Hiện tượng siêu dẫn Siêu dẫn là hiệu ứng vật lý xảy ra đối với một số vật liệu ở nhiệt độ đủ thấp và từ trường đủ nhỏ, đặc trưng bởi điện trở bằng 0 dẫn đến sự suy giảm nội từ trường (hiệu ứng Meissner). Siêu dẫn là một hiện tượng lượng tử. Trạng thái vật chất này không nên nhầm với mô hình lý tưởng dẫn điện hoàn hảo trong vật lý cổ điển, ví dụ từ thủy động lực học Trongchất siêudẫn thông thường, sự siêu dẫn đượctạo ra bằng cáchtạo một lựchút giữamột số electron truyềndẫn nàođó nảy sinhtừ việc traođổi phonon,làm chocác electron dẫntrong chấtsiêu dẫn biểu hiện pha siêu lỏngtạo ra từ cặp electrontương quan. Ngoài ra còn tồn tạimột lớp các vật chất,biết đến như là các chất siêu dẫn khác thường, phô bày tínhchất siêudẫn nhưngtính chất vật lý trái ngược lý thuyết của chất siêudẫn đơn thuần. Đặc biệt, có chất siêu dẫn nhiệt độ cao có tính siêu dẫn tạinhiệt độ cao hơn lý thuyết thườngbiết(nhưng hiện vẫn thấp hơnnhiều sovới nhiệt độ trongphòng). Hiện nay chưacó lý thuyết hoàn chỉnh về chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Thứ 2: Vật liệu siêu dẫn và ứng dụng  . Thời sơ khaingười ta mới biết một đặctính củachất siêu dẫn,đó là: nếu truyền một dòng điện vào một mạch làmbằng chất liệu siêu dẫn thì dòng điện sẽ chạytrong đó mãi mà không suy giảm, vìnó không gặp mộttrở khángnào trên đườngđi, nghĩa là nănglượng điện khôngbị tiêu hao trong quá trìnhchuyển tải điện từ nơi này sangnơi khác. Đâyđược coi như một dạng chuyển động vĩnhcửu trong điện năng.  khi Ônglàm nguội thủy ngântrong ni tơ lỏng. Trạngthái này đã được nhà khoa học người ĐứcMeissner chứng minhđó là điện trở đột ngột giảm xuống bằng 0  Năm1911, Nhà khoahọc Kamerlingh Onnes người Hà Lan đã tình cờ phát hiện ra trạng thái điện trở bằng0 Đặc tính trên, được gọi là: Đặc tínhriêng thứ nhất của chất siêu dẫn. Tính dẫn điện nghĩa là cácđiệntíchchuyểntrong cấu trúc tinh thể chất dẫnđiện (đồng,nhôm, sắt v v ),khiđiện tử vachạm phải nguyên tử trên đường đi trong chất dẫn điệnthì sinh ra điện trở làm tổn thất điện năng. Sự tổnthất ấy lên tới 15% đến20%. Như vậy, nếu ứngdụngchất siêu dẫn vào chuyển tảiđiện năngtừ nhà máy điệnđến người tiêu dùng,sẽ tiết kiệm đượcrất nhiều cho xã hội. Nhưng trở ngại là chất siêu dẫn chỉ xuất hiện khi ở nhiệt độ rấtthấp, chỉ một vài độ trên không độ tuyệt đối(0 độ K,tức âm 273độ C); cụ thể, nhiệt độ mà người ta đã ghi lại được ở chất siêu dẫn nêu trên là 23 độ K và phải dùng khíHelium hoálỏng để làm lạnh, đó là mộtchất phức tạpvà đắttiền, đòi hỏi phải tìmra những chất siêu dẫn mới,thích hợp, khắc phục nhượcđiểm trên. - Đến tháng 1/1986tại Zurich, hai nhà khoa học Alex Mullervà Georg Bednorz tình cờ phát hiện ra một chất gốm mà cácyếu tố cấu thành là: Lantan, Đồng, Bari, Oxit kim loại. Chấtgốm này trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ 30 độ K. Một thời gian ngắn sau,các nhàkhoa học Mỹ lại phát hiện ra những chất gốm tạo thành chất siêu dẫn ở nhiệt độ tới 98 độ K. Điều quantrọng là chúnglàm lạnh bằng Nitơ hoá lỏng. Đó làmột thứ rẻ tiền và dễ thao tác hơn so với Heliumlỏng.Người ta gọi đó là nhữngchất siêu dẫn mới.Kết quả này kích thích cácnhà khoa học đua nhau đi tìm chấtgốm cóđặc tính siêu dẫn ở nhiệt độ K ngày càng cao để manglại sự thuận tiện và đỡ tốn kém khiứng dụngsiêu dẫnvào đời sống - Năm1987, Hội Vậtlý Mỹ (AmericanPhysical Society)mở Hội nghị khoa học tạiNew Yorkvới sự hiệndiện củanhiều nhà vật lýnổi tiếng Hoa Kỳ vànhiều nước trên thế giới. Người ta traođổi đến những nét mới củasiêu dẫn màmột trong số đó là hiện tượngnhững đĩa “gốm treo” lơ lửng trêncác nam châm, người ta gọi đó là “hiệu ứngMeissner”. Hiệu ứng này ngăncản từ trườngthâm nhập vào bề mặt chấtsiêu dẫn,vì thế, làm cho đĩagốm tự nâng lênvà lơ lửngtrên cácnam châm; nhưng nếu là mộttừ trường mạnh thìvẫn có thể thắng được sức đẩy,khi đó nó phá huỷ đặc tính siêu dẫn của vật liệu. Như vậy, nhữngchất gốmsiêu dẫn tỏ ra dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường mạnh. Đồng thời, nguyên lý Magnetic Levitation (Maglev)cũng được đề cập đến, nguyên lýnày dựa vào từ trường docác tấm nam châmsiêu dẫn sinhra khi duytrì đượcnhiệt độ rất thấp. ở nhiệt độ ấy,mọi trở kháng không còn, namchâm trở thành siêu dẫn và tạo ra từ trường cựcmạnh. Từ kết quả trên cùng với những nghiên cứu khác,người ta kết luận:Những chất siêu dẫn nhiệt độ thấp có thể tạo ra những từ trườngrất mạnh và gọi chung đó là đặc tínhriêng thứ hai của siêu dẫn. Mọi chất siêu dẫn đều làm ra từ trường; mặt khác,dòng điệnchạy trong chất siêu dẫn lạikhông gặp phải mộtkháng trở nào, do đó từ trường siêu dẫn sản sinhra rấtmạnh.Nhờ đó mà ngày nay,con người có thể tạo ra từ trườngnhân tạo mạnh gấptới 200 ngàn lần sovới từ trườngcủa Trái đất. - Cũngtại hội nghị khoa học này, các nhà khoa học còn thảoluận tới phát minh mới về chất siêu lỏng(nó cũng hoạt độngở nhiệt độ rất thấp, tới giớihạn tốiđa của độ âm) và nó khôngcó độ bám dính, nghĩa là không cóma sát, nếu tác động quaytròn, chúng sẽ khôngdừnglại. Đây cũngđược coi như dạng một chuyển động vĩnh cửu trong chất lỏng.Từ những trìnhbầy trên, ta có thể địnhnghĩa : Chất siêu dẫn là những chất tồn tại ở nhiệt độ cực thấp, khi dòng điện chạy quakhông có kháng trở. Cả haithứ: siêu dẫn và siêu lỏng đều là những lĩnhvực hấp dẫn củavật lý đương đại, từ đây, ngườita nhanh chóngnhận ratiềm năngto lớn củachúng. Cũng phải 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, oxitkim loại như đồng (Cu),niobium (Nb)…trong tươnglai, chắc chắn còn tìm ra nhiềuchất gốm siêu dẫn ưu việt khác nữa và nhiệt độ cấu thành lên nó ngày một cao. Cho đến nay, nhiệt độ cao nhất có thể đạt được vớimột chất gốm siêu dẫn mới là 150Ktrong hon hop InSnBa4Tm3Cu5Ox.Nhưng thực tế chothấy, nhữngchấtgốm được tạothành siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn 100 độ K lạitỏ rakhông đượcổn định vì nó nhanh chóng mất đi tính siêu dẫn;Đây là một trong những trở ngại lớn trên con đường chinhphục siêu dẫn. Sự phá huỷ đặc tínhsiêu dẫnkhi ảnhhưởng bởi từ trường mạnh được giải thích như sau: Đó là do“vòng xoáytừ-vortexstate” (tức là những đường từ tínhchuyển độngbên trongchất liệu, như những xoáy nước đi trong dòngnước), nhữngxoáy nàydi chuyển, tạo ra những điệntrường ngăn chặn dòngđiện di chuyển tự do, vì thế sinhra mất tính siêu dẫn của vật liệu. - 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 khác nữa đòi hỏi phải sớm vượtqua, đó là, chấtsiêu dẫn đượclàm nên dưới dạng một loại bột, có thể nén lại thành mộtchất rắnnhưng rất giòn. Để dễ ứngdụng, tacần biến nó dướidạng “ mộtsợi giây”, nhưngtínhgiòn làm cản trở cho ý đồ kỹ thuậtnày. Tuy nhiên,dựa vào côngnghệ làm vi mạch, người ta đã bắt chước cách làm đó và tiến hành như sau:Phun chất bộtnày thànhmột lớp mỏng lên nền mộtchất liệu khác gọi là đế (tức làrải nhữngyếu tố cấu thành gốmlên cáiđế ). Nhờ đó cóthể tạo thành “dạng giây” và cóthể uốnlượn đường giây theo ý muốn trên mặt phẳng. Tuy nhiên,không đượcbẻ cong vì dễ tạo ra sự đoản mạch. - Từ đặc tính riêng thứ haicủa siêudẫn đã mở ra nhiều hướng ứng dụng và các nhà công nghiệp tỏ ra hào hứng nhẩy vào cuộc săn tìmcông nghệ mới từ siêu dẫn. Họ hướngvào một số lĩnh vực ứngdụngchính sau: + Dựa vào “nam châm siêu dẫn”,người Nhật vàngười Đức thiết kế ra các đoàn tầu chạytrên đệmtừ . Người Nhật đã thử nghiệm với khoảng 3-4công nghệ tầu chạy trên đệmtừ khác nhau, lấy tên là Maglev dựatheo côngnghệ: Thựchiện phép nâng điện-động lực học bằng cách tạo ra 2 từ trườngđối nhau giữa các namchâm siêu dẫn đặt trên con tầuvà nhữngcuộn dây lắp trong đường rayhình chữ U bằng 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 đếnOsaka cách nhau khoảng500 km,mục tiêu chở 100 khách chạy trongmộtgiờ. Từ trườngdo nam châm siêudẫn tạo ra cực mạnh đủ để nângcon tầu lên10 cm khỏi đường ray. Đường raycó mặt cắt hình chữ U,trên nó có lắp 3 cuộn giây từ, được cung cấp điện bởi các trạmnguồn đặt dưới đất dọc theo đường tầu. Nam châm siêudẫn đặt trên tầuvà đặt trong những bìnhchứa Helium đã hoá lỏng,tạo ranhiệt độ thấp là269 độ dướikhôngđộ, khi có dòng điện đi qua, sinhra một từ trường khoảng 4,23tesla nângtầu bổng lên trong khung đường raychữ U. Nhờ lực hút 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 đến50 Hz và điều chỉnh tốc độ từ xatại trung tâm điều khiển. Để hãm tầu, người ta làm cánh hãm như trên máy bay.Người Nhật đã phải vừa sản xuất vừathử nghiệm trong7 năm với kinh khí trên 3tỷ USD. Hệ thống trên đôi khicòn được gọi là hệ thống “Vận tải trênbộ tốcđộ cao”(High Speed Surface transport– HSST). + Theo hướng công nghệ HSST này, người Đức chế tạo ra tầu “Transrapid” chạy trên đệmtừ và cũngtheo nguyênlý phátminh từ những năm 1960theo côngnghệ hơi khácngườiNhật đôi chút, đó là phương pháp nângđiện từ nhờ tác động của những thanh namchâm đặttrên tầu,với nhữngnam châmvô kháng chạy bên dưới và hai bên đường tầu hình chữ T. Với vận tốc đạt 450km/giờ chạy trên đường Berlintới Hambourg,kinhphí khoảng6 tỷ USD. Ngoài ra, ngườiPháp cũngđã và đang quantâmđến vấn đề vận tải siêu tốctrên bộ bằng siêu dẫn. + Một ứng dụngkhác nữalà, có thể tạo ra được máygia tốc mạnhđể nghiên cứu đặc tínhgốc củanguyên tử. Người ta dùng những namchâmcực mạnh để bẻ cong các chùm hạt, làm cho chúng chạy theo đường tròn để chúng va đập vào nhau, qua đó nghiên cứu những “mảnh” sinh rado những vađập mạnhđó; người ta gọi đó là “siêuva đập siêu dẫn”. Dựatheo nguyên tắc này, các nhà khoahọc Mỹ đang tiến hành xây dựng một “máy gia tốccực mạnh” trong đường hầm dài 88 kmở bang Texac để nghiêncứu các hạt cơ bản của vật chất. + Thêmmột ứng dụng vô cùng quan trọngnưa là khả năng giữ được trạng thái thứ tư cua vật liệu-trạng thái plasma.Chúng ta biết rằngphản ứngnhiệt hạch (Thermonuclear reactions)với khả năng tạora một năng lượng khổnglồ, hãy thử hình dung nănglượng được tạora do phảnứng 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 khoảng60000C sẽ không coloại vậtliệu nào có thể giữ, khống chế được nguồn năng lương này. Với khả năng ưu việt của mình các Ionsvà electronsquay xung quanhcác đường từ trườngtạo ra một áp lực tử vô cùng lớn có thể giữ đượctrạng thái plasmatrong các lòphản ứnghạt nhân. - Đặc tính thứ ba của chất siêu dẫn là:Nếu hai chất siêu dẫnđược đặt gần nhau (nhưngkhôngchạm nhau)thì cácđiện tử có thể nhảy qua như thể hai chất dẫn điện ấy tiếp xúcvới nhau. Chỗ mà dòng điện nhẩy qua,người ta gọi là “khớp nối Josephson”. Nhưng dòng điện chạy qua khớp nối ấy rất nhậycảm với những biến đổi củađiện trường và từ trường bên ngoài. Điều này giúp chocác nhà khoahọc nẩy raý tưởng: + Có thể ứngdụng để sản sinh ra máy đođiện trường hết sứcchính xác. + Một ứng dụngquan trọngnữa từ đặc tính thứ ba này củachất siêu dẫn là có thể làm ra “cái ngắt mạch điện từ” giống như một tranzito.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 “máytính điện tử siêu tốc”thế hệ mới phục vụ cho nghiên cứukhông gian. + Ngoài ra, có thể ứng dụngkhớp nối Josephsonđể sản xuất ra thiết bị ytế nhằm nghiêncứu những điện trường sinhhọc cực nhỏ do hoạt động củanãongười sinh ra, giúp cho việc chẩn đoán bệnh về não. Hoặcnhờ siêunamchâm, có thể chế tạo ra các máy quét MRI dùng trongy học (quét ảnh bằng cách đotiếng dộilại của âm thanh) để khámcác mô trong cơ thể người. + Cùng với những điều đã nói ở trên, người ta còn hy vọng nhữngthành quả của siêu dẫn có thể ápdụng để tạo ra những thiết bị quan sátvì sao, hànhtinh, hoặc bề mặttrái đất và giúp giải thích cơ chế của một số vật thể lạ trong vũ trụ, như những vì saoNeutron, nhữngvật thể siêu rắn sót lại của nhữngngôi sao phát nổ trước khi tắt màngười ta nghĩ là có đặc tính xoayvòng tươngtự với chấtsiêu dẫnlỏng… - Gầnđây, các nhàkhoa học AlexeiAbrikosov, VitalyGinzburg(người Nga) và AnthonyLeggett(người Mỹ gốc Anh) đã đóng góp nhiều vào lĩnh vực lýthuyết siêu dẫnvà mở ra nhiều hướng ứngdụng với côngnghệ caotrongcác lĩnh vực máy tính, truyền tải điện năng siêuhiệu quả….Nhữngthành quả của họ được đánh giálà chất siêu dẫn thế hệ 2 và ba nhà khoa học đã đượcnhận giải Nobelvề vật lý vào năm 2003.Tuynhiên, về mặt lý thuyết, ngườita vẫn chưathể giải thích được thoả đáng chất siêudẫn thực tế hoạtđộng như thế nào? , mặc dù những hiệntượng vật lý của nó đã đượcbiết đến không phải ít. - Nói về vật liệusiêu dẫn mới,ta không thể không đề cập tới thành côngmới đây của người Nhật,đó là, các nhà khoa họcthuộcTrườngđạihọc Aoyama-Gakin ở Tokyo đã tìm ravật liêu siêu dẫn từ phikim loại như Magie (Mg),hoặc Bo(B)… Điều làm cho nó trở nên rẻ tiền nữa là chất siêu dẫn trênchỉ làm việc ở nhiệt độ – 133 độ C. Nghĩa là còn ưu việt hơn cả Keramik của ngườiMỹ. Thành côngnày rất đáng trân trọng, bởi nó mở ratìm chất liệu bándẫn từ phi kimloại là những vật liệu rẻ tiền,mà nhiệtđộ để tạo thành chất siêu dẫn có thể chấp nhậnđược . là các chất siêu dẫn khác thường, phô bày tínhchất siêudẫn nhưngtính chất vật lý trái ngược lý thuyết của chất siêudẫn đơn thuần. Đặc biệt, có chất siêu dẫn nhiệt độ cao có tính siêu dẫn tạinhiệt. thông thường, sự siêu dẫn đượctạo ra bằng cáchtạo một lựchút giữamột số electron truyềndẫn nàođó nảy sinhtừ việc traođổi phonon,làm chocác electron dẫntrong chấtsiêu dẫn biểu hiện pha siêu lỏngtạo ra. tínhriêng thứ hai của siêu dẫn. Mọi chất siêu dẫn đều làm ra từ trường; mặt khác,dòng điệnchạy trong chất siêu dẫn lạikhông gặp phải mộtkháng trở nào, do đó từ trường siêu dẫn sản sinhra rấtmạnh.Nhờ