Đột phá: lần đầu tiên khoa học đạt được siêu dẫn ở nhiệt độ phòng

"Trạng thái siêu dẫn" vẫn là mục tiêu của khoa học vật chất suốt nhiều thập kỷ nay, và chúng ta đã đi được nửa chặng đường với đột phá mới.

Ngành khoa học nghiên cứu siêu dẫn vừa đạt thành tựu mới: đây là lần đầu tiên, các nhà vật lý học cho một dòng điện chạy thoải mái trong một mạch không có điện trở - ta đạt được siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, khoảng 15 độ C.

Kết quả nghiên cứu này đã xô đổ kỷ lục được lập trước đó, là đạt được siêu dẫn ở nhiệt độ -23 độ C. Khoảng cách nhiệt độ được thu hẹp đáng kể khiến ta hào hứng về một tương lai không điện trở.

Bởi trở ngại của nhiệt độ thấp, nhiều vật liệu có những đặc tính tuyệt vời lại chẳng thể thay đổi thế giới như chúng ta mường tượng. Tuy nhiên, khám phá của chúng tôi sẽ phá dỡ rào cản đó, để mở toang cánh cửa dẫn tới những ứng dụng tiềm năng”, nhà vật lý học Ranga Dias tới từ Đại học Rochester nói trong thông cáo báo chí.

Năm 1911, nhân loại lần đầu tiên phát hiện ra siêu dẫn. Đó cũng là thời điểm khởi đầu hành trình đi tìm chất siêu dẫn ứng dụng được trong thực tế của ngành khoa học vật chất.

Để đạt được siêu dẫn, một vật liệu phải đạt hai yếu tố.

Đầu tiên, điện trở phải bằng không. Thông thường, dòng điện sẽ luôn gặp trở ngại khi di chuyển trong bất kỳ vật chất có tính dẫn nào - cũng như cách chúng ta chạy xe mà bị gió cản vậy. Tính dẫn của vật liệu càng cao, điện trở càng thấp, điện di chuyển càng thoải mái.

Yếu tố thứ hai là “hiệu ứng Meissner”, nói về tính chất của từ trường tỏa ra từ vật liệu siêu dẫn. Ta có thể tưởng tượng ra hình dạng của từ trường này bằng cách đặt lên trên vật liệu siêu dẫn một nam châm vĩnh cửu, từ trường sẽ khiến nam châm lơ lửng trên không.

Ví dụ về hiệu ứng Meissner.

Cũng suốt từ 1911 tới nay, ta luận ra được nhiều ứng dụng của siêu dẫn lắm. Từ tàu đệm từ maglev vút trong gió, khả năng truyền thông tin không mất mát dữ liệu cho tới lưới điện công suất lớn. Thế nhưng tất cả những ví dụ trên vẫn chỉ là khái niệm trên giấy, bởi không dễ dàng đạt được tính siêu dẫn.

Thông thường, vật liệu siêu dẫn được tạo ra và giữ trong môi trường nhiệt độ cực thấp, thấp hơn nhiều nhiệt độ môi trường. Việc lưu giữ vật liệu siêu dẫn tốn kém lắm nên không ứng dụng được chúng vào cuộc sống đời thường.

Thời gian gần đây, các nhà vật lý học đã bước đầu thành công trong việc tăng nhiệt độ của các nguyên tố nhẹ, đơn cử như hydro sunfit và lantan hydrite. Ở dạng khí, hydro lại là chất cách điện, ta phải kim loại hóa nó dưới áp suất cực lớn để tạo ra được tính siêu dẫn.

Để có được siêu dẫn ở nhiệt độ cao, bạn sẽ cần những nguyên tố nhẹ có mối liên kết mạnh mẽ. Đây là hai tiêu chuẩn cần phải có. Hydro là vật liệu nhẹ nhất, và chúng sở hữu một trong những liên kết hóa học mạnh mẽ nhất”, nhà vật lý học Dias nhận định.

Hydro kim loại rắn, trên lý thuyết, được cho là có nhiệt độ Debye* cao và kết đôi electron-phonon** mạnh mẽ, những yếu tố cần thiết để đạt được siêu dẫn ở nhiệt độ phòng”.

(*): trong nhiệt động lực học và vật lý nghiên cứu vật chất thể rắn, phương thức "mô hình Debye" do nhà vật lý học Peter Debye phát triển ước tính được tác động của phonon lên sức chứa nhiệt của một vật chất rắn.

(**): phonon là tổ hợp các kích thích của một dãy sắp xếp các nguyên tử, phân tử trong vật chất đặc, chủ yếu là vật chất rắn và một vài vật chất thể lỏng. Cũng có thể coi phonon là sóng âm được lượng tử hóa, cũng như cách photon là lượng tử hóa của sóng ánh sáng.

Các nhà khoa học giả định rằng hydro kim loại có tồn tại trong lõi Trái Đất, nơi có áp suất cực cao.

Chỉ có thể tạo ra hydro kim loại nguyên chất bằng áp suất cực lớn, bên cạnh đó rất khó đạt được điều kiện để tạo ra vật liệu này. Trong những năm gần đây, mới có 2 nhóm nghiên cứu tuyên bố mình đã làm được điều không tưởng.

Năm 2017, các nhà vật lý học nói rằng họ tạo ra được hydro kim loại ở mức áp suất trong khoảng 465-495 gigapascal và ở nhiệt độ 5,5 Kelvin, là -267,65 độ C. Năm 2019, một nhóm nghiên cứu khác công bố thành quả tạo ra hydro kim loại ở mức áp suất 425 gigapascal và 80 Kelvin, là -193 độ C. Tuy vậy, không vật liệu nào trong hai trên quả trên tồn tại được ở nhiệt độ phòng.

Ta vẫn có những vật liệu hiệu quả tương đương hydro kim loại là hydro sunfit và lantan hydrite, hai kim loại giàu hydro. Chúng có thể mang tính siêu dẫn giống với hydro kim loại nguyên chất ở một mức áp suất thấp hơn nhiều.

Vậy nên, nhóm các nhà vật lý học dẫn dắt bởi Elliot Snider tới từ Đại học Rochester tiến hành thử nghiệm những vật liệu trên. Đầu tiên, họ kết hợp hydro với yttri để tạo ra yttri siêu hydrite. Vật liệu này bộc lộ tính siêu dẫn ở mốc nhiệt độ -11 độ C và mức áp suất 180 gigapascal.

Tiếp đó, nhóm nghiên cứu kết hợp carbon, sunfua và hydro để tạo ra sunfua hydrite có carbon. Họ đưa vật liệu này vào đe kim cương (công cụ có thể tạo ra áp suất cực lớn khi sử dụng hai thành phần kim cương để ép vật chất nằm giữa) nhằm đo tính siêu dẫn. Kết quả đáng ngạc nhiên: vật liệu mới đạt tính siêu dẫn ở mốc 270 gigapascal và 15 độ C.

Cận cảnh đe kim cương.

Hiển nhiên, vẫn chưa dùng được vật liệu siêu dẫn này trong cuộc sống hàng ngày. Lượng vật liệu siêu dẫn để làm thí nghiệm bé nhỏ vô cùng, mà mức áp suất 270 gigapascal vẫn chưa phải lý tưởng.

Bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ cố giảm mức áp suất cần có để tạo siêu dẫn, thông qua việc điều chỉnh thành tố hóa học của mẫu nghiên cứu. Nếu “pha chế” thành công để ra được vật liệu siêu dẫn hiệu quả, các nhà khoa học tin rằng siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, áp suất vừa phải sẽ nằm trong tầm với của nhân loại.

Nghiên cứu mới đã được đăng tải trên Nature.

Tham khảo ScienceAlert