Tìm ra vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng

Sau hàng thập kỷ, tuần qua các nhà nghiên cứu đã tạo ra chất siêu dẫn đầu tiên hoạt động ở nhiệt độ phòng - không cần phải làm mát để làm biến mất điện trở.

Hình minh họa.

Tuy nhiên, chất siêu dẫn nhiệt độ phòng mới chỉ hoạt động ở áp suất tương đương với khoảng 3/4 áp suất ở tâm Trái đất. Nhưng nếu các nhà nghiên cứu có thể ổn định vật liệu ở áp suất thông thường, các ứng dụng mơ ước của vật liệu siêu dẫn có thể nằm trong tầm tay, chẳng hạn như đường dây điện tổn thất thấp và nam châm siêu dẫn không cần làm lạnh cho máy MRI và tàu đệm từ.

"Đây là một bước ngoặt," Chris Pickard, nhà vật lý tại Đại học Cambridge, nói. Nhưng điều kiện áp suất của thí nghiệm quá khắc nghiệt, cho nên phát hiện này, dù "rất ngoạn mục", vẫn chưa hữu ích trong việc chế tạo một thiết bị ứng dụng, theo Brian Maple, nhà vật lý tại Đại học California, San Diego.

Đi tìm vật liệu siêu dẫn

Hiện tượng siêu dẫn được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1911 bởi nhà vật lý Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes trong một dây thủy ngân được làm lạnh đến 4,2 độ K (Mỗi độ K trong nhiệt giai Kelvin, 1 độ K, bằng một độ trong nhiệt giai Celsius, 1 độ C, và 0 độ C ứng với 273,15 độ K). Năm 1957, các nhà vật lý John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer đã giải thích hiện tượng này: một electron chạy qua một chất siêu dẫn tạm thời làm biến dạng cấu trúc của vật liệu, kéo một electron khác ở phía sau mà không có lực cản.

Năm 1986, các nhà vật lý nhận thấy rằng với vật liệu khác, gốm oxit đồng, tính siêu dẫn có thể đạt được ở "nhiệt độ tới hạn" (Tc) cao hơn, 30 độ K. Các nhà nghiên cứu nhanh chóng nấu ra các công thức gốm có liên quan, và đến năm 1994, họ đã đẩy Tc lên đến 164 độ K với một công thức oxit đồng thủy ngân dưới áp suất.

Năm 1968, Neil Ashcroft, nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Cornell, đã đề xuất một loại vật liệu khác có thể thể hiện tính siêu dẫn trong nhiệt độ phòng: hydro dưới áp suất mạnh. Nhiều nhóm đã tuyên bố tạo ra hydro kim loại như vậy, bằng cách sử dụng các tế bào đe kim cương - các thiết bị cỡ lòng bàn tay, trong đó một chất mục tiêu bị nghiền nát với áp suất cực lớn giữa hai đầu của hai viên kim cương. Nhưng kết quả vẫn còn gây tranh cãi, một phần là do áp suất này - vượt quá áp suất ở tâm Trái đất - quá cao nên chúng thường làm nứt kim cương. Đến năm 2004, Ashcroft đề xuất liên kết hydro với một nguyên tố khác để tạo ra tình trạng "nén sơ bộ hóa học", có thể tạo ra khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn và áp suất thấp hơn.

Cách làm này có hiệu quả. Vào năm 2015, các nhà nghiên cứu do Mikhail Eremets tại Viện Hóa học Max Planck dẫn đầu đã báo cáo trên tạp chí Nature rằng họ đã phát hiện hiện tượng siêu dẫn ở 203 độ K trong H3S (một hợp chất của hydro và lưu huỳnh) được nén ở 155 gigapascal (GPa), gấp hơn 1 triệu lần áp suất khí quyển của Trái đất. Trong 3 năm tiếp theo, Eremets và những người khác đã tăng Tc lên đến 250 độ K trong các hợp chất giàu hydro có chứa lanthanum. Nhưng khi giải phóng áp suất, tất cả các hợp chất đó sẽ tan rã.

Vật liệu mới

Dias và các đồng nghiệp của ông nghĩ rằng họ có thể đẩy Tc lên cao hơn nữa bằng cách thêm một nguyên tố thứ ba: carbon - nguyên tố tạo liên kết bền chặt với các nguyên tử lân cận.

Họ nạp các hạt rắn nhỏ carbon và lưu huỳnh được trộn với nhau vào tế bào đe kim cương, sau đó đưa thêm vào ba loại khí: hydro, hydro sulfide và methane. Sau đó, họ chiếu tia laser màu xanh lục xuyên qua viên kim cương, kích hoạt phản ứng hóa học biến hỗn hợp thành các tinh thể trong suốt.

Sau đó, khi họ tăng áp suất lên 148 GPa và kiểm tra độ dẫn điện của mẫu qua dây dẫn điện, họ phát hiện ra rằng các tinh thể trở nên siêu dẫn ở 147 độ K. Bằng cách tăng áp suất lên 267 GPa, nhóm nghiên cứu đã đạt được Tc là 287 độ K, nhiệt độ chỉ bằng một căn phòng lạnh hoặc một hầm rượu. Các phép đo từ trường cũng cho thấy mẫu đã trở nên siêu dẫn, Dias và các đồng nghiệp của ông báo cáo tuần này trên tạp chí Nature.

"Các kết quả có vẻ đáng tin cậy," Erements nói. Tuy nhiên, ông lưu ý rằng nhóm Rochester vẫn chưa thể xác định cấu trúc chính xác của hợp chất siêu dẫn. Các nhà nghiên cứu sẽ sớm bắt tay vào giải quyết câu hỏi đó và họ cũng có thể sẽ bắt đầu thay thế các nguyên tố khác trong hỗn hợp ba thành phần với hy vọng tạo ra các chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn nữa.

Mục đích cuối cùng, Eremets cho biết thêm, là tìm ra một chất siêu dẫn nhiệt độ phòng ổn định kể cả khi giải phóng áp suất. Nếu các nhà nghiên cứu làm được điều này, kết quả có thể biến đổi cuộc sống hàng ngày. Dias nói: "Tôi nghĩ điều này thực sự có thể." Nhưng lý thuyết hiện nay vẫn chưa gợi ý cách nào để có thể làm cho các vật liệu dựa trên hydro hoạt động ở áp suất môi trường. "Chúng ta vẫn chưa có một con đường rõ ràng về phía trước," Zurek cho biết thêm.

Theo Khoahocphattrien