Đã lý giải được bí ẩn 30 năm nguồn gốc của tính siêu dẫn

Các nhà khoa học tại Đại học Cambridge vừa tuyên bố đã có thể lý giải được bí ẩn tồn tại trong suốt 30 năm qua nhằm tìm ra loại vật liệu siêu dẫn có thể hoạt động ở nhiệt độ cao. Bằng việc khám phá ra bản chất của đặc tính siêu dẫn, giờ đây các nhà khoa học đã có cơ sở vững chắc nhằm tìm kiếm thêm các loại vật liệu khác cũng có tính chất tương tự nhưng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao. Nói cách khác, giải quyết được câu hỏi trên đã mở đường cho sự phát triển của hàng loạt lĩnh vực từ thiên văn học cho đến khoa học máy tính, từ xe lửa đệm từ trường đến các siêu máy tính trong tương lai không xa.

Trong báo cáo vừa được đăng tải trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu đã tiết lộ rằng, đặc tính siêu dẫn xuất hiện là do các cặp electron bên trong vật liệu bị xoắn lại dưới tác động của sóng mật độ điện tích hoặc sự hình thành nên các gợn sóng electron.

Hiện tượng siêu dẫn được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1911 bởi nhà khoa học Heike Kamerlingh Onnes trong quá trình thực hiện thí nghiệm nhằm khảo sát các thuộc tính của kim loại ở nhiệt độ thấp. Siêu dẫn là 1 hiện tượng xảy ra ở một số vật liệu có điện trở bằng 0. Trong đa số các trường hợp, đặc tính siêu dẫn sẽ xuất hiện khi hạ nhiệt độ của vật liệu xuống gần âm 273 độ C. Những loại vật liệu sở hữu tính chất trên được gọi là chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấp.


Cấu trúc của đồng oxit ở trạng thái siêu dẫn​

Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số loại vật liệu có đặc tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn (vào khoảng âm 135 độ C). Các loại vật liệu này sẽ rất hữu ích trong công nghệ hiện đại và hứa hẹn sẽ được áp dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất chính là cho đến nay các nhà khoa học vẫn chưa có hiểu biết nhiều về loại vật liệu này.

Tiến sĩ Suchitra Sebastian, chủ nhiệm nhóm nghiên cứu tại Cambridge cho biết: "Một vấn đề lớn nhất với chất siêu dẫn nhiệt độ cao chính là chúng ta vẫn chưa tìm ra được nó. Nguyên nhân ở đây là chúng ta chưa thật sự hiểu được thành phần nào trong vật liệu đã thúc đẩy sự xuất hiện của tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao".

Không giống như các thiết bị điện tử thông thường, dòng điện trong chất siêu dẫn là dòng dịch chuyển của các cặp electron được liên kết chặt chẽ với nhau. Với cấu tạo này, các electron có thể di chuyển một cách trơn tru trong vật liệu và không hề có sự xuất hiện của điện trở. Ngược lại, nếu electron chỉ tồn tại lẻ loi một mình, dòng dịch chuyển sẽ trở nên hỗn loạn và thường xuyên va vào nhau, chính điều này đã tạo nên điện trở cho vật liệu. Do đó, chỉ cần đặt vật liệu siêu dẫn trong 1 nhiệt độ thích hợp, nó sẽ thể hiện tính chất siêu dẫn với độ dẫn điện hoàn hảo và hầu như không hề có điện trở.

Các nhà khoa học biết rằng phải có một thứ gì đó bên trong các vật liệu siêu dẫn hoạt động như chất kết dính nhằm ghép nên các cặp electron. Dù vậy, từ trước đến nay các nhà khoa học vẫn chưa biết thứ thần bí đó là gì? Tất cả những gì các nhà nghiên cứu biết được chính là "loại keo dán" nói trên sẽ bị suy yếu nếu như tăng nhiệt độ hoặc lực từ trường của vật liệu. Khi đó, các cặp electron bị tách ra và tính siêu dẫn sẽ bị mất đi.

Chính vì vậy, hướng tiếp cận của các nhà khoa học tại Cambridge là tìm hiểu nguyên lý của quá trình ngược lại nhằm tìm ra nguyên nhân dẫn đến sự ghép đôi của các electron. Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã thực hiện thí nghiệm với các loại vật liệu đang trong trạng thái không siêu dẫn.

Tiến sĩ Sebastian chia sẻ: "Chúng tôi cố gắng tìm hiểu loại tương tác nào đang xảy ra bên trong vật liệu trước khi các electron bắt cặp với nhau bởi đây chính là mấu chốt vấn đề. Một khi các electron đã được ghép đôi với nhau, chúng ta rất khó xác định được điều gì đã xảy ra. Tuy nhiên, nếu chúng ta có thể phá vỡ liên kết và chia cắt các electron, chúng ta có thể thấy được toàn bộ quá trình hoạt động của các electron. Đây chính là phương pháp để hiểu được hiện tượng siêu dẫn đến từ đâu?"

Trước đây, các nhà nghiên cứu đã biết được rằng trong phần lớn vật liệu, tính siêu dẫn có xu hướng bị phá hủy bởi các tác nhân bên ngoài như nhiệt độ hay từ trường. Nếu hiểu được bản chất của điều này sẽ tìm ra cách ngược lại để kiểm soát các tác nhân ở trạng thái bình thường và tạo ra siêu dẫn. Bằng cách sử dụng một trường từ tính cực mạnh, nhóm nghiên cứu đã có thể loại bỏ tính siêu dẫn của loại vật liệu mang tên cuprate, một chất siêu dẫn có nguồn gốc từ oxit đồng.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã có thể xác định được nguồn gốc của các cặp electron trong trạng thái siêu dẫn của vật liệu. Theo đó, một kết quả đáng ngạc nhiên chính là cặp electron được hình thành từ một lực liên kết hết sức yếu mà không phải là liên kết mạnh như các dự đoán trước đây. Trạng thái ghép cặp electron có nguồn gốc từ trạng thái uốn cong của các electron bởi tác dụng của sóng mật độ điện tích.

Theo tiến sĩ Sebastian: "Thông qua việc xác định được nguồn gốc của hiện tượng siêu dẫn, chúng tôi hoàn toàn hy vọng có thể tìm ra thêm nhiều loại vật liệu có tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn trước đây, thậm chí là ngay ở nhiệt độ phòng. Điều này cho phép ứng dụng loại vật liệu đặc biệt này trên phạm vi rộng rãi hơn ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ đó có thể phát triển những sản phẩm công nghệ cao dựa trên tính chất siêu dẫn mang lại điển hình như các thế hệ siêu máy tính của tương lai".

Loading...
TIN CŨ HƠN
Phi công giải thích về những bí mật trên máy bay ít được tiết lộ

Phi công giải thích về những bí mật trên máy bay ít được tiết lộ

Phi công không được để râu, đi vệ sinh phải lần lượt từng người và bình oxy chỉ đủ thở trong 15 phút là điều hiếm ai ngờ tới.

Đăng ngày: 29/06/2025
Điều gì xảy ra khi bạn nuốt kẹo cao su

Điều gì xảy ra khi bạn nuốt kẹo cao su

Nếu vô tình nuốt phải, bã kẹo cao su có thể chống lại các quá trình tiêu hóa, nhưng cuối cùng nó vẫn bị đào thải ra khỏi cơ thể sau vài ngày.

Đăng ngày: 29/06/2025
Móng của một cây cầu được xây dựng như thế nào?

Móng của một cây cầu được xây dựng như thế nào?

Ở những vùng ngập nước, người ta làm thế nào để xây móng cầu - nền tảng của mọi công trình?

Đăng ngày: 29/06/2025
Chuyện gì sẽ xảy ra nếu gió ngừng thổi trên Trái Đất?

Chuyện gì sẽ xảy ra nếu gió ngừng thổi trên Trái Đất?

Điều khủng khiếp gì sẽ xảy ra nếu trên Trái Đất không có gió? Liệu sự sống trên hành tinh xanh này có còn tồn tại?

Đăng ngày: 29/06/2025
Bài học từ ước muốn cuối cùng của Alexander Đại Đế

Bài học từ ước muốn cuối cùng của Alexander Đại Đế

Trên đường khải hoàn sau khi chinh phạt nhiều nước, năm 323 trước Công nguyên, Alexander Đại đế ngã bệnh. Vào thời khắc ấy, ông nhận ra cái chết đang cận kề và ông không kịp trở về quê hương.

Đăng ngày: 29/06/2025
11 sự thật thú vị ít biết về tờ 100 Đô la Mỹ

11 sự thật thú vị ít biết về tờ 100 Đô la Mỹ

Có lẽ bạn biết tờ tiền 100 USD của Mỹ là loại tiền có mệnh giá lớn nhất ở Mỹ hiện nay. Bạn cũng có thể nhớ rằng tờ tiền này có hình ảnh khuôn mặt của Benjamin Franklin.

Đăng ngày: 28/06/2025
Giải mã hiện tượng nổi da gà

Giải mã hiện tượng nổi da gà

Chắc hẳn bạn đã từng có cảm giác gai người và nổi da gà khi vừa bước ra khỏi phòng tắm vào mùa đông, hoặc ngay cả vào mùa hè nếu có gió lạnh thổi ngang qua.

Đăng ngày: 28/06/2025
Tiêu điểm
Khoa Học News