Không có trở kháng ở nhiệt độ phòng: Kích thích cộng hưởng của các dao động oxy (mờ) giữa lớp kép CuO2 (ánh sáng màu xanh, đồng (Cu) - vàng cam Cu, oxy (O) - đỏ) với các xung ánh sáng ngắn dẫn đến các nguyên tử trong mạng tinh thể chuyển khỏi vị trí cân bằng của chúng trong một thời gian ngắn. Sự chuyển dịch này làm tăng sự phân ly của các lớp CuO2 trong một lớp kép và đồng thời giảm sự phân ly giữa hai lớp kép. Điều này rất có khả năng sẽ gia tăng tính siêu dẫn. Credit: Jörg Harms/Viện Nghiên cứu Cấu trúc và Động lực của Vật chất Max Planck.
Siêu dẫn là một hiện tượng đặc biệt đáng lưu ý: các chất siêu dẫn có thể dẫn điện mà không có trở kháng và do đó không có bất kỳ tổn thất nào. Nó đã được sử dụng trong một số lĩnh vực thích hợp, ví dụ như nam châm cho mát chụp cắt lớp spin hạt nhân hoặc máy gia tốc hạt. Tuy nhiên, các vật liệu cho mục đích này phải được làm lạnh xuống nhiệt độ rất thấp. Nhưng trong năm vừa qua, một thí nghiệm đã mang lại một số bất ngờ.
Với sự trợ giúp của các xung laser hồng ngoại ngắn, các nhà nghiên cứu đã lần đầu tiên tạo ra được một siêu dẫn bằng gốm ở nhiệt độ phòng - dù chỉ trong một vài phần triệu micro giây. Một nhóm nghiên cứu quốc tế, trong đó chủ yếu là các nhà vật lý của Viện Nghiên cứu Cấu trúc và Động lực của Vật chất Max Planck ở Hamburg (Đức), mới đây đã có giải thích khả dĩ về hiệu ứng này trên tạp chí Nature: Các nhà khoa học tin rằng các xung laser làm cho từng nguyên tử trong mạng tinh thể dịch chuyển trong thời gian ngắn và do đó tăng cường tính siêu dẫn. Những phát hiện này có thể hỗ trợ cho phát triển các vật liệu trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn đáng kể và do đó sẽ có nhiều ứng dụng mới.
Ban đầu, siêu dẫn chỉ được biết đến ở một vài kim loại ở nhiệt độ ngay trên không độ tuyệt đối tại - 273 độ C. Sau đó, trong những năm 1980, các nhà vật lý học đã phát hiện ra một lớp siêu dẫn mới, dựa trên các vật liệu gốm. Những siêu dẫn này dẫn điện ở nhiệt độ khoảng - 200 độ C mà không có tổn thất, và do đó được gọi là các chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Một trong những loại gốm đó là hợp chất oxit bari đồng yttrium (YBCO). Nó là một trong những vật liệu hứa hẹn nhát cho các ứng dụng kỹ thuật như dây cáp, động cơ và máy phát điện siêu dẫn.
Tinh thể YBCO có một cấu trúc đặc biệt: các lớp kép oxit đồng xen kẽ với các lớp trung gian dày hơn có chứa barium cũng như đồng và oxy. Tính siêu dẫn ở đây xuất phát từ các lớp kép dioxide đồng mỏng. Đây là nơi mà các điện tử có thể tham gia tạo thành hiện tượng gọi là cặp Cooper. Những cặp này có thể "chui" giữa các lớp khác nhau, nói theo nghĩa bóng nghĩa là chúng có thể đi qua các lớp này như bóng ma có thể đi xuyên qua tường - một hiệu ứng lượng tử điển hình. Tuy nhiên tinh thể này chỉ trở nên siêu dẫn dưới "nhiệt độ tới hạn", khi các cặp Cooper chui qua không chỉ bên trong hững lớp kép mà còn "vượt" qua cả các lớp dày hơn để tới lớp kép tiếp theo. Trên nhiệt độ tới hạn, sự kết hợp này giữa hai lớp biến mất, và vật liệu trở thành một kim loại dẫn điện kém.
Năm 2013, một nhóm nghiên cứu quốc tế cùng với Andrea Cavalleri, một nhà nghiên cứu ở Viện Max Planck, đã phát hiện ra rằng khi YBCO được chiếu xạ bằng các xung laser hồng ngoại nó trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ phòng một thời gian rất ngắn. Ánh sáng laser dường như đã biến đổi các khớp nối giữa các lớp kép trong tinh thể. Tuy nhiên, họ vẫn chưa biết cơ chế chính xác của nó cho đến khi các nhà vật lý đã có thể giải đáp được bí ẩn này bằng một thí nghiệm tại LCLS, cơ sở laser tia X mạnh mẽ nhất trên thế giới ở Hoa Kỳ. "Chúng tôi bắt đầu bằng việc chuyển lại xung hồng ngoại vào tinh thể, và điều này kích thích các nguyên tử nhất định dao động", Roman Mankowsky, nhà vật lý ở Max Planck và là tác giả chính của nghiên cứu đăng trên Nature, giải thích. "Một thời gian ngắn sau đó, chúng tôi dùng một xung X-ray ngắn để đo cấu trúc tinh thể chính xác của tinh thể bị kích thích này".
Kết quả là xung hồng ngoại đã không chỉ kích thích các nguyên tử dao động, mà còn dịch chuyển cả vị trí của chúng trong tinh thể. Điều này làm cho các lớp kép dioxide đồng dày hơn - bằng 2 picometres, hay một phần trăm của đường kính nguyên tử - và lớp giữa chúng trở nên mỏng hơn bằng cùng kích thước này. Điều này sẽ làm tăng sự ghép cặp lượng tử giữa các lớp kép đến mức tinh thể này trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ phòng trong một vài pico giây.
Một mặt, các kết quả mới giúp điều chỉnh lý thuyết vẫn chưa hoàn chỉnh về các chất siêu dẫn nhiệt độ cao. "Mặt khác, nó có thể giúp các nhà khoa học vật liệu phát triển các chất siêu dẫn mới với nhiệt độ tới hạn cao hơn," Mankowsky nói. "Và cuối cùng đạt được ước mơ về một chất siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ phòng và không cần làm lạnh gì cả." Cho đến nay, các nam châm, động cơ và cáp điện siêu dẫn phải được làm lạnh xuống nhiệt độ rất thấp bằng nitơ lỏng hoặc heli. Nếu việc làm lạnh phức tạp này không còn cần thiết, thì đó có nghĩa là một đột phá cho công nghệ này.
Nguồn : NASATI, 4/12/2014