VẬT LIỆU SIÊU DẪN-CÔNG NGHỆ NANO, chương 4 doc

Chương 4: Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao dựa
trên nền sắt đầu tiên
Hơn hai mươi năm qua, các nhà vật lý vẫn
không thể lý giải một cách chính xác hiện
tượng si
êu dẫn nhiệt độ cao tại sao dường như
chỉ xảy ra ở nhóm đặc biệt các hợp chất hầu
như chỉ dựa trên đồng (Cu) v
à xảy ra như thế
nào. Và mới đây, các nhà khoa học ở Nhật Bản
đ
ã khám phá ra một loại chất siêu dẫn nhiệt độ
cao hoàn toàn mới dựa trên sắt (Fe) cho phép các nhà vật lý tìm
hi
ểu dễ dàng hơn và làm sáng tỏ những điểm quan trọng về hiện
tượng đầy bí ẩn
Siêu dẫn là sự biến mất hoàn toàn của điện trở của vật liệu khi
được l
àm lạnh dưới nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (TC). Hiện tượng
siêu dẫn dựa trên việc tạo ra các cặp điện tử tương hỗ với nhau,
thông qua tạo thành các cặp gọi là gặp Cooper để chuyển dời trong
vật liệu mà không bị cản trở (không có điện trở). Hiện tượng này
được miêu tả trong lý thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) về
hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ thấp, ở đó các cặp Cooper được nhờ
việc liên kết các điện tử với nhau thông qua trao đổi các phonon
(hạt trường của dao động mạng tinh thể).
Tuy nhiên, lý thuyết BCS không thể lý giải được các tính chất của
các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, được khám phá từ năm 1986 (giá trị
nhiệt độ chuyển pha cao nhất hiện nay đạt tới 138 K), và các hợp
chất này hầu hết đều là các hợp chất của đồng (cuprates) chứa các
mặt phẳng song song của ôxit đồng mà ở đó các nguyên tử đồng

nằm trên một mạng hình vuông và điện tích được mang bởi các lỗ
trống ở vị trí của Ôxi. Mỗi nguyên tử đồng sẽ có một điện tử không
kết cặp và do đó các nhà nghiên cứu tin rằng mômen từ (hay spin)
liên kết với nhau sẽ tạo ra tính chất siêu dẫn trong các vật liệu này.
Hình 1. Cấu trúc tinh thể và phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu (J. Am.
Chem. Soc. 130 3296).
Mới đây, Hideo Hosono cùng các cộng sự ở Viện Công nghệ
Tokyo (Nhật Bản) lần đầu tiên khám phá ra một vật liệu siêu dẫn
nhiệt độ cao có nhiệt độ chuyển pha 26 K được dựa trên các hợp
chất của sắt -Fe (có thể xem các kết quả này trên J. Am. Chem.
Soc. 130 3296).
Đây là hợp chất LaOFeAs chứa các lớp của
Lanthanum (La) Ôxi (O) bị kẹp giữa bởi các lớp của Sắt (Fe)
và Arsenic (As) – và bị pha tạp thêm các ion Fluoride. Các nhà
nghiên c
ứu hi vọng có thể tăng được nhiệt độ chuyển pha cao trên
26 K b
ằng cách thay đổi các quá trình xử lý vật liệu (ví dụ như đặt
áp suất…). Các nghiên cứu sơ bộ ban đầu về vật liệu này đã giả
thiết tính chất siêu dẫn xảy ra trong vật liệu không thuộc loại trung
gian phonon (phonon-
mediated) như được kỳ vọng từ lý thuyết cổ
điển BCS, nhưng có thể không giống như được dự đoán trong các
hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao kiểu “cuprates”.
“Ai đó có thể cho là tính siêu dẫn trong các vật liệu kiểu này là
trung gian phonon trong các v
ật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp,” –
Kristjan Haule, m
ột nhà vật lý lý thuyết ở Đại học Rutgers (Mỹ)
đang làm việc trong một nhóm cũng đang nghi

ên cứu về loại vật
liệu này. “Tuy nhiên, chúng tôi đã tiến hành các tính toán bằng lý
thuyết phiếm hàm và giả thiết rằng TC hầu như phải xung quanh 1
K nếu như các phonon có chức năng đó”. Nhóm của Haule đã tính
toán được rằng các hợp chất không pha tạp LaOFeAs có tính kim
loại rất tồi ở nhiệt độ thấp và hầu như là một chất cách điện. Haule
nói trên Physicsworld.com: “Đây là một bằng chứng mạnh mẽ để
nói rằng tính siêu dẫn không phải được trung gian bởi các phonon,
tính chất đòi hỏi phải ở trạng thái kim loại rất tốt với các hạt tải
kết hợp”.
Hình 2. S
ự thay đổi của điện trở suất và độ
cảm từ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật liệu.
Tính chất chuyển pha xảy ra ở 26 K (J. Am.
Chem. Soc. 130 3296).
Thật vậy, tính kim loại kém này giống như các chất siêu dẫn nhiệt
độ cao bị pha tạp nhẹ
- Haule giải thích thêm. Theo nhóm của
Haule, điều n
ày có nghĩa rằng các lý thuyết liên kết yếu – ví dụ lý
thuyết thăng giáng spin – từng được giả thuyết trong quá khứ để
mô tả các hợp chất cuprates sẽ không còn hữu ích để giải thích tính
siêu dẫn trong các hợp chất LaOFeAs. Và các kết quả nghiên cứu
thực nghiệm sơ bộ từ nhóm của Hosono rất phù hợp với những
phát hiện này.
V
ật liệu siêu dẫn mới này cũng là một bằng chứng để chứng tỏ
rằng tính siêu dẫn không bị hạn chế bởi các ôxit đồng và một vài
h
ợp chất khác dựa trên Uranium (U), Cerium (Ce), Plutonium (Pu).

M
ặc dù tính siêu dẫn có thể bị phá hủy bởi từ trường cao, nhưng
khám phá đ
ã chỉ ra rằng thậm chí nó có thể tồn tại trong các vật
liệu có từ tính mạnh (ví dụ như Sắt khi được bao quanh bởi các
nguyên tử thích hợp, mà trong trường hợp này là As). Hơn nữa,
hiệu ứng này có liên quan đến tính chất quỹ đạo của điện tử, mà
thường bị bỏ quên trong các hợp chất cuprates, cũng có thể đóng
vai trò quan trọng. Haule tin rằng loại vật liệu siêu dẫn mới này có
th
ể cực kỳ quan trọng cho công nghệ nhưng vẫn rất cần nhiều
nghiên cứu thêm trước khi nói gì một cách chắc chắn.
SILICON siêu dẫn ở nhiệt độ phòng
Các nhà khoa học Đức và Canada tuyên bố vượt qua siêu th
ử thách
của ngành điện tử, đó là tạo ra chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng mà
ch
ỉ dùng các hợp chất thông thường.
Với khí SiH4 ở áp suất cao, các nhà khoa học đã tạo ra được vật
liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Source: Wikipedia
Đầu năm nay, TTCN đã tóm tắt về sự tiến triển trong việc tìm
kiếm vật liệu siêu dẫn. Có lẽ bước tiến quan trọng nhất trong lĩnh
vực này đã được một nhóm các nhà khoa học của Canana và Đức
thực hiện thành công và đã được công bố mới đây. Nhóm này đã
phát tri
ển được một hợp chất siêu dẫn ở nhiệt độ thường bao gồm
silicon và Hydro mà không cần bộ máy làm lạnh.
Chìa khóa của hiện tượng siêu dẫn ở nhiệt độ thường là áp suất,
yếu tố mà trước đây được coi là rào cản không thể vượt qua trong
ngành điện tử. Một số hợp chất, nếu được nén ở áp suất lớn sẽ có

những đặc tính đặc biệt, trong đó có siêu dẫn.
Giáo sư John Tse của Đại học Saskatchewan (University of
Saskatchewan) Canada nói "Nếu hợp chất của Hydro được đặt
dưới áp suất đủ lớn th
ì chúng sẽ có tính siêu dẫn. Tính siêu dẫn
này có thể được bảo toàn ngay cả ở nhiệt độ cao, không cần được
làm lạnh."
Thế nhưng trong nhiều năm nay, những cố gắng để nén Hydro đến
mức cần thiết đều đi đến thất bại. Những nhà nghiên cứu Canada
và Đức đ
ã tìm được chìa khóa của vấn đề mà mọi người khác thất
bại, đó là pha tạp Silicon vào Hydro.
Ch
ất siêu dẫn mới là một hợp chất có tên "Silane". Hợp chất này
có c
ấu trúc tương tự Metal với nguyên tử Si thay cho nguyên tử C
ở tâm.
Giáo sư Tse đ
ã phát triển phần lí thuyết của hiện tượng siêu dẫn
của Silane với sự giúp đỡ của Yansun Yao một nghiên cứu sinh
tại Đại học Saskatchewan. Lí thuyết này đã được chứng minh bằng
thực nghiệm bởi nhà nghiên cứu Mikhail Eremets tại Học viện
Max Planck (Max Planck Institute) Đức.
Các nhà khoa học hy vọng rằng những kết quả trên s
ẽ nhanh chóng
được áp dụng trong công nghiệp, trong đó có cả làm dây dẫn điện
cho các siêu máy tính.