Chất bán dẫn và chất siêu dẫn

CHẤT DẪN ĐIỆN
CHẤT SIÊU DẪN
Giảng viên: Nguyễn Đăng Nhật
Năm học: 2011-2012
1.Chất siêu dẫn
1.Chất siêu dẫn
1.1 khái niệm
1.2 Lịch sử
1.3 ứng dụng
1.1 Khái niệm
1.1 Khái niệm
Siêu dẫn là hiệu ứng vật lý xảy ra đối với một
số vật liệu ở nhiệt độ đủ thấp và từ trường đủ
nhỏ, đặc trưng bởi điện trở bằng 0 dẫn đến
sự suy giảm nội từ trường (hiệu ứng
Meissner). Siêu dẫn là một 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
a.
a.
Siêu dẫn nhiệt độ cao
Siêu dẫn nhiệt độ cao
Siêu dẫn nhiệt độ cao, trong
vật lý học, nói đến hiện tượng
siêu dẫn có nhiệt độ chuyển
pha siêu dẫn từ vài chục
Kelvin trở lên. Các hiện 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
Siêu dẫn ở nhiệt độ cao
b.
b.
Hiệu ứng Meissner
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 hoàn 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.
c.
Lý thuyết BCS
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 siêu
dẫn. Lý thuyết này giải thích rất thành
công những 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 tưởng 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 bền 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 dàng 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 thể 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 bình 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 trình 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.
2.
Lịch sử
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 thể 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 nhà khoa học Alex Muller và Georg Bednorz
tình cờ 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, nghiên cứu về siêu dẫn cũng đã được các nhà khoa học 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 tạo ra được một số vật liệu siêu dẫn thuộc loại rẻ tiền
Sự khác biệt giữa vật siêu dẫn và
Sự khác biệt giữa vật siêu dẫn và
vật dẫn điện hoàn hảo la’?
vật dẫn điện hoàn hảo la’?
•
Từ trường bên trong vật dẫn điện hoàn
hảo và vật siêu dẫn dưới tác động của
môi trường ngoài ở nhiệt độ phòng và
nhiệt độ thấp (nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ
Curi). Từ trường bị đẩy ra khỏi vật siêu
dẫn 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 là trạng thái không
thuận nghịch.
3.
3.
Ứng dụng hiện tượng siêu dẫn
Ứng dụng hiện tượng siêu dẫn
•
Chuyển tải điện năng
•
Đoàn tầu chạy trên đệm từ
•
Tạo ra Máy gia tốc mạnh

•
Máy đo điện trường chính xác
•
Cái ngắt mạch điện từ trong máy tính điện
tử siêu tốc
•
Máy quét MRI dùng trong y học
3.1
3.1
chuyển tải điện năng
chuyển tải điện năng
• Sự phát triển của ngành điện hiện đại, điện vật lý, vật lý năng lượng cao, tổng hợp
nhiệt hạch có điều khiển, công nghệ cao về y học và nhiều ngành khoa học kỹ thuật
khác không thể có được nếu không sử dụng rộng rãi những thiết trí ứng dụng hiện
tượng siêu dẫn.
• Trong thuật ngữ kỹ thuật, vật liệu siêu dẫn được chia thành hai loại: Vật liệu siêu
dẫn nhiệt độ thấp (VSNT) hoạt động ở mức nhiệt độ hêli và các vật liệu siêu dẫn
nhiệt độ cao (VSNC) có khả năng hoạt động ở cấp nhiệt độ sôi của nitơ lỏng (~ 77
K).
Trong số rất nhiều hợp kim và hợp chất VSNT có thể có, sau gần bốn mươi năm
tiến hành lựa chọn, người ta đã xác định được hai vật liệu đầu bảng là hợp kim Nb
-Ti được biến dạng và hợp chất giữa các kim loại Nb3Sn, về nguyên tắc thoả mãn
được những đòi hỏi chủ yếu của ngành điện và điện vật lý. Chính các vật liệu Nb -Ti
và Nb3Sn tại nhiệt độ làm việc từ 1, 8 đến 8 K thực tế đảm bảo mức yêu cầu trên
toàn bộ dải từ trường và mật độ dòng làm việc trong các thiết trí kỹ thuật điện và
điện vật lý.
Những VSNC chính đang được sử dụng ngày nay là những vật liệu trên cơ sở các
hợp chất: Bi2Sr2CaCu2Ox (Bi-2212); Bi2Sr2Cu2CXu3Ox (Bi - 2223) và YBa2Cu3O7
(Y-123).
Các chất siêu dẫn trên cơ sở của hợp chất Bi -2212 do nhiệt độ tới hạn tương đối

thấp (90 K) không có ý nghĩa để sử dụng ở cấp nhiệt độ sôi của nitơ lỏng. ở các
nhiệt độ từ hêli đến hyđrô, chúng có khả năng tải dòng vượt trội hơn các vật liệu
nhiệt độ thấp trong các từ trường mạnh (Nb-Ti; Nb3Sn) ở nhiệt độ 4, 2 K. Về kết
cấu, dây dẫn Bi -2212 được chế tạo bằng phương pháp "bột tán - trong ống" chủ
yếu ở dạng băng (dải) và đôi khi ở dạng các dây xoắn trong lớp vỏ bọc bằng bạc
hoặc hợp kim bạc.
• Ngày nay ở các nước phát triển (Mỹ, châu Âu, Nhật) và hàng
loạt các nước đang phát triển (Trung Quốc, Hàn Quốc) đang
diễn ra bước quá độ từ giai đoạn nghiên cứu triển khai sang
giai đoạn sản xuất công nghiệp với sản lượng tương đối lớn
các vật liệu siêu dẫn kỹ thuật trên cơ sở các vật liệu siêu dẫn
nhiệt độ cao (VSNC) và thử nghiệm chúng với việc chế tạo
hàng loạt các thiết trí mẫu kỹ thuật điện ở nhiệt độ cực thấp
như cáp điện lực, bộ dẫn dòng, bộ hạn chế dòng, máy biến áp,
động cơ và máy phát điện, các hệ thống từ, v.v.
Rất nhiều công ty hàng đầu như AMSC (Mỹ), EAS, Trithor
(Đức), Sumitomo Electric Industry (SEI), Furukawa, Hitachi
(Nhật), Innova ST (Trung Quốc), có sản lượng dây dẫn VSNC
đạt tới 1.000 km mỗi năm. Nhiều dự án xây dựng các xí nghiệp
công nghiệp đang được tích cực thực hiện với sản lượng lên
tới 20.000 km một năm (AMSC - Mỹ). Khối lượng vốn đầu tư
của cả tư nhân, cũng như của nhà nước cho việc nghiên cứu
triển khai các công nghệ này ở Mỹ lên tới 100 triệu USD mỗi
năm
3.2 Đoàn tàu chạy trên đệm từ
3.2 Đoàn tàu chạy trên đệm từ
•
Dựa vào "nam châm siêu dẫn", người Nhật và
người Đức thiết kế ra các đoàn tầu chạy trên
đệm từ. Người Nhật đã thử nghiệm với khoảng

3 - 4 công nghệ tầu chạy trên đệm từ khác
nhau, lấy tên là Maglev dựa theo: thực hiện
phép nâng điện - động lực học bằng cách tạo
ra 2 từ trường đối nhau giữa các nam châm
siêu dẫn đặt trên con tầu và những cuộn dây
lắp trong đường ray hình chữ U bằng bê tông.
•
Sau đây là một hình mẫu
nhiều triển vọng nhất đã thử
nghiệm đến lần thứ ba, có
thông số kỹ thuật: tầu chạy từ
Tokyo đến Osaka cách nhau
khoảng 500km, mục tiêu chở
100 khách chạy trong một giờ.
Từ trường do nam châm siêu
dẫn tạo ra cực mạnh đủ để
nâng con tầu lên 10 cm khỏi
đường ray. Đường ray có mặt
cắt hình chữ U, trên nó có lắp
3 cuộn dây từ, được cung cấp
điện bởi các trạm nguồn đặt
dưới đất dọc đường tầu. Nam
châm siêu dẫn đặt trên tầu và
đặt trong những bình chứa
Helium đã hoá lỏng, tạo ra
nhiệt độ thấp là 269 độ dưới
không độ, khi có dòng điện đi
qua, sinh ra một từ trường
khoảng 4,23 tesla nâng tầu
bổng lên trong khung đường

ray chữ U.
3.3 máy gia tốc mạnh
3.3 máy gia tốc mạnh
Máy gia tốc hạt vòng xuyến
• Một ứng dụng quan trọng khác nữa là, có thể tạo ra
được máy gia tốc mạnh để nghiên cứu đặc tính gốc của
nguyên tử. Người ta dùng những nam châm cực mạnh
để bẻ cong các chùm hạt, làm cho chúng chạy theo
đường tròn để chúng va đập vào nhau, qua đó nghiên
cứu những "mảnh" sinh ra do những va đập mạnh đó;
người ta gọi đó là "siêu va đập siêu dẫn", dựa theo
nguyên tắc này, các nhà khoa học Mỹ đang tiến hành
xây dựng một "máy gia tốc cực mạnh" trong đường hầm
dài 88 km ở bang Texec để nghiên cứu các hạt cơ bản
của vật chất.
3.4Máy quét MRI dùng trong y
3.4Máy quét MRI dùng trong y
học
học
•
các nhà khoa học khai thác
hiện tượng siêu dẫn trong các
ứng dụng đặc biệt như máy
chụp cắt lớp cộng hưởng từ
(MRI) và máy tạo sự va đập
của các hạt vật lý năng lượng
cao, được làm lạnh bằng Heli
lỏng. Nhưng các ứng dụng
thông dụng hơn như việc thay
thế hệ thống đường dây điện

bằng các loại dây siêu dẫn vẫn
chưa thể thực hiện được nếu
không có các vật liệu có khả
năng siêu dẫn ở nhiệt độ cao
hơn.
3.4 ứng dụng khác
3.4 ứng dụng khác
•
một ứng dụng vô cùng quan trọng nưa là khả năng giữ
được trạng thái thứ tư cua vật liệu-trạng thái plasma.
Chúng ta biết rằng phản ứng nhiệt hạch (Thermonuclear
reactions) với khả năng tạo ra một năng lượng khổng lồ,
hãy thử hình dung năng lượng được tạo ra do phản ứng
nhiệt hạch từ một gam D-T tương đương với năng
lượng từ 10000 lits dầu.Nhưng ở trạng thái plasma với
thành phần chủ yếu là Hidro nà hêli và nhiệt độ khoảng
60000C sẽ không co loại vật liệu nào có thể giữ, khống
chế được nguồn năng lương này. Với khả năng ưu việt
của mình các Ions và electrons quay xung quanh các
đường từ trường tạo ra một áp lực tử vô cùng lớn có thể
giữ được trạng thái plasma trong các lò phản ứng hạt
nhân.
4.1 Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao
4.1 Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao
dựa trên nền sắt đầu tiên
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 siêu 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) và xảy ra

như thế nào. Và mới đây, các nhà khoa học ở Nhật Bản đã 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 hiểu 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 làm
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).