B ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC s PHẠM HÀ NỘI NGUYỄN YIẾT THỊNH MÔ HÌNH SIÊU DẪN TRUYỀN THỐNG ĐỐI VỚI H2S LUẬN VĂN THẠC s ĩ KHOA HỌC VẬT CHẤT HÀ NỘI, 2016 B ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC s PHẠM HÀ NỘI NGUYỄN YIẾT THỊNH MÔ HÌNH SIÊU DẪN TRUYỀN THỐNG ĐỐI VỚI H2S Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết Vật lí toán Mã số: 60 44 01 03 LUẬN VĂN THẠC s ĩ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TRÍ LÂN HÀ NỘI, 2016 LỜI CAM ĐOAN Trong trìn h nghiên cứu luận văn đề tài: “M ô h ìn h s iê u d ẫ n t r u y ề n th ố n g đ ố i với H 2S”, đ ã thự c cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu đề tà i để hoàn th n h khóa luận Tôi xin cam đoan luận văn hoàn th àn h nỗ lực b ản th â n với hướng dẫn bảo tậ n tìn h hiệu TS Nguyễn Trí Lân Đây đề tà i không trù n g với đề tà i khác kết đ t không trù n g với kết tá c giả khác H N ộ i, tháng 08 n ăm 2016 Tác giả Nguyễn V iết T hịnh LỜI CẢM ƠN Đ ầu tiên xin chân th n h cảm ơn TS Nguyễn Trí Lân, người đ ã hướng dẫn thực luận văn T hầy đ ã cung cấp tà i liệu truyền th ụ cho kiến thức m ang tín h khoa học phương pháp nghiên cứu khoa học Sự quan tâm , bồi dưỡng th ầy đ ã giúp vượt qua khó khăn qua trìn h hoàn th n h luận văn tro n g trìn h học tậ p nghiên cứu Đối với tôi, th ầy tấ m gương sáng tin h th ầ n làm việc không m ệt mỏi, lòng hăng say với khoa học, lòng nhiệt th n h quan tâ m bồi dưỡng th ế hệ trẻ Tôi xin chân th n h cảm ơn B an Chủ Nhiệm K hoa Vật Lý trường Đại Học Sư P h ạm H Nội th ầy cô giáo đ ã tậ n tìn h giảng dạy, tạo điều kiện giúp hoàn th n h khóa học H N ộ i, tháng 08 n ăm 2016 Tác giả Nguyễn V iết T hịnh Mục lục MỞ DẦU Lí chọn đề t i Mục đích nghiên c ứ u Nhiệm vụ nghiên c ứ u Đối tượng phạm vi nghiên c ứ u Phương pháp nghiên cứu Những đóng góp m i TổlV lG Q U A N L Ý T H U Y E T v e s i ê u d a n 1.1 Hiện tượng siêu d ẫ n 1.1.1 Vài nét lịch sử p hát hiện tượng siêu dẫn 1.1.2 K hái niệm tượng siêu dẫn Các tính chất vật liệu siêu d ẫ n 1.2.1 1.2 1.3 T ính chất đ i ệ n 1.2.2 T ính chất t 1.2.3 T ính chốt n h i ệ t 16 M ột số lý thuyết siêu dẫn 21 1.3.1 Lý thuyết nhiệt động lựchọc chuyển pha siêu d ẫ n 21 1.3.2 Sự xâm nhập từ trường vào chất siêu d ẫ n 23 1.3.3 Lý thuyết G inzburg - L a n d a u 25 1.3.4 Mô hình hai chất l ỏ n g 27 L Ý T H U Y Ế T B A R D E E N - C O O P E R - S C H R IE F F E R ( B C S ) V E S IÊ U D AN 30 2.1 Cặp C o o p e r 30 2.2 M ột số kết từ lý thuyết B C S 34 2.2.1 T ính toán giá trị m ột số đại lượng lý thuyết B C S 34 2.2 Những kết tiên đoán từ lý thuyết BCS 35 2.3 Các tính chất vĩ mô chất siêu dẫn theo lý thuyết B C S 36 2.3.1 Nhiệt độ tới h n 36 2.3.2 An n h i ệ t 37 2.3.3 Từ trường tới hạn nhiệt động lực học 37 2.3.4 Điều kiện tồn tạ i tính siêu d ẫ n 38 M Ô H ÌN H S IÊ U DẪN B C S Đ ố l V Ớ I H2S 39 3.1 Hiện tượng siêu dẫn H2S 39 3.2 N hiệt độ T c chất siêu dẫn H 2S 44 K Ế T LU Ậ N 53 T i liệu tham khảo 54 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Chúng ta biết điện trở suất kim loại tăng theo nhiệt độ, nhiệt độ giảm th ì điện trở kim loại giảm Tuy nhiên đa số vật liệu có tính chất M ột đặc tính kỳ diệu m ột số vật liệu m ột nhiệt độ n h ất định (tùy theo chất) điện trở suất vật liệu không, độ dẫn điện trở nên vô Đó tượng siêu dẫn Hiện tượng lý th ú phát lần thủy ngân cách gần m ột kỷ (năm 1911) vùng nhiệt độ gần không độ tu y ệt đối (< 4,2 K ) Để giải thích chế hình th àn h siêu dẫn vật liệu siêu dẫn, nhiều mô hình lý thuyết nhà khoa học đưa Song m ột mô hình lý thuyết hoàn chỉnh để giải thích trọ n vẹn chế m ột câu hỏi chưa có lời giải đáp thỏa đáng M ột mô hình hình th àn h th àn h công mô hình BCS Các tác giả nó: Bardeen, Cooper, Schrieffer giải thưởng Nobel năm 1957 Và giải thích m ột cách định lượng rốt th àn h công tín h chất vi mô hệ siêu dẫn nhiệt động lực học hệ Lý thuyết rấ t tương thích với m ột lý thuyết khác "lý thuyết G inzburg-Landau" T đến nhà khoa học không ngừng tìm tòi, nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao Ngoài đặc tính siêu dẫn, người ta phát thấy với chất siêu dẫn, từ trường bên luôn không có tượng xuyên ngầm lượng t điều mở khả cho ứng dụng siêu dẫn nhiệt độ cao, có đóng góp to lớn sản xuất ứng dụng thương m ại công nghiệp, để tậ n dụng hiệu chi phí có nguồn ngốc từ m ột hỗn hợp lạnh giá rẻ (nitơ lỏng) Hiện nhà khoa học p h át H2S (Sulfur hydride), m ột hợp chất khí điều kiện nhiệt độ bình thường, rấ t độc có mùi trứng thối, trở th àn h chất siêu dẫn nén hydro sunfua áp suất cực lớn, khoảng 1,5 triệu atm osphere (150 GPà ) đồng thời hạ nhiệt độ chúng xuống —70° C(203 K ), tượng siêu dẫn xảy hay H2S không điện trở N hiệt độ -70° c cao rấ t nhiều so với chất siêu dẫn khác vốn đòi hỏi việc hạ nhiệt độ xuống âm hàng trăm độ Celsius Việc tạo m ột bước tiến lịch sử hướng tới phương pháp tìm m ột chất siêu dẫn hoạt động điều kiện nhiệt độ phòng Nó làm nhà khoa học nghiên cứu rấ t quan tâm Dựa vào mô hình BCS ta hy vọng tìm cách lý giải rõ ràng tượng siêu dẫn H2S Chính chọn đề tà i “Mô hình siêu dẫn truyền thống H2S” làm đề tà i luận văn Mục đích nghiên cứu • Làm sáng tỏ tượng siêu dẫn H2S Nhiệm vụ nghiên cứu • Tìm hiểu nghiên cứu tín h chất điện, từ vật liệu siêu dẫn H 2S Dối tượng phạm vi nghiên cứu • Hiện tượng siêu dẫn H2S áp suất cao Phương pháp nghiên cứu • Phương pháp th u th ập tà i liệu, xử lý, so sánh số liệu • Phương pháp vật lý thống kê • Phương pháp xây dựng mô hình Những đóng góp • Nghiên cứu làm sáng tỏ tượng siêu dẫn H 2S • Tìm phụ thuộc nhiệt độ chuyển pha T c H2S điều kiện khác • Nghiên cứu tượng siêu dẫn H2S đóng góp quan trọng vật lý lý thuyết nói riêng việc tìm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao nói chung TỔNG QUAN LÝ T H U Y ET v Ề s iê u d a n 1.1 Hỉện tượng siêu dẫn 1.1.1 Vài nét lịch sử v i phát hiện tượng siêu dẫn Cố th ể nói việc hóa lông heli đ ã tiền đề cho p h t m inh siêu dẫn Năm 1908 K am errlingh O nnes đ ã hóa lỏng khí heli lần th ế giới, ông b a năm sau nghiên cứu điện trỏ thủy ngân, p h t m inh tượng siêu dẫn quan sát th điện trỏ th ủ y ngân đột ngột giảm không nhiệt độ ,2 K Những năm sau đó, m ột số vấn đề liên quan đến tượng siêu dẫn (SD) khám phá Năm 1914 tượng dòng điện p h vỡ trạ n g th i siêu dẫn p h t năm đổ, K am erlỉngh O nnes chế tạo nam châm siêu dẫn Năm 1933, hai nhà khoa học M eissner Ochsenfeld đ ã công bố rằng: C hất siêu dẫn làm lạnh từ trường nhiệt độ chuyền p h a th ì đường cảm ứng từ bị đẩy Hiệu ứng m ang tên hiệu ứng Meissner Kameriingh Onnes Walter Meissner Robert oclisenfeld Trong suốt khoảng thời gian từ năm 1911 đến 1985, chất siêu dẫn tìm cổ n h iệt độ chuyển p h a không vượt 24 K chất lỏng hêli môi trường n h ấ t dùng để nghiên cứu tượng siêu dẫn Về m ặt lý thuyết th ì năm 1957, n h khoa học B arden, C ooper Schriffer đưa lý th u y ết vi mô, gọi lý thuyết BCS giải thích t ấ t tín h chất chất siêu dẫn, lý thuyết nhận giải thưởng Nobel John Bardeen, Leon Co operand John Schneider Năm 1986, J.G B ednorz K.A.M uller đ ã tìm tượng siêu dẫn có chất gốm L a-B a-C u-0 với nhiệt độ chuyển pha nằm vùng nhiệt độ nitơ lỏng cho th m ột cách rõ ràng siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng có th ể làm lạnh với nitơ lỏng thay heli lỏng, qua vật liệu dễ chế tạo chi p h í vận hành rẻ Với p h t m inh J.G B ednorz K.A.M uller đ ã nhận giải thưởng Nobel vật lý năm 1987 Sau p h t m inh J.B bednorz K.A.m uller rấ t nhiều chất siêu dẫn x u ấ t hiện, hầu h ết chất có nhiệt độ chuyền p h a siêu dẫn nằm vùng nhiệt độ cao nhiệt độ hóa lỏng nitơ (77 ÍT), gọi chung siêu dẫn nhiệt độ cao T đây, ngành vật lý siêu dẫn b ắ t đầu m ột hướng - siêu dẫn nhiệt độ cao Sự p h t m inh siêu dẫn nhiệt độ cao đ ã mở m ột kỷ nguyên cho ngành vật lý siêu dẫn Nó đánh dấu p h t triển vượt bậc trìn h tìm kiếm nhà vật lý công nghệ lĩnh vực siêu dẫn G iải Nobel V ật lý 2003 chia cho b a khoa học gia đ ã có đóng góp có tín h cách vào việc khảo cứu tượng Siêu dẫn (Superconductivity) Siêu lỏng (Superfluidity) Đó là: MÔ HÌNH SIÊU DẪN BCS Đ ốl VỚI H2S 3.1 Hiện tượng siêu dẫn H2S M ột thách thức lớn nhà vật lý chất rắn tìm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng Có vẻ siêu dẫn thông thường ứng cử viên đầy hứa hẹn cho việc - nhiệt độ siêu dẫn cao n h ất m tà i liệu đ ạt đến 39 K cho magnesium diboride Năm 1986, nhà vật lý học p h át m ột số vật liệu gốm có nhiệt độ siêu dẫn cao nhiều Kỷ lục m ột loại vật liệu gốm làm thủy ngân, barí, canxi, đồng oxy siêu dẫn 133 K (-138 độ C) áp suất cao nhiệt độ lên tới 164 K Ngày nay, M ikhail Erem ets m ột vài đồng nghiệp viện M ax Planck Mainz, Đức, nói họ phá vỡ kỷ lục Họ đo Sulfur hydride siêu dẫn nhiệt độ 190 K (-83 độ C) Tuy nhiên chất siêu dẫn phải đ ặt áp suất lớn 150 G P a - khoảng m ột nửa áp lực tru n g tâm trá i đất Nhưng họ nghĩ rằng: Sulfur hydride m ột chất gốm siêu dẫn nhiệt độ cao Ngược lại, dường m ột chất siêu dẫn thông thường mô tả m ột lý thuyết hiểu rõ 50 năm (lý thuyết BCS) Nếu p h át công nhận, Sulfur hydride có khả trở th àn h m ột vật liệu nghiên cứu chặt chẽ n h ất hành tinh, biết rõ đặc tính tiên phong để p h át vật liệu khác m siêu dẫn nhiệt độ cao Dựa vào lý thuyết BCS nhà vật lý tìm thấy tấ t hiệu ứng chất siêu dẫn thông thường họ sử dụng kiểm tra quan trọng H2S có phải siêu dẫn thông thường hay không? Nhiều n hà vật lý cho lý thuyết BCS cách không cho siêu dẫn nhiệt độ 30 K 40 K Và chứng quan sát, ủng hộ quan điểm Không tìm thấy m ột chất siêu dẫn thông thường m hoạt động nhiệt độ Nhưng thực tế, ngăn chặn lý thuyết siêu dẫn thông thường để tìm nhiệt độ tới hạn cao T h ậ t vậy, nhà vật lý lý thuyết có m ột số dự đoán vui liệu vật liệu có nhiệt độ cao đến đâu để trở th àn h siêu dẫn? Trở lại năm 1968, nhà vật lý người A nh Neil Ashcroft dự đoán hydro siêu dẫn nhiệt độ áp suốt cao Ý tưởng ông hydro rấ t nhẹ, tạo th àn h m ột mạng 39 40 tin h th ể có khả rung động tầ n số rấ t cao siêu dẫn nhiệt độ cao Kể từ đó, nhà vật lý khác hydro làm điều nhiệt độ phòng (mặc dù áp suất lớn so với áp suất tạ i tru n g tâm Trái Đ ất) Ashcroft xa Năm 2004, ông dự đoán hợp kim kim loại hydro gọi hiđrua trở th àn h siêu dẫn nhiệt độ cao áp suất thích hợp Ông chuyển ý cho dao động rấ t cao nguyên tử hydro để cung cấp m ột tương tác electron-phonon m ạnh mẽ Tính toán sau cho thấy hydro kim loại nên m ột chất siêu dẫn với Tc rấ t cao, khoảng 100-240 K cho phân tử hydro, 300-350 K giai đoạn nguyên tử tạ i 500 G Pa Tuy nhiên, siêu dẫn hydro tin h khiết chưa tìm thấy [4] Dự đoán có tương đồng gần n h ất với p h át Erem et đồng nghiệp Các n hà vật lý chọn H2S, tương đối dễ dàng để xử lý dự đoán trở th àn h m ột kim loại m ột chất siêu dẫn mức p áp suất th ấp < 100 G P a với T c < 80 K T h ật vậy, H 2S biết đến m ột hợp chất phân tử điển hình với độ chuyển pha rộng Vào khoảng 96 GPa , Sulfur hydride chuyển th àn h m ột kim loại Sự biến đổi phức tạp phân ly m ột phần H2S x u ất nguyên tố lưu huỳnh áp suất p > 27 G P a nhiệt độ phòng áp suất cao nhiệt độ th ấp Do đó, kim loại hóa khí Sulfur hydride giải thích nguyên tố lưu huỳnh để trở th àn h kim loại 95 GPa Để thực th í nghiệm, nhà nghiên cứu đỗ hydride lưu huỳnh lỏng nhiệt độ khoảng 200 K vào m ột tế bào đe kim cương áp suất khoảng 90 Gpa tran g bị với điện cực có khả đo độ dẫn điện kháng trở Sau đó, họ thay đổi áp suất nhiệt độ bên tế bào để xem cách điện trở suất thay đổi [7] T hí nghiệm: Đối với phép đo điện, nhà nghiên cứu sử dụng tế bào đe kim cương (DACs) với đe có hình dạng sau: đường kính mũi 200-300 mm, m ặt sau có đường kính 40 — 80 m m vát góc —8° M ột miếng đệm cách điện cần th iết để tách miếng đệm kim loại từ điện cực (hình 3.1 ) Đầu tiên m ột miếng đệm kim loại thép không gỉ T301 dày 250 p m khía cưa với áp suất khoảng 17 —20 GP a Sau đó, phía khoan m ột vết có đường kính 200 fim , m ột vật liệu bột cách điện đ ặt vết khoan ép đe để tạo th àn h m ột lớp Các lớp cách điện làm từ Teflon, NaCl C aS0 - Các chất liệu không phản ứng với H2S Các lớp ép để có m ột độ dày cỡ —5 p m để làm cho kẹp ổn định M ột chiều dày lớn dẫn đến m ất ổn định m ẫu với m ột miếng đệm mỏng rấ t khó để đạt áp suất cao M ột lỗ đường kính 10 —30 p m sau khoan lớp cách điện Bốn điện cực Ti phún xạ đe kim cương Các điện cực bọc với Au để ngăn chặn trìn h oxy hóa Ti (Để kiểm tra m ột đóng góp có bề m ặt kim 41 Hình 3.1: T h í nghiệm đo cương với độ dẫn điện, n h vật lý chuẩn bị m ột hình dạng khác điện cực cho m ột th í nghiệm n h ất: hai điện cực phún xạ m ột đe hai khác đe khác Sau điện cực đệm chuẩn bị đ ã đưa trở lại vào đe DAC lắp ráp để tách biệt đe khoảng 20 — 100 ịxm (đo vân giao thoa) DAC đ ặt vào m ột m áy làm m át làm lạnh xuống ~ 200 K (trong phạm vi nhiệt độ H2S lỏng) sau khí H 2S đưa qua m ột ống mao dẫn vào m ột vành quanh đe kim cương, nơi hóa lỏng (hình 3.2) Độ tin h khiết sử dụng H 2S 99.5% 97% Và m ẫu xác định cách đo phổ R am an Sau H2S lỏng kẹp lỗ đệm cách đẩy piston DAC với trợ giúp đinh vít bên máy làm lạnh Độ dày m ẫu ước tín h vài m icrom et, đo từ giao th o a quang phổ thông qua m ẫu kẹp tro n g suốt Sau kẹp, DAC đun nống đến ~ 220 K đề làm bay H 2S lại, sau áp suất tăn g thêm nhiệt độ Áp suất ẩn định thời gian làm lạnh ± GPa Đối với phép đo quang phổ R am an tran g bị cảm biến ảnh CCD rãn h lọc làm m át ni tơ Dòng laser He-Ne 632.8 n m đ ã sử dụng để kích thích phổ R am an để xác định áp suất Trong th í nghiệm , họ thực m ẫu ỏ nhiệt độ 200 K tăn g áp su ất ban đầu Phương pháp cần th iế t để có m ột kết tố t Đo quang phổ R am an H2S D 2S áp su ất tăn g lên.(hình 3.3) Các m ẫu đo b ắ t đầu ỏ mức p « 50 G P a Ở áp suất này, m ột chất bán dẫn Tại 90 — 100 G P a điện trở giảm phụ thuộc vào nhiệt độ để trỏ th àn h kim loại Không có phản ứng quang quan sát trạn g th i Đó m ột kim loại có điện 42 Hình 3.2: Sự nạp H2S Raman intensity, arb units 43 1-ŨDỠ mo Wavenumbers, cm'1 Hình 3.3: Q uang phổ R am an Sulfur hydride ỏ áp suất khác a, quang phổ hydride sunfua áp suất tăn g tạ i ~ 230 K Các quang phổ dịch chuyển tương Tại 51 G P a có m ột biến đổi pha Phổ tương ứng đánh dấu m ột đưdng cong nhẹ đường cong đậm d áp suất cao b, phổ R am an deuteri sunfua đo tạ i T < 170 K khoảng áp suất - 70 GPa 44 trở suất th ấ p tạ i xấp xỉ 100 K là: p « X 10 5í ì m áp suất 110 G Pa p « X 10 7í ì.m áp suất ~ 200 GPa Kết b ất b ất ngờ lần thấy điện trở suất Sulfur hydride thực giảm đáng kể nhiệt độ thấp Tuy nhiên, nhà vật lý nhận thấy nhiệt độ tới hạn m tạ i xảy siêu dẫn tâng lên họ gia tăng áp lực Trước ngạc nhiên nhà vật lý, áp suất 150 GPa , nhiệt độ tới hạn tăng lên 190 K Bằng cách này, chúng có nghĩa nhà vật lý đo thay đổi pha nhiệt độ tính chất siêu dẫn thay đổi m ột cách đáng kể [4] Tốt nhiên, thay đối pha điện trở không m nhà vật lý đo hai kiểm tra quan trọng càn th iết để xác nhận tín h chất siêu dẫn thông thường hay không Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu thay hydro th í nghiệm với đồng vị nặng deuteri Trong trường hợp này, nhà vật lý p h át nhiệt độ chuyển p th ay đổi giảm rõ rệt, điều phù hợp với lý thuyết BCS dự đoán Họ để m ẫu m ột từ trường m ạnh mẽ lên đến T với hy vọng tiêu diệt siêu dẫn Bằng cách này, họ hạ th ấ p nhiệt độ tới hạn mong đợi, tiêu diệt siêu dẫn Họ tín h toán với từ trường lên đến 70 T làm việc T ất điều để chứng m inh siêu dẫn thực diễn "Chúng chứng m inh x u ất siêu dẫn sụt giảm điện trở suất th ấp so với điện trở suất đồng n h ất 50 làn, T c giảm với từ trường, thay đổi đồng vị m ạnh mẽ Tc D2S chứng vai trò quan trọng phonon siêu dẫn, "Erem et đồng nghiệp” p h át biểu Nhưng nhiệt độ tới hạn nhảy lên đến 190 K b ất ngờ không giải thích Một lý thuyết giải thích cho nhảy vọt yêu cầu trước nhà vật lý khác chấp nhận m ột tượng thực lý thuyết BCS.[7] Các nhà vật lý cho giai đoạn chịu trách nhiệm T c cao siêu dẫn hệ thống có khả H3S, hình th àn h từ H2S cách phân hủy áp suất Những p h át nâng cao niềm hy vọng cho triển vọng để đạt tín h chất siêu dẫn nhiệt độ phòng vật liệu hydro khác dựa trẽn với lý thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer 3.2 N hiệt độ Tc ch ấ t siêu dẫn H 2S Trong th í nghiệm , họ thực m ẫu nhiệt độ 200 K tăng áp suất ban đầu Phương pháp cần th iết để có m ột kết tố t đo quang phổ R am an H 2S D2S áp suất tăng lên.(hình 3.3) Khi làm lạnh kim loại tới nhiệt độ K áp suất khoảng 100 G P a (hình 3.4a) độ lớn điện trở m ẫu đột ngột giảm từ ba đến bốn bậc, cho thấy m ột chuyển tiếp sang trạng th siêu dẫn Tại gia tăng áp suất nhiệt độ th ấp T < 100 K , T c đặn tăn g lên với áp lực 45 Tuy nhiên, với áp suất lớn 160 GPa , T c tăng m ạnh (hình 3.4b) Khi nhiệt độ cao 150 — 250 K trở nên chậm lại.[4] Vì th í nghiệm sau, sau tả i sau tăng áp suất ban đầu 200 K , họ ủ tấ t m ẫu cách nung nóng đến nhiệt độ phòng (hoặc cao hơn) với áp suất > 150 G P a (hình 3.5a, hình 3.6) Điều cho phép họ có kết ổn định, để so sánh đồng vị khác nhau, để có phụ thuộc T c vào áp suất từ trường, để chứng m inh tồn tạ i siêu dẫn m ẫu họ 46 Temperature (K) 100 b 200 (ohm) ĩữ isỊa iiv í — I c _ , , Resistance (ohm) Temperature (K) Hình 3.4: Sự phụ thuộc nhiệt độ điện trở Sulfur hydride đo áp suất khác nhau, phụ thuộc áp suất T c a, Đường phụ thuộc nhiệt độ điện trở (R) Sulfur hydride áp suất khác Các giá trị áp suất tương ứng đồ thị Các điện trở đo với m ột dòng điện 10 ịắA P h ía đồ th ị, đường có điện trở gần không Các điện trô đo với bốn điện cực trê n m ột đe kim cương chạm vào m ẫu (hình ảnh trê n cùng) Đường kính m ẫu 25 /Ltm độ dày ~ Ịim Lúc đầu, m ẫu đ ã nạp tạ i T « 200 K áp suất tăn g lên ~ 100 GP a M ẫu sau làm lạnh xuống tới K Sau tăn g nhiệt độ lên 100 JFi, áp suất tăn g thêm Đồ th ị áp suất < 135 G P a đ ã th u nhỏ lại (giảm) sau: 105 GP a, 10 lần; 115 G P a 122 G P a lần; 129 G P a lần so với bước áp suất cao b, Điểm trò n m àu xanh đại diện cho giá trị Tợ xác định từ (hình a) Điểm m àu xanh khác (tam giác hay nửa đường tròn) th u lần th tương tự Tại áp suất p > 160 G P a cho th m ột gia tăn g m ạnh Tc: Các điểm thực nghiệm tương ứng cho hai m ẫu xác định cách thêm m ột m àu hồng vào nửa đường tròn m ột dấu chấm tru n g tâm vòng trò n đầy N hững điểm phản ánh trạn g th i n h ấ t thời điều kiện p / T nói riêng, thêm m ẫu nhiệt độ phòng làm ổn định m ẫu (hình 3.5a) Điểm m àu vàng đậm giá tr ị T c lưu huỳnh tin h khiết th u Chúng phù hợp với liệu có giá trị cao mức p > 200 GPa 47 Ẹ o sc ỊÙ r',;' Figure 3.5: Sự phụ thuộc áp suất nhiệt độ trê n T c Sulfur hydride Sulfur deuteride a, Sự thay đổi điện trở su ất T c Sulfur hydride với nhiệt độ áp suất không đổi - trìn h nung liên tục Gác m ẫu áp suất tới 145 G P a tạ i 220 K sau làm lạnh đến 100 K Sau từ từ làm tăn g nhiệt độ chậm ~ K m i n - ; xác định T c = 170 K : nhiệt độ 250 K điện trở suất giảm m ạnh Và lần đo T c tăn g lên tới ~ 195 K Nhiệt độ T c gần lần đo b, đường siêu dẫn tiêu biểu cho Sulfur hydride (đường m àu xanh) Sulfur deuteride (đường m àu đỏ) Các số liệu th u thời gian ấm lên chậm m ột vài Những đường cong th u sau khỉ ủ nhiệt độ phòng hình a c, Sự phụ thuộc T c vào áp suất Gác m ẫu ủ có số liệu trìn h bày hình vẽ điểm m àu trống cho Sulfur deuteride, điểm m àu lấp đầy cho Sulfur hydride Gác đường đường song song áp suất 170 G P a (sự thay đổi đồng vị số) chệch m ạnh ỏ áp suất th ấ p 48 Hình 3.6: Sự phụ thuộc nhiệt độ điện trở Sulfur hydride 143 G P a a, Sau làm m át tới ~ 15 K sau tă n g dần nhiệt độ, tạ i T ợ « 60 K x u ất m ột chuyền pha siêu dẫn, sau điện trô giảm m ạnh với gia tăng nhiệt độ b , (đường cong tă n g nhiệt độ) Tại 185 -ÍT x u ất m ột đường gấp, cho thấy khởi đầu siêu dẫn Sự chuyển đổi siêu dẫn rấ t rộng: điện trỏ giảm xuống tới a ~ 22 K Resilstance (ohm) 49 Hình 3.7: Sự phụ thuộc nhiệt độ điện trỏ Sulfur hydride từ trường khác a, Sự chuyển p h a siêu dẫn ô ~ 60 K từ trường từ — T Sự phụ thuộc nhiệt độ điện trở m từ trường đo b a lần: trước đ ặ t từ trường, sau đ ặ t từ trưdng 1, 3, 5, T cuối sau đ ặt từ trường 2, 4, T (m àu đen, m àu xám m àu xám đen) b, Gác số đo tương tự trìn h chuyển p h a siêu dẫn 185 K c, Sự phụ thuộc nhiệt độ cường độ từ trường Sulfur hydride T c (điểm đen rú t từ a, b) vẽ cho từ trường tương ứng Được ước tín h từ trưdng tới hạn Hc, đường ngoại suy từ từ trưdng cao, sử dụng công thức: H C(T) = H c0(l - ( T / T cÝ ) Các ngoại suy thực với độ xác 95% (dãy th ể đường m àu xám ) 50 Hình 3.8: Đo từ tính a, Sự phụ thuộc nhiệt độ từ hóa Sulfur hydride áp suất 155 G P a phi từ trường làm lạnh (ZFC) từ trưdng 20 Oe làm lạnh (FC) đồ th ị (vòng trò n m àu đen) N hiệt độ b ắ t đầu Tữnaet = 203 i f Để so sánh, siêu dẫn th u cho Sulfur hydride từ phép đo điện tạ i 145 G P a th ề vòng trò n m àu đỏ số liệu điện trở suất (Tonset = 195 K ) đ ã th u nhỏ di chuyển theo chiều dọc để so sánh với liệu từ hóa b, Tế bào đe kim cương phi từ tường (DAC) đường kính 8,8 m m c, Đo độ từ hóa M (H ) Sulfur hydride áp suất 155 G P a tạ i nhiệt độ khác Các tượng đường cong từ hóa trễ, siêu dẫn loại II Tuy nhiên đường cong từ hóa bị biến dạng bdi đầu vào th u ận từ rõ ràng (m quan sát th siêu dẫn khác) Trong trường hợp này, Các tín hiệu th u ận từ có lẽ từ DAC Các tản g chất th u ận từ tăn g lên nhiệt độ giảm Các cực tiểu đường cong từ hóa (35 m T ) kết đầu vào nghịch từ từ siêu dẫn sd th u ận từ T trường tới hạn H c1 « 30 m T có th ể tạm ước tín h điểm m từ hóa lệch khỏi đường tuyến tính Tại từ trường cao hơn, từ hóa tăng xâm nhập từ trường xoáy N hư dấu hiệu đảo ngược từ trường, cốc từ thông p h a Shubnikov bị mắc kẹt chạy trở lại (có nghĩa là, với từ trường giảm) không th u ận nghịch, nhánh trỏ lại chu kỳ từ tín h (thể điềm đầy) chạy m ột hướng thẳng Trạng th i trễ từ hóa trỏ nên rõ ràng có th ề nhìn th nhiệt độ giảm d, Sự giảm m ạnh từ hóa nhiệt độ cao T > 200 K e, Phép ngoại suy cực tiểu rõ rệ t đường cong từ hóa với nhiệt độ cao cho khởi đầu siêu dẫn T — 203,5 K Nhận xét: (1) Có m ột giảm điện trở rõ rệt làm lạnh, cho thấy m ột biến đổi pha Các điện trở suất th ấp n h ất đo ~ 10-11í2.m th ấ p khoảng bậc so với đồng nguyên chất đo nhiệt độ (hình 3.4) (2) M ột hiệu ứng đồng vị m ạnh mẽ quan sát được: T c Sulfur deuteride bị giảm đi, điều chứng tỏ rằng phonon có vai trò quan trọng siêu dẫn (hình 3.5b, c) Đối với chế phonon cặp electron lý thuyết BCS nhiệt độ tới hạn T c phụ thuộc vào nguyên tử có khối lượng M là: M aTn = const với a = — So sánh giá trị Tc phạm vi áp suất p > 170 G P a (hình 3.5c) cho Q = 0.3 (3) T c giảm với từ trường (B ) lên đến T (hình 3.7) Cần m ột từ trường cao để phá vỡ siêu dẫn: Phép tính ngoại suy T c { B ) cho từ trường tới hạn cao tới 70 T (4) Cuối cùng, phép đo độ từ cảm (hình 3.8) m ột chuyển đối rõ rêt từ trạn g thái nghịch từ sang trạn g th th u ận từ (hình 3.8a) quan sát cho vật liệu phi từ trường làm lạnh (ZFC) Nhiệt độ khởi đầu trạn g th siêu dẫn Tonset = 203 K , chiều rộng chuyển pha siêu dẫn gần giống phép đo điện (hình 3.8a) Đo từ hóa M ( H ) , với H từ trường nhiệt độ khác (hình 3.8c) cho thấy m ột từ trễ rõ rệt siêu dẫn loại II với từ trường tới hạn H C KS 30 m T Các từ hóa giảm m ạnh nhiệt độ 200 K cho thấy khởi đầu siêu dẫn 203.5 K , th ỏ a m ãn với phép đo nhạy (hình 3.8a) M ột danh sách thuộc tính quan trọng chất siêu dẫn đưa phương pháp Các nhà vật lý đưa chứng th í nghiệm siêu dẫn Sulfur hydride Tuy nhiên hợp chất đặc biệt chịu trách nhiệm Tc cao không rõ ràng Các siêu dẫn đo nhiệt độ th ấ p (hình 3.4) liên quan đến H2S, nhìn chung phù hợp với tính toán cho H2S: hai giá trị T c » 80 K trạng th áp suất Tuy nhiên siêu dẫn với Tc » 200 K (hình 3.5) không với tính toán, nhà vật lý cho liên quan đến phân hủy H2S nhiệt độ cao để đạt T c cao (hình 3.5b), lắng đọng nguyên tố lưu huỳnh phân hủy xảy ra, 51 52 tu y nhiên chuyển pha siêu dẫn nguyên tố lưu huỳnh xảy nhiệt độ th ấp đáng kể (hình 3.4b) M ột sản phẩm dự kiến phân huỷ H2S hydro Tuy nhiên, đặc tính kéo dài rung động m ạnh mẽ từ phân tử H2 không quan sát thấy phổ R am an chúng Vì cho phân ly H2S khác liên quan đến việc tạo hyđrua cao hơn, chẳng hạn như: 3H2S -> H6S + 2S Hoặc: 2H2S H4S + s Nó phản ứng để m ong đợi Lưu huỳnh hóa trị hai, bộc lộ hóa trị cao Trong thực tế, tính toán hỗ trợ gián tiếp cho giả thuyết này, phân ly: h 2s h2 + s rõ không th u ận lợi Vì việc này, hợp chất (H2S)2H2 xem xét, áp suất 180 G P a tạo th àn h H3S với cấu trú c I m — 3m Các dự đoán Tc » 190 K phụ thuộc áp suất gần với giá trị thực nghiệm họ (hình 3.5c) Giả thuyết chuyển đổi H2S để trở th àn h hiđrua cao (trong H3S nguyên tử s bao quanh nguyên tử hydro) hỗ trợ m ạnh tính toán sau Các m ạng hydrogen cung cấp cho đóng góp siêu dẫn Bao gồm điểm không dao động cộng hưởng tính toán T c đến 190 l í , hệ số đồng vị từ Q = 0.5 tới Q = 0.35 chúng thỏa m ãn với lý thuyết Các Tc cao n h ất 203 K m nhà vật lý báo cáo đạt hầu hết có lẽ H3S có cấu trúc I m — 3m Nó m ột kim loại m ạnh, có liên kết cộng hóa trị m ạnh mẽ nguyên tử H s hợp chất Điều phù hợp với giả định chung m ột kim loại với T c cao nên có liên kết cộng hóa trị m ạnh với mô hình cao tầ n phổ phonon Sự kết hợp đặc biệt loại hình liên kết phổ phonon có lẽ giúp việc tìm kiếm vật liệu siêu dẫn với Tc cao áp suất môi trường xung quanh Có rấ t nhiều vật liệu hydro có chứa liên kết cộng hóa trị m ạnh (chẳng hạn chất hữu cơ), thường chúng chất cách điện, v ề nguyên tắc, chúng điều chỉnh để trở th àn h trạn g th kim loại cách sử dụng kích thích Phương pháp cấu trú c đại dự đoán tạo điều kiện cho việc tìm kiếm vật liệu mong muốn K ẾT LUẬN Trong luận văn đề cập tượng siêu dẫn H2S dựa việc tìm nhiệt độ chuyển pha H2S điều kiện (áp suất, từ trường ) khác Áp dụng mô hình siêu dẫn truyền thống BCS để giải thích tượng siêu dẫn Tôi đ ạt m ột số kết có ý nghĩa giải thích làm sáng tỏ tượng siêu dẫn m ẫu H2S Các kết luận văn sau: Hệ thống m ột cách khái quát tính chất vật liệu siêu dẫn Giải thích tượng siêu dẫn H2S mô hình siêu dẫn truyền thống BCS Tìm phụ thuộc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn H 2S điều kiện khác Những kết có luận văn ”Mô hình siêu dẫn truyền thống BCS H2S” góp phần làm sáng tỏ chất tượng siêu dẫn nhiệt độ cao mở m ột hy vọng cho việc tìm kiếm, chế tạo vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng 53 [...]... Công thức trên được gọi là công thức Silsbee[2], chỉ đúng cho m ột số chốt siêu dẫn nhất định, chủ yếu là các chất siêu dẫn đơn kim loại (còn gọi là chất siêu dẫn lý tưởng) Các chất siêu dẫn là hợp chất, hợp kim hoặc chất siêu dẫn có tạ p chất đều không thỏa m ãn hệ thức Silsbee (Các chất siêu dẫn loại này còn gọi là chất siêu dẫn không lý tưởng) Ngoài khái niệm dòng tới hạn ự c ) thông thường, người... không thể tồn tạ i trong chốt siêu dẫn và B (x) = B (0) = const K ết quả này mô tả đúng với hiệu ứng Meissner trong lòng chốt siêu dẫn m à thực nghiệm quan sát thấy Tuy nhiên chỉ đúng hoàn toàn cho chất siêu dẫn loại I Trong chất siêu dẫn loại II, từ trường không hoàn toàn bị đẩy khỏi chất siêu dẫn Nếu B (0) là từ trường ở m ặt biên th ì khi đó từ trường bên trong chất siêu dẫn là m ột hàm mũ e giảm theo... th ái siêu dẫn Để hiểu rõ cặp Cooper là gì, chúng ta sẽ nghiên cứu vấn đề này trong phần lý thuyết BCS, đó là lý thuyết lượng tử về siêu dẫn - m ột lý thuyết được coi là hoàn hảo n h ất trong các lý th uyết áp dụng cho các chất siêu dãn cố điển 1 3 3 2 Độ dài kết hợp Đó là khoảng cách n s = n s (r) thay đối rấ t chậm theo r Đối với siêu dẫn loại I: £ ~ 10_4cm r < £ —> n s = n s (£) Đối với siêu dẫn loại... trở của kim loại siêu dẫn cỡ < 10“ 26 fim G iá trị này th ỏ a m ãn kết luận điện trở của kim loại siêu dẫn bằng 0 8 1 2 2 T ín h c h ấ t t ừ 1.2.2.1 Tính nghịch từ của vật dẫn lí tưởng C hất siêu dẫn ở dưới nhiệt độ chuyển pha của nó biểu hiện không có điện trở Hãy xem xét các tín h chất từ của vật dẫn không có điện trở Những vật dẫn như vậy được gọi là vật dẫn lý tưởng hoặc vật dẫn hoàn hảo Giả... ) Tuy nhiên, nó không phải là chất siêu dẫn Người ta thấy rằng biểu hiện tính chất của chất siêu dẫn khi nó có từ trường khác với vật dẫn lí tưởng Năm 1933, Meissner và Ochsenfied p h át hiện ra rằng: Nếu chất siêu dẫn được làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ chuyển pha T c, th ì đường sức của cảm ứng từ B sẽ bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn Tức là chất siêu dẫn nằm trong từ trường ngoài H a còn... từ của chất siêu dẫn Hiệu ứng Meissner cho biết, chất siêu dẫn biểu hiện tính chất: trong lòng nó các đường cảm ứng từ B = 0 Nghĩa là, siêu dẫn biểu hiện như m ột chất nghịch từ lý tưởng Hệ số từ hóa của chất siêu dẫn trong hệ ( CGS) sẽ là: Hoặc trong hệ SI: H = H a + M = 0, (1.4) (1.5) Hiệu ứng Meissner là tính chất từ cơ bản của chất siêu dẫn Đặc trưng hệ số từ hóa X = —1 đã nói lên siêu dẫn là chất... dung 1 2 3 3 Độ dẫn nhiệt của chất siêu dẫn Độ dẫn nhiệt (k ) của kim loại là vấn dề phức tạp Đây là bài toán về các quá trìn h không cần bằng với các th àn h phần da dạng Ta biết rằng, năng lượng nhiệt được truyền trong kim loại bằng cả điện tử và photon Quá trìn h truyền nhiệt là quá trìn h truyền nhiệt va chạm của từng loại h ạt tả i với chính loại đó, với các loại h ạt tả i khác, với các sai hỏng... ái siêu dẫn nhỏ hơn trạn g th ái thường, như vậy bằng lý thuyết nhiệt động học ta đẽ tìm ra tính chất giảm entropy của trạn g th ái siêu dẫn đã quan sát được bằng thực nghiệm [5] 1.3.2 Sự xâm nhập của từ trường vào chất siêu dẫn Để giải thích hiệu ứng Meissner khi từ thông bị đẩy khỏi chất siêu dẫn (B = 0), người ta cần giả định chất siêu dẫn là nghịch từ lý tưởng Giả định này chỉ đúng cho các chất siêu. .. tới hạn phụ thuộc Lừ trường cùa dây dần Nb-25%Zr với ổườnt? kính dây khác nhau 1 2 2 7 Phân loại các ch ất siêu dẫn theo tính ch ất từ Trỏ lại công thứ c mô t ả trường khử từ: giá trị 4ttM chính là từ trường sinh ra bởi dòng siêu dẫn 0 trên từ trường tới hạn H c C hất siêu dẫn trở th àn h vật dẫn thường có giá trị 4ttM rấ t nhô Trong trường hợp này, siêu dẫn chính là chất nghịch từ lý tưỏng - nố biểu... nố biểu hiện hoàn to àn hiệu ứng Meissner và dược gọi siêu dẫn loại I Siêu dẫn loại I thường là cắc kim loại sạch 16 Từ trưàng ngoái Ha •- H.;i H: h i;, Từ tniãrvg ncpai H — Đưừmĩ cong lừ hỏa của các chât siêu đẫn theo lừ trường 1 Dựa vào hiệu ứng Meissner: [2] Siêu dẫn loại I: Hoàn to àn đúng Siêu dẫn loại II: K hông hoàn to àn đúng, vậy siêu dẫn loại II đ ã tồ n tạ i vùng tru n g gian (vùng hỗn