VẬT LIỆU SIÊU DẪN-CÔNG NGHỆ NANO, chương 1 docx

VẬT LIỆU SIÊU DẪN-CÔNG NGHỆ
NANO
VẬT LIỆU SIÊU DẪN
Chương 1: Định nghĩa
Siêu dẫn là hiệu ứng vật lý xảy ra đối với một số vật liệu ở nhiệt
độ đủ thấp v
à từ trường đủ nhỏ, đặc trưng bởi điện trở bằng 0 dẫn
đến sự suy giảm nội từ trường (hiệu ứng Meissner). Si
êu dẫn là
m
ột hiện tượng lượng tử. Trạng thái vật chất này không nên nhầm
với mô hình lý tưởng dẫn điện hoàn hảo trong vật lý cổ điển, ví dụ
từ thủy động lực học
Trong chất siêu dẫn thông thường, sự siêu dẫn được tạo ra bằng
cách tạo một lực hút giữa một số electron truyền dẫn nào đó nảy
sinh từ việc trao đổi phonon, làm cho các electron dẫn trong chất
siêu dẫn biểu hiện pha siêu lỏng tạo ra từ cặp electron tương quan.
Ngoài ra còn tồn tại một lớp các vật chất, biết đến như là các chất
siêu dẫn khác thường, phô bày tính chất siêu dẫn nhưng tính chất
vật lý trái ngược lý thuyết của chất siêu dẫn đơn thuần. Đặc biệt,
có chất siêu dẫn nhiệt độ cao có tính siêu dẫn tại nhiệt độ cao hơn
lý thuyết thường biết (nhưng hiện vẫn thấp hơn nhiều so với nhiệt
độ trong ph
òng). Hiện nay chưa có lý thuyết hoàn chỉnh về chất
siêu dẫn nhiệt độ cao.
a. Siêu dẫn nhiệt độ cao
Siêu dẫn nhiệt độ cao, trong vật lý học, nói đến hiện tượng siêu
d
ẫn có nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn từ vài chục Kelvin trở lên.
Các hi
ện tượng này được khám phá từ thập kỷ 1980 và không thể

giải thích được bằng lý thuyết BCS vốn thành công với các chất
siêu dẫn cổ điển được tìm thấy trước đó.
Siêu dẫn ở nhiệt độ cao
b. Hiệu ứng Meissner
Một nam châm được nâng trên mặt một vật liệu siêu dẫn nhúng
trong nitơ lỏng lạnh tới −200°C, thể hiện hiệu ứng Meissner
Hiệu ứng Meissner hay hiệu ứng Meissner-Ochsenfeld là hiệu
ứng từ thông bị đẩy ra ho
àn toàn khỏi bên trong của vật siêu dẫn.
Hiện tượng này là hiện tượng nghịch từ hoàn hảo. Từ thông sinh ra
bởi vật siêu dẫn bù trừ hoàn toàn từ thông ở môi trường ngoài. Do
đó, từ thông bên trong vật siêu dẫn bằng 0. Hiện tượng này được
khám phá bởi Walther Meissner và Robert Ochsenfeld vào năm
1933.
c. Lý thuyết BCS
Lý thuyết BCS là mô hình lý thuyết vi mô được ba nhà vật lý John
Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer đưa ra vào năm 1957
để giải thích hiện tượng si
êu dẫn. Lý thuyết này giải thích rất thành
công nh
ững tính chất vi mô của hệ siêu dẫn và nhiệt động lực học
của hệ. Lý thuyết này cũng rất tương thích với một mô hình định
tính khác là "lý thuyết Ginzburg-Landau".
Ý t
ưởng cơ bản của mô hình này là khi trong hệ xuất hiện lực hút
giữa các điện tử, trạng thái điện tử cơ bản của hệ chất rắn trở nên
không b
ền so với trạng thái mà trong đó có xuất hiện cặp điện tử
với spin và xung lượng trái ngược.
Lực hút giữa các điện tử này là do nguyên nhân tương tác giữa

điện tử với các mode biến dạng của tinh thể mạng (phonon). Ta có
thể hình dung, khi một điện tử chuyển động, tương tác của nó với
mạng tinh thể làm biến dạng mạng tinh thể và điện tử đi theo sau
đó sẽ dễ d
àng chuyển động hơn trong tinh thể. Hai điện tử này tạo
thành một cặp điện tử Cooper. Từ tương tác điện tử với các phonon
ta có th
ể suy ra lực tương tác hút hiệu dụng giữa hai điện tử.
Với giả thiết trên về tương tác hút giữa các điện tử, bằng phương
pháp trường trung b
ình ta có thể giải được mô hình và thu được
những kết quả định lượng.
John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer đã nhận giải
thưởng Nobel về vật lý năm 1972 nhờ công tr
ình này. Tuy nhiên lý
thuyết BCS chỉ áp dụng đúng cho các chất siêu dẫn cổ điển có
nhiệt độ của trạng thái siêu dẫn rất thấp. Sau phát minh về các chất
siêu dẫn nhiệt độ cao, cho đến nay chưa có lý thuyết hoàn chỉnh
nào giải thích các hiện tượng này.
2.Lịch sử
Đối với kim loại nói chung, ở nhiệt độ rất cao thì điện dẫn xuất λ tỉ
lệ với nhiệt độ T. Ở nhiệt độ thấp, λ tăng nhanh khi T giảm. Nếu
kim loại hoàn toàn tinh khiết, có thể nói rằng về nguyên tắc khi
T=0 thì λ tiến tới vô cực, nghĩa là điện trở kim lọai dần tiến tới 0.
Nếu kim lọai có lẫn tạp chất thì ở nhiệt độ rất thấp (khoảng vài độ
K) kim loại có điện trở dư không phụ thuộc nhiệt độ và tỉ lệ với
nồng độ tạp chất. Thực tế không thể đạt tới nhiệt độ T=0 độ K và
không th
ể có kim loại nguyên chất hoàn toàn, nên vật thể có điện
trở bằng 0 chỉ là vật dẫn lý tưởng.

Năm 1911, Heike Kamerlingh Onnes làm thí nghiệm với thủy ngân
nhận thấy rằng sự phụ thuộc của điện trở thủy ngân vào nhiệt độ
khác hẳn sự phụ thuộc đối với kim lọai khác. Khi nhiệt độ
thấp,địên trở thủy ngân không phụ thuộc vào nhiệt độ nữa, chỉ phụ
thuộc vào nồng độ tạp chất. Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ xuống tới
Tc=4,1 độ K, điện trở đột ngột hạ xuống 0 một cách nhảy vọt.
Hiện tượng nói trên gọi là hiện tượng siêu dẫn, và Tc là nhiệt độ
tới hạn.
Đến tháng 1 năm 1986 tại Zurich, hai nh
à khoa học Alex Muller và
Georg Bednorz tình c
ờ phát hiện ra một chất gốm mà các yếu tố
cấu thành là: Lantan, Đồng, Bari, Oxit kim loại. Chất gốm này trở
nên siêu dẫn ở nhiệt độ 35 độ K.
Một thời gian ngắn sau, các nhà khoa học Mỹ lại phát hiện ra
những chất gốm tạo thành chất siêu dẫn ở nhiệt độ tới 98 độ K.
Ở Việt Nam, nghi
ên cứu về siêu dẫn cũng đã được các nhà khoa
h
ọc của Trường đại học Tổng hợp Hà Nội trước đây, nay là Đại
học Quốc gia Hà Nội thực hiện trong khoảng gần hai chục năm
qua. Các nhà khoa học Việt Nam làm lạnh bằng Nitơ lỏng và đã
t
ạo ra được một số vật liệu siêu dẫn thuộc loại rẻ tiền
Sự khác biệt giữa vật siêu dẫn và vật dẫn điện hoàn hảo
Từ trường bên trong vật dẫn điện hoàn hảo và vật siêu dẫn dưới tác
động của môi trường ngo
ài ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ thấp
(nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ Curi). Từ trường bị đẩy ra khỏi vật siêu
d

ẫn ở nhiệt độ thấp không phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của vật
liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Trạng thái của vật siêu dẫn ở nhiệt
độ thấp l
à trạng thái không thuận nghịch.