Siêu dẫn là trạng thái mà một số vật liệu, khi được làm lạnh dưới một nhiệt độ tới hạn Tc, có điện trở một chiều bằng đúng không và đẩy từ trường ra khỏi lòng vật liệu. Hai tính chất này phải đi cùng nhau; điện trở rất nhỏ thôi chưa đủ để gọi là siêu dẫn. Dòng điện cảm ứng trong một vòng siêu dẫn có thể chạy nhiều năm mà không đo được suy giảm.
Vật liệu siêu dẫn đầu tiên được phát hiện năm 1911, và đến nay nó đã là công nghệ công nghiệp: mỗi máy chụp cộng hưởng từ (MRI) trong bệnh viện đều dùng cuộn dây siêu dẫn. Nhưng mọi siêu dẫn đã kiểm chứng đều cần hoặc nhiệt độ rất thấp, hoặc áp suất hàng triệu lần áp suất khí quyển. Siêu dẫn ở nhiệt độ phòng và áp suất thường vẫn chưa có.
Phần dưới giải thích cơ chế vật lý, các họ vật liệu chính, cách phân biệt một tuyên bố siêu dẫn đáng tin với một tuyên bố yếu, và lý do việc đưa siêu dẫn ra đời sống khó hơn vẻ ngoài.
Dòng thời gian: hơn một thế kỷ săn nhiệt độ tới hạn
Lịch sử siêu dẫn là chuỗi những bất ngờ thực nghiệm mà lý thuyết phải chạy theo giải thích.
- 1911 — Heike Kamerlingh Onnes ở Leiden, ngay sau khi hoá lỏng được helium, thấy điện trở của thuỷ ngân rơi đột ngột về không ở khoảng 4,2 K.
- 1933 — Walther Meissner và Robert Ochsenfeld phát hiện vật siêu dẫn đẩy từ trường ra ngoài khi làm lạnh, kể cả khi từ trường đã có từ trước. Điều này chứng tỏ siêu dẫn là một pha nhiệt động mới, không chỉ là "dẫn điện hoàn hảo".
- 1957 — John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer đưa ra lý thuyết BCS, nhận Nobel năm 1972.
- 1986 — Georg Bednorz và Alex Müller tại IBM Zürich phát hiện siêu dẫn khoảng 35 K trong một oxide đồng chứa lanthanum và barium; Nobel trao ngay năm 1987.
- 1987 — nhóm Paul Chu và Maw-Kuen Wu công bố YBa2Cu3O7 (YBCO) siêu dẫn ở khoảng 93 K, lần đầu vượt nhiệt độ sôi của nitơ lỏng (77 K).
- 1993 — cuprate gốc thuỷ ngân đạt khoảng 133 K ở áp suất thường, kỷ lục ở áp suất thường vẫn thuộc họ này.
- 2001 và 2008 — MgB2 siêu dẫn ở 39 K (nhóm Jun Akimitsu); họ siêu dẫn gốc sắt được nhóm Hideo Hosono công bố.
- 2015 trở đi — nhóm Mikhail Eremets đo được siêu dẫn khoảng 203 K trong hydro sulfide nén ở cỡ 150 GPa; sau đó lanthanum hydride đạt quanh 250 K ở khoảng 170 GPa.
Cơ chế BCS: vì sao electron lại đi thành cặp
Trong kim loại thường, điện trở đến từ việc electron bị tán xạ bởi dao động mạng tinh thể (phonon) và tạp chất. Lý thuyết BCS cho biết ở nhiệt độ thấp, một electron đi qua làm các ion dương xung quanh dịch lại gần một chút, tạo vùng tích điện dương thoáng qua; electron thứ hai bị vùng đó hút. Kết quả là một lực hút hiệu dụng giữa hai electron qua trung gian phonon, thắng được lực đẩy Coulomb đã bị màn chắn.
Leon Cooper chỉ ra năm 1956 rằng chỉ cần lực hút yếu tuỳ ý, hai electron có xung lượng và spin ngược nhau gần mặt Fermi sẽ tạo trạng thái liên kết, gọi là cặp Cooper. Cặp Cooper có spin tổng nguyên nên hành xử như boson, và hàng tỷ cặp cùng ngưng tụ vào một trạng thái lượng tử chung, mô tả bằng một hàm sóng vĩ mô duy nhất. Muốn tán xạ một electron ra khỏi trạng thái chung đó phải phá cặp, tốn năng lượng tối thiểu bằng khe năng lượng siêu dẫn. Ở nhiệt độ thấp, dao động nhiệt không đủ năng lượng ấy, nên dòng chạy không mất mát.
Bằng chứng mạnh cho vai trò phonon là hiệu ứng đồng vị: thay nguyên tử bằng đồng vị nặng hơn thì Tc giảm, vì phonon dao động chậm hơn. Hiệu ứng Meissner được giải thích bởi việc hàm sóng vĩ mô "cứng" với từ trường, sinh dòng trên bề mặt triệt tiêu từ trường bên trong trong một lớp dày cỡ độ thâm nhập London, thường vài chục đến vài trăm nanomet.
Các họ vật liệu siêu dẫn chính
Không có một "vật liệu siêu dẫn tốt nhất". Mỗi họ có điểm mạnh riêng về nhiệt độ, từ trường chịu được, khả năng làm dây và giá thành.
| Họ vật liệu | Tc tiêu biểu | Cơ chế | Dùng ở đâu |
|---|---|---|---|
| Hợp kim NbTi | khoảng 9–10 K | BCS, phonon | cuộn dây MRI, nam châm máy gia tốc LHC; dễ kéo sợi, rẻ nhất |
| Nb3Sn | khoảng 18 K | BCS, phonon | nam châm từ trường cao (ITER), giòn, phải xử lý nhiệt sau khi quấn |
| MgB2 | khoảng 39 K | BCS hai khe | một số máy MRI không dùng helium lỏng; nguyên liệu rẻ |
| Cuprate (YBCO, BSCCO) | 90–110 K, kỷ lục ~133 K | chưa có lý thuyết thống nhất | băng siêu dẫn thế hệ hai (REBCO), cáp điện thử nghiệm, nam châm nhiệt hạch |
| Gốc sắt | tới khoảng 55 K | còn tranh luận, có thể liên quan dao động spin | chủ yếu nghiên cứu, một số dây thử nghiệm |
| Hydride nén | 200–250 K | BCS với phonon tần số rất cao của hydro | chỉ trong ô đe kim cương, không có ứng dụng |
Điểm đáng chú ý: siêu dẫn nhiệt độ cao trong cuprate đã gần 40 năm vẫn chưa có lý thuyết vi mô được đồng thuận. Cặp electron trong cuprate có đối xứng d (khe năng lượng đổi dấu theo hướng), khác đối xứng s của BCS thông thường, và nhiều nhóm cho rằng tương tác từ đóng vai chính thay cho phonon. Đây là một trong những bài toán mở lớn nhất của vật lý chất rắn.
Siêu dẫn loại I, loại II và vì sao kỹ sư chỉ quan tâm loại II
Loại I (chủ yếu kim loại nguyên chất như chì, thuỷ ngân) đẩy hoàn toàn từ trường cho tới một từ trường tới hạn thấp, thường dưới 0,1 tesla, rồi mất siêu dẫn đột ngột. Không thể làm nam châm mạnh bằng loại này.
Loại II (hợp kim, hợp chất, cuprate) có hai từ trường tới hạn. Giữa hai ngưỡng, từ trường xuyên vào vật liệu dưới dạng các ống xoáy lượng tử, mỗi ống mang đúng một lượng tử từ thông. Vật liệu vẫn siêu dẫn quanh các ống. Từ trường tới hạn trên của Nb3Sn vượt 20 tesla, của REBCO còn cao hơn nhiều.
Ghim xoáy là chìa khoá kỹ thuật. Khi có dòng chạy qua, lực Lorentz đẩy các ống xoáy di chuyển, và chuyển động đó tiêu tán năng lượng, tức sinh điện trở. Người ta cố ý đưa khuyết tật, kết tủa nano vào vật liệu để "ghim" xoáy lại. Mật độ dòng tới hạn của một sợi dây thực tế do vi cấu trúc quyết định nhiều hơn là do bản chất hoá học.
Hiện tượng vật lơ lửng phía trên nam châm trong các buổi trình diễn với YBCO và nitơ lỏng thực ra chủ yếu do ghim xoáy, không phải hiệu ứng Meissner thuần tuý. Vì thế vật có thể treo cả dưới nam châm, giữ nguyên vị trí như bị khoá.
Ứng dụng thật: MRI, máy gia tốc, nhiệt hạch và lưới điện
Ứng dụng lớn nhất về khối lượng là nam châm MRI: cuộn dây NbTi ngâm trong helium lỏng ở khoảng 4 K tạo từ trường 1,5 đến 3 tesla rất ổn định, dòng chạy ở chế độ khép kín nhiều năm. Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) ở CERN dùng hơn một nghìn nam châm lưỡng cực NbTi làm lạnh tới 1,9 K. Dự án ITER dùng Nb3Sn và NbTi cho cuộn dây khổng lồ.
Thay đổi đáng chú ý gần đây là băng REBCO thế hệ hai: một lớp gốm siêu dẫn dày vài micromet phủ trên băng kim loại có nhiều lớp đệm định hướng. Năm 2021, nhóm MIT và công ty Commonwealth Fusion Systems thử thành công một nam châm REBCO đạt khoảng 20 tesla ở quy mô lớn, cho phép thiết kế lò tokamak nhỏ gọn hơn. Băng REBCO vận hành tốt ở 20 K, làm lạnh bằng máy lạnh khí thay cho helium lỏng vốn đắt và nguồn cung bấp bênh.
Cáp điện siêu dẫn đã chạy thử ở vài thành phố châu Âu, Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc, chủ yếu đoạn ngắn trong lòng đô thị nơi không còn chỗ chôn cáp đồng. Tàu đệm từ SCMaglev của Nhật dùng nam châm siêu dẫn trên toa. Ở Việt Nam, người làm kỹ thuật gặp siêu dẫn chủ yếu qua thiết bị MRI tại bệnh viện, nơi chi phí bổ sung helium và rủi ro mất siêu dẫn đột ngột (quench) là chuyện vận hành hằng ngày.
Cách thẩm định một tuyên bố "siêu dẫn nhiệt độ phòng"
Từ năm 2020 đến 2023 có hai bài trên Nature của nhóm Ranga Dias về hydride siêu dẫn gần nhiệt độ phòng bị rút lại, và mùa hè 2023 vật liệu LK-99 gây xôn xao trước khi các phòng thí nghiệm khác chỉ ra hiện tượng quan sát được đến từ tạp chất đồng sulfide. Một khung kiểm tra gồm các bước:
- Điện trở có về đúng không không? Không phải "giảm mạnh" mà phải chạm giới hạn đo của thiết bị, đo bốn đầu dò, và có bước chuyển sắc nét.
- Có hiệu ứng Meissner không? Đo độ cảm từ cho thấy nghịch từ mạnh, kèm so sánh làm lạnh có và không có từ trường (ZFC/FC). Một mảnh vật liệu nghiêng nghiêng trên nam châm chưa chứng minh được gì, vì vật liệu nghịch từ thường hay sắt từ cũng làm được.
- Nhiệt độ chuyển có dịch theo từ trường không? Tc của siêu dẫn thật giảm khi tăng từ trường theo quy luật có thể dự đoán.
- Có nhảy nhiệt dung tại Tc không? Đây là dấu hiệu nhiệt động của chuyển pha.
- Mẫu có pha tạp chất không? Nhiễu xạ tia X, phân tích thành phần; tạp chất có chuyển pha cấu trúc có thể giả dạng bước nhảy điện trở.
- Phòng thí nghiệm độc lập có lặp lại được không, với mẫu tự tổng hợp và dữ liệu thô được công khai?
Khung này áp dụng được cho mọi tuyên bố vật liệu "kỳ diệu": đòi nhiều phép đo độc lập cùng chỉ về một kết luận, thay vì một phép đo ấn tượng.
Vì sao siêu dẫn nhiệt độ phòng khó, và nếu có thì thay đổi gì
Trong khung BCS, Tc tăng khi phonon có tần số cao và liên kết electron–phonon mạnh. Hydro là nguyên tố nhẹ nhất nên phonon của nó có tần số cao nhất, đó là lý do hydride nén đạt Tc kỷ lục. Nhưng chỉ dưới áp suất cực lớn hydro mới bị ép vào cấu trúc kim loại; giảm áp suất, cấu trúc tan rã. Hướng nghiên cứu hiện nay là tìm hydride bậc ba, bậc bốn có thể giữ cấu trúc ở áp suất thấp hơn, dựa trên tính toán phiếm hàm mật độ và học máy, nhưng chưa có kết quả ở áp suất thường.
Với cuprate, vì chưa hiểu cơ chế nên cũng chưa có công thức thiết kế. Một số nhà lý thuyết cho rằng không có giới hạn cơ bản nào cấm siêu dẫn nhiệt độ phòng; số khác nghi ngờ điều đó trong vật liệu ổn định. Hiện trạng chính xác nhất là: chưa có lý do vật lý loại trừ, nhưng cũng chưa có con đường rõ ràng.
Nếu một ngày có vật liệu như vậy, tác động cũng không tức thì. Vật liệu còn phải chịu được từ trường và mật độ dòng cao, kéo được thành dây dài hàng kilomet, rẻ, bền cơ học. Cuprate đã siêu dẫn ở nhiệt độ nitơ lỏng từ 1987, nhưng phải mất hơn hai mươi năm mới có băng dài đủ chất lượng cho kỹ thuật. Lợi ích lớn nhất sẽ đến ở nam châm, máy điện và đường truyền, còn dây điện trong nhà gần như không thay đổi gì.
Câu hỏi thường gặp
Điện trở bằng không có vi phạm định luật bảo toàn năng lượng không?
Không. Điện trở bằng không áp dụng cho dòng một chiều ổn định; dòng chạy mãi không cần cung cấp thêm năng lượng vì không có tiêu tán, giống vật chuyển động không ma sát. Muốn tăng dòng vẫn phải tốn năng lượng để nạp vào từ trường. Với dòng xoay chiều, vật siêu dẫn vẫn có tổn hao nhỏ do chuyển động xoáy từ.
Vì sao máy MRI cần bổ sung helium lỏng?
Cuộn dây NbTi chỉ siêu dẫn ở dưới khoảng 9 K nên phải ngâm trong helium lỏng sôi ở 4,2 K. Dù có máy lạnh tái ngưng tụ, một phần helium vẫn thất thoát theo thời gian hoặc mất nhiều khi xảy ra quench. Các thế hệ máy mới dùng lượng helium rất nhỏ trong hệ kín để giảm phụ thuộc nguồn cung.
Quench là gì và có nguy hiểm không?
Quench là khi một đoạn cuộn dây mất siêu dẫn, sinh nhiệt cục bộ lan nhanh, năng lượng từ trường chuyển thành nhiệt và làm helium hoá hơi đột ngột. Hệ thống được thiết kế có đường ống xả khí ra ngoài và mạch bảo vệ. Nguy cơ chính là khí helium chiếm chỗ oxy trong phòng nếu đường xả hỏng.
Graphene xoắn góc ma thuật có phải siêu dẫn nhiệt độ cao không?
Không theo nhiệt độ: Tc chỉ khoảng 1 đến 3 K. Điều làm nó quan trọng là tỷ lệ giữa Tc và mật độ hạt tải rất cao, cùng việc điều chỉnh được bằng điện áp cổng, giúp nghiên cứu cơ chế siêu dẫn mạnh tương quan, có thể soi sáng bài toán cuprate.
Có thể dùng siêu dẫn để lưu trữ điện năng không?
Có, gọi là lưu trữ năng lượng từ siêu dẫn (SMES): năng lượng nằm trong từ trường của cuộn dây có dòng chạy khép kín. Ưu điểm là phóng nạp rất nhanh, hiệu suất cao, phù hợp ổn định lưới trong mili giây. Nhược điểm là mật độ năng lượng thấp và chi phí làm lạnh, nên chỉ dùng ở quy mô nhỏ, chuyên biệt.
Kỷ lục Tc ở áp suất thường hiện nay là bao nhiêu?
Theo các kết quả đã được lặp lại rộng rãi, kỷ lục ở áp suất thường thuộc cuprate gốc thuỷ ngân, khoảng 133 đến 135 K, công bố từ năm 1993. Dưới áp suất cao, cùng vật liệu đạt khoảng 164 K. Các tuyên bố cao hơn ở áp suất thường cho đến nay chưa vượt qua được kiểm chứng độc lập.