Lần đầu tiên tạo thành công tính siêu dẫn cho vật liệu thường

Lần đầu tiên trong lịch sử ngành vật lý, các nhà khoa học đã tạo được tính siêu dẫn (khả năng dẫn điện với điện trở bằng 0) cho một vật liệu thông thường. Đây được xem là bước tiến quan trọng nhằm hướng đến việc chế tạo ra các vật liệu siêu dẫn có hiệu suất cao với chi phí thấp hơn.

Kỹ thuật này minh họa cho một lý thuyết đã được đề cập đến từ những năm 70, nhưng đến nay vẫn chưa được chứng minh. Điều này có thể mở đường cho việc chế tạo các vật liệu siêu dẫn hiện nay, ví dụ như vật liệu dùng trong máy chụp MRI hoặc tàu điện từ (maglev) với giá thành rẻ, có hiệu suất cao ở nhiệt độ cao hơn.

"Tính siêu dẫn được ứng dụng rất nhiều, phổ biến nhất là trong máy chụp cộng hưởng từ MRI", giáo sư Paul C. W. Chu dẫn đầu nhóm nghiên cứu của Đại học Houston cho biết.

Nếu được ứng dụng thương mại, vật liệu siêu dẫn có thể tạo ra một cuộc cách mạng cho rất nhiều ngành công nghiệp khác. Không chỉ sử dụng trong xây dựng các hệ thống giao thông siêu tốc, giảm ma sát tối đa như hệ thống tàu Hyperloop, chất siêu dẫn còn giúp tăng hiệu suất cho các lưới điện.

Hiện tại, đường dây tải điện từ nơi sản xuất đến các hộ gia đình thường gây thất thoát đến 10% điện năng. Nhưng vật liệu siêu dẫn hầu như không làm thất thoát điện, nhờ đó, các công ty điện lực sẽ không cần sản xuất điện nhiều hơn để bù đắp hao phí.

Một trong những trở ngại trong việc ứng dụng rộng rãi tính siêu dẫn chính là vật liệu siêu dẫn cần được làm lạnh xuống âm 269,1 độ C mới có khả năng dẫn điện với điện trở bằng 0. Quá trình này vô cùng tốn kém, cả về tiền bạc lẫn năng lượng.

Vật liệu siêu dẫn lơ lửng trên không do hiệu ứng Meissner (Ảnh: Mai-Linh Doan/Wikimedia Commons).

Thậm chí cả những chất siêu dẫn tốt nhất hiện đang được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm vẫn chưa biểu lộ được tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn âm 70 độ C. Các nhà khoa học vẫn đang đau đầu trong việc tăng nhiệt độ tới hạn (Tcs), tức là nhiệt độ cao nhất để một vật liệu biểu lộ tính siêu dẫn, gần bằng với nhiệt độ phòng.

Hàng chục năm qua, các nhà khoa học vẫn cho rằng cách tối ưu để tăng nhiệt độ tới hạn của chất siêu dẫn là tạo tính siêu dẫn cho vật liệu không có tính chất này. Điều này có nghĩa là nếu các nhà khoa học có thể tìm ra cách biến vật liệu thông thường thành vật liệu siêu dẫn, họ có thể chế tạo vật liệu siêu dẫn hoạt động được ở nhiệt độ cao hơn.

Hiện tại, đội nghiên cứu của Đại học Houston đã thực hiện được bước đi đầu tiên, đó là tạo tính siêu dẫn tại nơi tiếp xúc của hai pha vật chất của vật liệu – hay còn gọi là bề mặt tiếp xúc. Họ đã làm được điều này đối với loại vật liệu không có tính siêu dẫn, có thành phần là calcium iron arsenide (CaFe₂As₂).

Theo các nhà nghiên cứu: "Một phương pháp đã được đề xuất từ khá lâu để nâng nhiệt độ tới hạn là tận dụng các bề mặt tiếp xúc tự nhiên hoặc nhân tạo. Công trình hiện tại cho thấy có thể nâng nhiệt độ tới hạn cho hợp chất không có tính siêu dẫn CaFe₂As₂ bằng cách chồng nhiều lớp phản sắt từ hoặc kim loại lên nhau. Đây cũng là bằng chứng rõ ràng nhất tính đến hiện tại cho thấy có thể nâng nhiệt độ giới hạn bằng cách tăng bề mặt tiếp xúc cho hợp chất này".

Vậy nguyên lý hoạt động của kỹ thuật này là gì? Ý tưởng cho rằng tính siêu dẫn có thể được tạo ra hoặc tăng cường ở bề mặt tiếp xúc của hai vật liệu khác nhau đã có từ những năm 70. Mặc dù nhiều đội ngũ nghiên cứu đã cố chứng minh điều này có thể xảy ra, các thí nghiệm tạo tính siêu dẫn thành công trước đó vẫn chưa loại bỏ được tác động của áp lực và sự pha tạp các chất hóa học gây ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.

Để chứng thực những gì đã xảy ra, các nhà nghiên cứu của Đại học Houston đã làm việc với áp suất môi trường xung quanh và sử dụng hợp chất CaFe₂As₂ không bị pha tạp. Họ đun nóng hợp chất đến nhiệt độ 350 độ C để thực hiện quá trình làm nguội, tức là để vật liệu tự nguội dần sau khi đã đun nóng.

Quá trình này tạo ra hai pha vật chất khác biệt bên trong hợp chất CaFe₂As₂ vì các thành phần của hợp chất có tốc độ nguội khác nhau. Trong khi không có pha nào bị biểu lộ tính siêu dẫn, đội nghiên cứu lại phát hiện tính siêu dẫn ở nơi tiếp xúc của hai pha – điều này chứng minh lý thuyết về bề mặt tiếp xúc là có thật.

Hợp chất CaFe₂As₂ đạt được tính siêu dẫn ở nhiệt độ âm 248,15 độ C, vì thế cũng chưa mang lại được đột phá gì lớn cho ngành siêu dẫn. Tuy nhiên, quá trình tương tự cũng sẽ được thực hiện trong bước tiếp theo để tạo ra các chất siêu dẫn nhiệt độ cao ở các bề mặt tiếp xúc để mang cho hiệu suất cao hơn.

Mặc dù còn một chặng đường dài phía trước để đưa kỹ thuật này vào ứng dụng thương mại, nhưng đây là một bước đi đầy hứa hẹn nhằm hướng đến việc phát triển vật liệu siêu dẫn rẻ hơn và có hiệu quả cao hơn trong tương lai.

Nghiên cứu này vừa được đăng tải trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences.