Siêu dẫn nhiệt độ cao lập kỷ lục mới ở áp suất thường

Keysight giới thiệu Quantum Circuit Simulation với tính năng lượng tử hóa từ thông miền tần số

Mô hình nhiễu lượng tử mới giúp máy tính lượng tử thoát lỗi tính toán

Trung Quốc tạo bước đột phá trong công nghệ năng lượng nhiệt hạch

Siêu dẫn nhiệt độ cao chính là đích ngắm của giới vật lý suốt nhiều thập kỷ qua, bởi đây là trạng thái mà dòng điện chạy hoàn toàn tự do, không hao phí một chút năng lượng nào dưới dạng nhiệt. Muốn đưa một vật liệu vào trạng thái kỳ diệu ấy, các nhà khoa học buộc phải hạ nhiệt độ xuống gần độ không tuyệt đối âm 273,15 độ C hoặc nén vật liệu dưới áp suất khổng lồ, đôi khi phải kết hợp cả hai điều kiện khắc nghiệt cùng lúc. Chính vì vậy mà những lợi ích tưởng như trong tầm tay, chẳng hạn xe điện sạc đầy pin chỉ trong tích tắc, lại trở nên bất khả thi khi người dùng phải mang theo cả một tủ đông chuyên dụng hay buồng nén kim cương đặt ngay sau ghế lái.

Một nhóm nhà vật lý do các nhà khoa học tại Đại học Houston dẫn đầu vừa xóa bỏ phần nào rào cản đó khi lập kỷ lục thế giới mới về nhiệt độ siêu dẫn cao nhất từng ghi nhận ở điều kiện áp suất bình thường. Con số âm 122,15 độ C, tương đương âm 187,87 độ F, nghe vẫn lạnh thấu xương với đời sống thường nhật, nhưng lại ấm áp một cách đáng ngạc nhiên nếu đặt cạnh yêu cầu truyền thống là phải làm lạnh gần sát độ không tuyệt đối. Kỷ lục mới này cũng chấm dứt thế giằng co kéo dài hàng chục năm trong nghiên cứu siêu dẫn, khi nhiệt độ kỷ lục tăng thêm gần 20 độ C chỉ trong một bước đột phá.

Ảnh: Bộ Năng lượng Hoa Kỳ/Flickr

Nhà vật lý Hua Zhou công tác tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (Mỹ) nhận định đây là bước ngoặt quan trọng hướng tới những vật liệu siêu dẫn thực dụng, có thể vận hành ngay ở nhiệt độ và áp suất phòng. Ông nhấn mạnh việc vật liệu vẫn giữ được tính siêu dẫn ở áp suất bình thường cho phép giới khoa học nghiên cứu nó bằng những thiết bị phổ biến, từ đó bắt tay phát triển các công nghệ hoạt động tốt trong điều kiện đời thường thay vì chỉ tồn tại trong phòng thí nghiệm.

Bí quyết nén rồi thả nhanh giúp vật liệu Hg1223 phá kỷ lục

Vật liệu làm nên kỷ lục lần này thuộc nhóm siêu dẫn cuprate, gồm những lớp đồng oxit xen kẽ với oxit kim loại khác, cụ thể ở đây là thủy ngân, bari và canxi. Giới khoa học gọi vật liệu này bằng cái tên Hg1223, và kể từ năm 1993 nó đã nắm giữ kỷ lục nhiệt độ siêu dẫn cao nhất ở áp suất bình thường với ngưỡng âm 140,15 độ C, một con số tồn tại bất biến suốt hơn ba thập kỷ cho tới khi nhóm nghiên cứu Houston công bố phát hiện mới.

Để nâng con số đó lên, nhóm tác giả thực hiện một quy trình mang tên nén rồi hạ áp nhanh. Họ nén Hg1223 trong buồng đe kim cương lên tới 30 gigapascal, mức áp suất gần gấp 300.000 lần áp suất mà con người chịu ở mực nước biển. Điều đặc biệt nằm ở bước tiếp theo, khi áp suất được thả ra cực nhanh thay vì giảm từ từ, khiến vật liệu rơi vào trạng thái giả bền, một trạng thái vẫn giữ nguyên phần nào tính chất lượng tử kỳ lạ mà không cần duy trì áp suất cực đoan liên tục.

Sơ đồ minh họa quá trình làm nguội nhanh dưới áp suất trong buồng nén kim cương, và ảnh hưởng của nó đến tính siêu dẫn của vật liệu. Ảnh: Đại học Houston

Viên kim cương đang đeo trên tay nhiều người chính là ví dụ quen thuộc nhất cho vật liệu giả bền dạng này. Bản chất kim cương chỉ là carbon từng chịu áp suất khủng khiếp sâu trong lòng Trái Đất, nhưng cấu trúc mới ấy vẫn tồn tại nguyên vẹn ngay cả khi viên đá được đưa lên mặt đất. Khi vật liệu chịu áp suất cao, các nguyên tử bị ép sát lại gần nhau tạo thành cấu trúc mới, và nếu áp suất giảm từ từ thì nguyên tử có đủ thời gian trở về trạng thái cũ. Ngược lại, việc giải phóng áp suất đột ngột lại kích hoạt sự hình thành những khiếm khuyết nhỏ bên trong vật liệu, và chính những khiếm khuyết này giữ cho Hg1223 duy trì tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn hẳn, ngay cả khi áp suất đã trở về mức bình thường.

Nhóm nghiên cứu xác nhận đặc tính siêu dẫn đặc biệt này bằng thiết bị Advanced Photon Source, một máy phát tia X công suất lớn đặt tại Argonne, có khả năng theo dõi chính xác từng biến đổi vi mô bên trong vật liệu.

Giấc mơ siêu dẫn nhiệt độ phòng vẫn còn một chặng đường

Hg1223 chưa phải vật liệu siêu dẫn ấm nhất từng được tạo ra, danh hiệu đó thuộc về một mẫu lanthanum decahydride, vốn giữ được tính siêu dẫn cho tới tận âm 13,15 độ C, mức nhiệt mà bất kỳ chiếc tủ lạnh gia đình nào cũng có thể đạt tới. Nhưng điều con người không thể tái tạo tại nhà chính là áp suất khủng khiếp 190 gigapascal cần thiết để duy trì trạng thái đó, một con số tương đương áp suất tại lõi ngoài Trái Đất và khiến mức 30 gigapascal của Hg1223 trở nên nhẹ nhàng, dễ chịu hơn rất nhiều.

Hy vọng lâu dài của giới khoa học là một ngày nào đó, sự đánh đổi giữa nhiệt độ và áp suất sẽ hoàn toàn biến mất. Siêu dẫn ở nhiệt độ và áp suất phòng, nếu thành hiện thực, hứa hẹn mang lại lợi ích to lớn cho lưu trữ và truyền tải năng lượng quy mô lưới điện, cho ngành xe điện, thậm chí cho công nghệ bay lơ lửng dựa trên từ trường. Những ứng dụng ấy dĩ nhiên vẫn còn cách xa hiện tại, nhưng mỗi phát hiện mới như kỷ lục lần này lại kéo nhân loại đến gần hơn với giấc mơ siêu dẫn phổ thông. Nghiên cứu vừa công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences.