Chất siêu dẫn: Vật chất của thế kỷ 21

Chất siêu dẫn: Vật chất của thế kỷ 21
Gần một thế kỷ trước, nhà vật lý Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes đã làm giới khoa học phải
sửng sốt khi ông phát hiện ra rằng, nếu tôi một số kim loại trong nhiệt độ cực thấp, dòng
điện sẽ chạy qua mà không làm hao hụt chút năng lượng nào cả.
Chất siêu dẫn đang dần đi vào ứng dụng cuộc sống hiện đại.
Điều này có một trở ngại: Kim loại cần phải được giữ lạnh trong nhiệt độ thấp đến nỗi không thể
ứng dụng được vào bất cứ mục đích thương mại nào. Ngày nay, chất siêu dẫn - khám phá của
Onnes - đang được thử nghiệm nhằm tìm ra phương pháp hạn chế nguy cơ mất điện trên diện
rộng.
Robert Hawsey, Giám đốc Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge thuộc Trung tâm Công nghệ
Siêu dẫn Mỹ, hào hứng nói: "Nó sẽ hoạt động, chắc chắn sẽ hoạt động. Cáp sợi quang cũng phải
mất 20 năm để từ phòng nghiên cứu trở thành xương sống cho xa lộ thông tin ngày nay. Sau gần
20 năm phát triển, một thế hệ siêu dẫn mới đang đi ra từ bóng tối, trở thành những ứng dụng rộng
rãi".
Chất siêu dẫn có một số đặc tính gần gũi với kỹ thuật nghe nhìn công nghệ cao, bởi vì chúng
không có điện trở. Về nguyên tắc, khi dòng điện bắt đầu chạy trong một vòng siêu dẫn, gần như
nó có thể chạy... mãi. Cùng kích thước, chất siêu dẫn mang một lượng điện lớn hơn dây điện và
dây cáp tiêu chuẩn. Vì vậy, thành phần siêu dẫn có thể nhỏ hơn nhiều so với các chất khác hiện
nay. Và điều quan trọng là chất siêu dẫn không biến điện năng thành nhiệt năng. Điều này đồng
nghĩa với việc một máy phát hoặc chip máy tính siêu dẫn có thể hoạt động hiệu quả hơn nhiều so
với hiện nay.
Tuy nhiên, chất siêu dẫn có những hạn chế riêng - chúng "cầu kỳ" hơn nhiều so với các dây dẫn
điện tiêu chuẩn. Nếu dòng điện chúng mang theo hoặc từ trường mà chúng gặp phải quá mạnh,
chất siêu dẫn sẽ biến thành dây dẫn thông thường nhanh hơn cả cỗ xe của Lọ Lem biến thành quả
bí đỏ.
Vấn đề tiếp theo là giữ lạnh. Để cho chất siêu dẫn của mình hoạt động được, Onnes phải sử dụng
heli lỏng ở 4oK (trên điểm 0 tuyệt đối 4o, nơi phân tử ngừng chuyển động). Đến giữa những năm
1980, chất siêu dẫn truyền thống đã tìm thấy một số thị trường phù hợp. Nhưng chi phí giữ lạnh
quá cao ở nhiệt độ lỏng của heli chính là cản trở lớn đối với bất cứ ai có ý định ứng dụng rộng rãi
chất siêu dẫn.
Năm 1986, hai nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của IBM ở Zurich đã phát hiện một điều tương

tự như Onnes - một hợp chất gốm mất điện trở ở nhiệt độ 35oK. Công trình của họ đã thu hút sự
chú ý đặc biệt của giới khoa học. Chỉ trong vòng vài tuần, nhiều nhóm khác cũng tuyên bố đã tìm
được nhiều loại gốm khác có thể trở thành chất siêu dẫn ở 94oK, đủ để làm lạnh bằng nitơ lỏng rẻ
tiền hơn.
Kể từ đấy đến nay, nhiều vật liệu gốm khác đã được phát hiện ra là có tính năng siêu dẫn tại
130oK (nói một cách tương đối là nóng trắng trong thế giới siêu dẫn, nhưng vẫn còn cách điểm
đông của nước 140oC). Nhưng giới nghiên cứu lại vấp phải một thách thức lớn khác: làm thế nào
để biến gốm thành dây dẫn?
Các hệ thống siêu máy tính không thể thiếu được chất siêu dẫn.
Nhiều công ty của Mỹ và Nhật đã giải bài toán này bằng cách thiết kế "dây dẫn" dạng băng để sử
dụng trong cáp, động cơ và thiết bị nhằm giảm bớt những va chạm trong dòng điện mà chúng
cung cấp. Trong những năm vừa qua, hải quân Mỹ cũng tham gia khá nhiều vào lĩnh vực siêu dẫn.
Hiện nay, họ đang thử nghiệm một trong hai động cơ siêu dẫn nguyên mẫu - một thiết bị 5.000 mã
lực do Công ty American Superconductor sản xuất.
Để phát huy được sức mạnh, tàu phải chở được nhiều hơn, đồng nghĩa với việc máy móc phải
càng nhỏ càng tốt. Và động cơ siêu dẫn là một trong những câu trả lời khả dĩ nhất. Theo Steinar
Dale, nhà nghiên cứu ĐH Florida, một khi đã giải quyết được công nghệ động cơ, các hướng tiếp
cận tương tự có thể được vận dụng để xây dựng máy phát siêu dẫn thật nhỏ, cung cấp năng
lượng cho một thế hệ vũ khí mới trên tàu và máy bay. Đồng thời, những kỹ thuật tương tự cũng có
thể được áp dụng cho việc phóng phi thuyền từ tàu sân bay.
Một số ứng dụng của chất siêu dẫn:
Tàu đệm từ. Nam châm siêu dẫn mạnh sẽ trở nên nhỏ hơn và tốn ít năng lượng hơn các nam
châm điện như hiện nay.
Siêu máy tính. Các nút bấm tí hon làm bằng chất siêu dẫn sẽ giúp máy tính đạt được tốc độ một
nghìn nghìn tỉ phép tính mỗi giây.
Bom E. Từ trường siêu dẫn sẽ tạo ra một dao động để huỷ thiết bị truyền động điện tử. Thiết bị
này đã từng được quân đội Mỹ sử dụng năm 2003.