Hambourg,kinhphí khoảng6 tỷ USD. Ngoài ra, người Pháp cũngđã và đang quantâmđến vấn đề vận tải siêu tốc trên bộ bằng siêu dẫn. + Một ứng dụngkhác nữalà, có thể tạo ra được máy gia tốc mạnhđể nghiên cứu đặc tínhgốc củanguyên tử. Người ta dùng nhữngnam châm cực mạnh để bẻ cong các chùm hạt, làm cho chúng chạytheo đườngtròn để chúng va đập vào nhau,qua đó nghiên cứu những “mảnh”sinh ra do những va đập mạnhđó; người ta gọi đó là “siêuva đập siêu dẫn”. Dựatheo nguyên tắcnày, các nhàkhoa học Mỹ đang tiến hành xây dựng một “máy gia tốc cực mạnh” trong đường hầm dài 88 km ở bang Texac để nghiêncứu các hạtcơ bản của vậtchất. + Thêmmột ứng dụng vô cùngquantrọng nưa là khả năng giữ được trạng thái thứ tư cua vật liệu-trạng tháiplasma.Chúng ta biết rằng phản ứng nhiệt hạch (Thermonuclear reactions)với khả năngtạo ra một năng lượng khổnglồ, hãy thử hình dung năng lượng được tạo ra dophản ứng nhiệt hạch từ một gam D-Ttương đươngvới nănglượng từ 10000 lits dầu.Nhưng ở trạngthái plasmavới thành phần chủ yếu làHidro nà hêli và nhiệt độ khoảng 60000C sẽ không coloại vậtliệu nào có thể giữ, khống chế được nguồn năng lương này. Với khả năngưu việt của mình các Ionsvà electronsquay xung quanhcác đường từ trường tạo ra một áp lực tử vô cùng lớn có thể giữ được trạng thái plasmatrong cáclò phản ứnghạt nhân. - Đặc tính thứ ba của chất siêu dẫn là:Nếu haichất siêu dẫn được đặt gần nhau (nhưngkhôngchạm nhau) thì các điện tử có thể nhảy quanhư thể hai chất dẫn điện ấy tiếp xúcvới nhau. Chỗ mà dòngđiện nhẩy qua,người ta gọi là“khớp nối Josephson”. Nhưng dòng điện chạy quakhớp nối ấy rất nhậy cảm với nhữngbiến đổi củađiện trường và từ trường bên ngoài. Điềunày giúp cho cácnhà khoa học nẩy raý tưởng: + Có thể ứngdụng để sản sinh ra máy đo điện trường hết sứcchính xác. + Một ứng dụngquan trọngnữa từ đặc tínhthứ ba này của chất siêu dẫnlà có thể làm ra “cái ngắtmạch điện từ” giống như mộttranzito.Cùng với đặc tínhthứ nhất là dẫn điện màkhông có điện kháng,người ta hy vọng có thể làm rađược máy tính được nối với nhaubằng “giây siêudẫn”, nhờ đó sẽ làm nênđược “máy tínhđiện tử siêu tốc”thế hệ mới phục vụ cho nghiên cứu không gian. + Ngoài ra, có thể ứng dụngkhớp nối Josephsonđể sản xuất ra thiết bị ytế nhằm nghiêncứu nhữngđiện trường sinh học cực nhỏ do hoạt động củanão người sinh ra, giúp cho việc chẩn đoán bệnh về não.Hoặc nhờ siêu nam châm, có thể chế tạo ra các máy quét MRI dùngtrong y học (quét ảnh bằng cách đo tiếng dội lạicủa âm thanh) để khámcác mô trong cơ thể người. + Cùng với những điều đã nói ở trên, người ta cònhy vọng những thành quả của siêu dẫn có thể ápdụng để tạo ra những thiết bị quansát vì sao,hành tinh,hoặc bề mặttrái đất và giúpgiải thích cơ chế của một số vật thể lạ trong vũ trụ, như những vì saoNeutron, nhữngvật thể siêu rắn sótlại của nhữngngôi sao phát nổ trước khi tắt màngười ta nghĩ là có đặc tínhxoayvòng tương tự với chấtsiêu dẫn lỏng… - Gầnđây, các nhàkhoa học Alexei Abrikosov, VitalyGinzburg(người Nga) và AnthonyLeggett(người Mỹ gốc Anh) đã đóng góp nhiều vào lĩnh vực lýthuyết siêu dẫnvà mở ranhiều hướng ứng dụngvới côngnghệ caotrong các lĩnhvựcmáy tính, truyền tải điện năng siêu hiệu quả…. Nhữngthành quả của họ được đánh giá là chất siêu dẫn thế hệ 2 vàba nhà khoahọc đã được nhận giải Nobel về vật lý vào năm 2003.Tuynhiên, về mặt lý thuyết, người ta vẫn chưathể giảithích đượcthoả đáng chất siêu dẫn thực tế hoạt động như thế nào? , mặcdù những hiện tượng vật lý của nó đã được biết đến không phải ít. - Nói về vật liệusiêu dẫn mới,ta không thể không đề cập tới thành công mới đây của người Nhật,đó là, các nhà khoahọc thuộc Trườngđại học Aoyama-Gakinở Tokyo đã tìm ra vật liêu siêu dẫn từ phikim loại như Magie (Mg), hoặc Bo (B)… Điều làm cho nó trở nên rẻ tiền nữa là chấtsiêu dẫn trên chỉ làm việc ở nhiệtđộ – 133 độ C. Nghĩa là còn ưu việt hơn cả Keramikcủa người Mỹ. Thành côngnày rất đáng trân trọng,bởi nó mở ra tìm chất liệu bán dẫntừ phi kimloại là những vật liệu rẻ tiền,mà nhiệtđộ để tạo thành chất siêu dẫn có thể chấp nhậnđược . haicủa siêu dẫn đã mở ranhiều hướng ứngdụng vàcác nhà công nghiệptỏ ra hào hứngnhẩy vào cuộc săn tìmcông nghệ mới từ siêu dẫn. Họ hướngvào một số lĩnh vực ứngdụngchính sau: + Dựa vào “nam châm siêu. Vật liệu siêu dẫn và ứng dụng Chúng ta cùng nhau tăng sự hiểu biết của mình về một loại vật liệu rất nhiều tính năng ưu việt và khả năng ứng dụng trong rất nhiề lĩnh. Những vật liệu dẫn điện với tính năng hoàn toàn không có điện trở khi dẫn điện đó là vật liệu siêu dẫn (superconducting materials). . Thời sơ khaingười tamới biết một đặc tính củachấtsiêu dẫn,