BC hiện tượng siêu dẫn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ
----------

Đề tài:

GVHD:

Nhóm 5:

MSSV:

Dương Quốc Chánh Tín

- Nguyễn Tô Bảo Kha

B1500791

- Lê Phương Anh

B1500828

- Hà Chí Cường

B1500833

- Nguyễn Thị Bảo Trang B1500871
- Nguyễn Hoàng Tỷ

B1500876

- Ngô Thị Phương Yến

B1500877

Cần Thơ, 2016


Đặt vấn đề
Chủ đề “ Hiện tượng siêu dẫn” được nhóm chúng em nghiên cứu với mong muốn
được nâng cao hiểu biết của mình về hiện tượng siêu dẫn, nhanh chóng tiếp cận với
những kiến thức và những ứng dụng mới lạ của hiện tượng này trong khoa học – đời
sống.
Chúng ta đã biết điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ, khi nhiệt độ giảm đều thì
điện trở của kim loại giảm cũng giảm đều. Tuy nhiên không phải đa số các vật liệu đều
có tính chất này. Một đặc tính kỳ diệu của một số vật liệu là dưới một nhiệt độ nhất định
(tùy theo từng chất) điện trở suất của vật liệu bằng không, độ dẫn điện trở nên vô cùng.
Đó là hiện tượng siêu dẫn. Hiện tượng lý thú này được phát hiện lần đầu tiên ở thủy ngân
cách đây gần một thế kỷ (năm 1911) ở vùng nhiệt độ gần không độ tuyệt đối (≤ 4,2 K).
Sau này, tính chất siêu dẫn đã được tìm thấy ở hàng loạt kim loại, hợp kim và hợp chất.
Ngoài ra, người ta còn phát hiện thấy với chất siêu dẫn từ trường bên trong nó luôn
luôn bằng không và có hiện tượng xuyên ngầm lượng tử... Các chất siêu dẫn đã được ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực điện, điện tử… Các thiết bị có độ nhạy, độ tin cậy cực cao đã
được chế tạo. Ví dụ: thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ dùng trong các bệnh viện để chuẩn
đoán chính xác bệnh con người đã sử dụng cuộn dây tạo từ trường bằng dây siêu dẫn.
Nhiều nhà khoa học đã cho rằng, việc phát minh ra chất siêu dẫn có thể so sánh với
việc phát minh ra năng lượng nguyên tử, việc chế tạo ra các dụng cụ bán dẫn. Thậm chí
một số nhà khoa học còn so sánh vơi việc phát minh ra điện. Các vật liệu siêu dẫn sẽ đưa
đến sự thay đổi lớn lao về kĩ thuật, công nghệ, kinh tế và đời sống xã hội. Ngày nay KHKT đã và đang phát triển đòi hỏi các nhà khoa học phải vận dụng và khai thác tối đa các
ứng dụng của chất siêu dẫn để phục vụ cho con người trong mọi lĩnh vực. Qua đó có thể

thấy các ứng dụng gần gũi đối với con người về chất siêu dẫn.
Hiện tượng siêu dẫn mang đến một sức hút kì lạ bởi những ứng dụng hết sức rộng rãi và
kì diệu. Và đó cũng là một trong những động lực để nhóm thực hiện nghiên cứu về
“Hiện tượng siêu dẫn” với mong muốn được nâng cao hiểu biết của mình về vấn đề
này, nhanh chóng tiếp cận với những kiến thức và những ứng dụng mới lạ của hiện tượng
siêu dẫn.
Trong tài liệu này, chúng em có trình bày về những lý thuyết liên quan, khái niệm, đặc
điểm của hiện tượng (hay vật liệu) siêu dẫn và cuối cùng là những ứng dụng cụ thể trong
khoa học – đời sống. Hy vọng tài liệu này sẽ là một tư liệu bổ ích cho các bạn sinh viên,


cũng như những người đam mê khoa học có mong muốn tìm hiểu thêm về hiện tượng
siêu dẫn – một vấn đề còn rất nhiều điều kỳ bí.

I. Hiện tượng siêu dẫn
I.1. Khái niệm hiện tượng siêu dẫn
Siêu dẫn là một trạng thái vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn (T c) mà ở đó nó cho
phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở và khi đặt siêu dẫn vào trong
từ trường thì từ trường bị đẩy ra khỏi nó.
Kiến thức lớp 11: Khi nhiệt độ hạ xuống dưới nhiệt độ T c nào đó, điện trở của kim
loại (hay hợp kim) đó giảm đột ngột đến giá trị bằng không.

R(W )

80
60
40
20
0
0

20

40

60

(K)
Hình 1.1
Sự mất điện trở của chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấp
I.2. Điện trở không
Về nguyên tắc, ở dưới nhiệt độ chuyển pha, điện trở của chất siêu dẫn xem như hoàn
toàn biến mất. Nhưng thực chất trong trạng thái siêu dẫn, điện trở thành không hay là có
giá trị rất nhỏ thì không thể chứng minh được bởi vì điện trở của nhiều chất trong trạng
thái siêu dẫn có thể nhỏ hơn độ nhạy mà các thiết bị đo cho phép có thể ghi nhận được.
Trong trường hợp nhạy hơn, cho dòng điện chạy xung quanh một xuyến siêu dẫn khép
kín, khi đó nhận thấy dòng điện hầu như không suy giảm sau một thời gian rất dài. Giả
thiết rằng tự cảm của xuyến là L, khi đó nếu ở thời điểm t = 0 ta bắt đầu cho dòng I(0)
chạy vòng quanh xuyến, ở thời gian muộn hơn t ≠ 0, cường độ dòng điện chạy qua xuyến
tuân theo công thức:

I(t)=i(0)e(-R/L)

Ở đây R là điện trở của xuyến.

I.3. Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha
Ở nhiệt độ xác định (Tc) điện trở của một chất đột ngột biến mất - chất đó có thể cho
phép dòng điên chạy qua trong trạng thái không có điện trở (trạng thái siêu dẫn). Chất có
biểu hiện trạng thái siêu dẫn gọi là chất siêu dẫn. Nhiệt độ mà tại đó điện trở hoàn toàn

biến mất được gọi là nhiệt độ tới hạn (nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn T c) là to mà tại đó
một chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn.
Khoảng to từ khi điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến khi bằng 0 gọi là độ rộng
chuyển pha siêu dẫn (∆T), nó phụ thuộc bản chất của từng vật. Ví dụ: độ rộng chuyển
pha của Hg là ∆T = 5.10-2 K.

II.1. Tính chất từ
II.1.1. Tính nghịch từ của vật dẫn lí tưởng
Chất siêu dẫn ở dưới nhiệt độ chuyển pha của nó biểu hiện không có điện trở và được
gọi là vật dẫn lý tưởng (vật dẫn hoàn hảo). Giả thiết rằng: làm lạnh mẫu kim loại xuống
dưới nhiệt độ chuyển pha của nó, mẫu trở thành vật dẫn hoàn hảo. Điện trở vòng quanh
đoạn đường khép kín tưởng tượng bên trong kim loại là 0. Do đó, tổng từ thông bao
quanh vật là không đổi. Nó chỉ đúng trong những trường hợp:

= 0 (tức

, với

: mật độ từ thông) → Sự phân bố từ thông trong kim loại cần phải được duy trì giống
như trước khi kim loại mất điện trở. Và giả thiết rằng: mẫu bị mất điện trở khi không có
từ trường ngoài tác dụng. Vì mật độ từ thông trong kim loại không thay đổi, cho nên nó
phải là 0 thậm chí cả sau khi có từ trường đặt vào. Thực tế, từ trường có tác dụng nên
mẫu siêu dẫn gây ta dòng điện chạy quanh bề mặt mẫu, tạo ra mật độ từ thông ở mọi nơi
trong lòng mẫu, chính xác bằng và ngược chiều với mật độ từ thông của từ trường ngoài.
Vì các dòng này không biến mất, nên mật độ từ thông mạng bên trong vật liệu vẫn duy trì
là 0. Các dòng mặt I sinh ra mật độ bên trong kim loại (thường gọi là các dòng chắn)
→ Mật độ từ thông tạo nên do những dòng mặt dư (persistent) không biến mất ở biên
của mẫu, mà các đường từ thông tạo thành các đường cong khép kín liên tục 14 vòng qua
không gian bên ngoài mẫu, mặc dù mật độ từ thông này ở mọi nơi bên trong mẫu là bằng

nhau và ngược với từ thông sinh ra do từ trường ngoài. Giả thiết rằng, từ trường Ba được
đặt vào khi mẫu ở trên t o chuyển pha. Sau đó mẫu được làm lạnh đến t o thấp sao cho điện
trở của nó biến mất (Sự biến mất điện trở không gây ảnh hưởng lên độ từ hóa và sự phân
bố từ thông vẫn duy trì không đổi). Khi giảm từ trường về 0 thì mật độ từ thông bên trong
kim loại có độ dẫn lý tưởng không thay đổi và dòng bề mặt sẽ xuất hiện để duy trì từ
thông bên trong nó. → Trạng thái từ hóa của vật dẫn lý tưởng không xác định duy nhất
bằng các điều kiện bên ngoài, mà phụ thuộc vào chuỗi các điều kiện tại vị trí đang tồn tại.


II.1.2. Vật siêu dẫn không lý tưởng
Các mẫu lý tưởng là các mẫu không chứa tạp chất hoặc không có những sai hỏng về
tinh thể. Mẫu lý tưởng có từ trường tới hạn rất sắc nét và đường cong từ hóa lá hoàn toàn
thuận nghịch.Có thể thấy rằng độ từ hóa là không thuận nghịch khi từ trường tăng và
giảm, các đường cong từ hóa biểu hiện khác nhau, (xuất hiện hiện tượng từ trễ). Khi từ
trường giảm đến 0 vẫn có thể còn sót lại một chút độ từ hóa dương của mẫu và nó làm
tăng mật độ từ thông riêng BT và độ từ hóa I r, (hiện tượng từ thông bị hãm). Trong điều
kiện này, siêu dẫn giống như nam châm vĩnh cửu. Như vậy mẫu không lý tưởng cho thấy:
•

Có ba từ trường tới hạn khác

•

Có đường cong từ trễ.

nhau (HC1, HC2 và HC3).

•

Có từ thông bị hãm (bẫy).

Thực tế, nhiều mẫu không hoàn hảo như vậy. Nhưng vẫn có khả năng chế tạo những mẫu
gần như lý tưởng sao cho chúng biểu hiện các tính chất gần giống vật liệu lý tưởng.
II.1.3. Hiệu ứng Meissner
Hiệu ứng Meissner cho biết, chất siêu dẫn biểu hiện tính chất: Trong lòng nó các
đường cảm ứng từ

=0. Nghĩa là, siêu dẫn biểu hiện như một chất nghịch từ lý tưởng.

Hệ số từ hóa của chất siêu dẫn trong hệ ( CGS) sẽ là:
II.1.4. Từ trường tới hạn
Dưới tác dụng của từ trường đã làm cho trạng thái siêu dẫn → trạng thái thường. Giá
trị xác định của từ trường (Hc) (hay giá trị xát định làm mất trạng thái siêu dẫn) được gọi
là từ trường tới hạn (hay từ trường tới hạn nhiệt động):
Với H0 là từ trường tại T = 0 và tại T = T c thì Hc(Tc) = 0. Đường cong Hc phụ thuộc T
được gọi là đường cong ngưỡng. Đường này là ranh giới phân chia giữa trạng thái siêu
dẫn và trạng thái thường. Bên trong đường cong ngưỡng thuộc trạng thái siêu dẫn và bên
ngoài là trạng thái thường.
II.1.5. Dòng tới hạn
Dòng cực đại đạt dược trong trạng thái siêu dẫn được gọi là dòng tới hạn - I c. Năm
1913, Kamerlingh Onnes: Nếu trong dây siêu dẫn có dòng điện I lớn hơn dòng tới hạn I c
chạy qua thì trạng thái siêu dẫn cũng bị phá vỡ. Đó là hiệu ứng dòng tới hạn năm 1916
Silsbee: Vai trò quyết định để đưa vật liệu từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thường
trong hiệu ứng dòng tới hạn không phải do bản thân dòng lớn I gây ra mà chính là từ
trường do dòng I sinh ra trong dây dẫn đã phá vỡ trạng thái siêu dẫn . Thực nghiệm dây


siêu dẫn tròn có đường kính a, dòng trong dây siêu dẫn là I > Ic thì mối quan hệ giữa từ
trường tới hạn và các đại lượng I và a sẽ là:

công thức Silsbee

Ngoài khái niệm dòng tới hạn (Ic) thông thường, người ta còn dùng khái niệm mật độ
dòng tới hạn (Jc) để thay khái niệm dòng tới hạn (Đơn vị A/cm2). Các dòng trong chất
siêu dẫn đều chạy trên bề mặt bên trong đoạn đường thấm sâu, mật độ dòng giảm nhanh
từ một vài giá trị Ja ở bề mặt. Trạng thái siêu dẫn cũng bị phá vỡ nếu mật độ dòng siêu
dẫn vượt quá một giá trị xác định, đó là giá trị mật độ dòng tới hạn Jc.
Có hai sự đóng góp vào dòng điện chạy trên bề mặt chất siêu dẫn. Dòng điện chạy dọc
theo dây siêu dẫn từ nguồn bên ngoài như pin, acquy gọi là “dòng truyền” ( nó truyền
điện tích vào và ra khỏi dây). Nếu dây dẫn đặt trong từ trường, các dòng chắn sẽ bao
quanh để hủy các đường từ thông ở bên trong kim loại. Các dòng chắn này chồng lên trên
dòng truyền và ở nhiểu điểm, mật độ dòng có thể xem như là tổng các thành phần , do
dòng truyền và thành phần

được làm tăng lên từ các dòng chắn: =

+

Có thể dự đoán rằng siêu dẫn sẽ bị phá vỡ nếu độ lớn của tổng mật độ dòng
vượt quá mật độ dòng tới hạn

ở các điểm

. Phương trình London biểu diễn mối liên hệ giữa mật độ

dòng siêu dẫn ở các điểm và mật độ từ thông tại điểm đó:
Nếu tổng dòng điên chạy trên chất siêu dẫn là đủ lớn thì mật độ dòng ở bề mặt đạt đến
giá trị tới hạn Jc và độ lớn từ trường tham gia ở bề mặt sẽ có giá trị là H c. Ngược lại. Điều
này dẫn đến giả thuyết chung: “Chất siêu dẫn bị mất đi điện trở không của nó khi mà
tổng độ lớn từ trường do dòng truyền và từ trường đặt vào vượt quá độ lớn từ trường tới

hạn Hc tại các điểm trên bề mặt của nó”. Giá trị cực đại của dòng truyền dọc theo một
nguyên tố siêu dẫn không điện trở là dòng tới hạn của nguyên tố đó. Nếu không có từ
trường đặt vào, mà chỉ có từ trường được sinh ra do các dòng truyền, thì dòng tới hạn sẽ
là sinh ra độ lớn từ trường tới hạn Hc ở bề mặt vật dẫn (công thức và giả thuyết Silsbee).
Như vậy, độ lớn của Hc phụ thuộc vào to, nó giảm đi khi to tăng lên và trở thành 0 tại Tc.
Điều này chứng minh rằng Jc phụ thuộc vào to theo cách giống nhau.
II.1.6. Mối liên hệ giữa từ trường tới hạn và dòng tới hạn


Xét dây dẫn hình trụ có bán kính a và dòng điện chạy qua nó là i. Nếu không có từ
trường ngoài, thì dòng điện I sẽ sinh ra từ trường ở bề mặt dây dẫn với độ lớn H i tuân
theo phương trình sau: I=2πaHi. Dòng tới hạn tương ứng sẽ là: ic =2πaHi. Hệ thức này xác
định cách đo dòng cực đại của dây siêu dẫn. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng: trong
trường hợp không có từ trường ngoài, phương trình tiên đoán được chính xác giá trị i c.
Trong từ trường yếu hoặc khi không có từ trường thì giá trị dòng tới hạn của các chất siêu
dẫn có thể rất cao.
Xét nguyên nhân: Đầu tiên giả thiết rằng từ trường đặt vào có mật độ từ thông B a và độ
lớn từ trường

chạy dọc theo dây sinh ra từ trường bao quanh dây và độ lớn của

từ trường sinh ra trên bề mặt dây là: H i ≈ 2πa.Từ trường này và từ trường đặt vào là hai
vec tơ vuông góc với nhau, nên độ lớn H của từ trường tổng hợp ở bề mặt dây là:
hoặc

Giá trị dòng tới hạn ic xuất hiện khi H = Hc từ

phương trình trên ta có:

Ở đây Hc là hằng số, vì vẫy phương trình này

biểu diễn sự thay đổi của ic theo Ha:

đồ thị biểu diễn sự giảm

dòng tới hạn theo lớn của từ trường đặt vào theo chiều dọc tăng lên, có dạng một phần tư
của ellip, mật độ từ thông phân bố đều trên bề mặt của dây va các đường từ thông chạy
theo hình xoắn ốc. Giả thiết là từ trường không đủ mạnh để đưa chất siêu dẫn vào trạng
thái trung gian, Trong trường hợp này, tổng mật độ từ thông là không đồng đều trên bề
mặt dây. Độ lớn của từ trường cực đại xuất hiện dọc theo đường L. Do có hiện tượng khử
từ nên từ trường 2Ha đặt lên từ trường Hi để cho tổng từ trường là:
H=2H

Dạng thông thường của công thức Silsbee:
trong trường hợp này dòng tới hạn giảm tuyến tính theo sự tăng của

từ trường đặt vào cho đến khi đạt giá trị bằng 0 ở
II.1.7. Phân loại các chất siêu dẫn theo tính chất từ


Dựa vào hiệu ứng Meissner:
• Siêu dẫn loại I: hoàn toàn đúng.
• Siêu dẫn loại II: không hoàn toàn đúng. Đã tồn tại vùng trung gian (vùng hỗn hợp).

II.2. Tính chất nhiệt
II.2.1. Sự lan truyền nhiệt trong chất siêu dẫn
Xét quá trình điện trở hoàn trở lại với dây dẫn khi dòng điện chạy trong dây siêu dẫn
vượt quá dòng tới hạn. Giả thiết dây là hình trụ. Trong thực tế không có dây dẫn nào mà
toàn bộ chiều dài của nó, tất cả các nguyên tố dây dẫn có tính chất hoàn toàn đồng tính.
Giả thiết dòng điện chạy dọc theo dây dẫn và độ lớn của nó tăng cho đến khi vượt qua

dòng tới hạn ic (A) tại tiết diện A. Do tiết diện nhỏ nên A sẽ trở thành vật cản dòng điện
trong khi các phần khác của dây vẫn duy trì dòng siêu dẫn. Hậu quả này làm cho trong
dây dẫn xuất hiện một điện trở nhỏ r. Như vậy, tại tiết diện A dòng điện i xuyên suốt vật
liệu đã có điện trở và đồng thời tại đây nhiệt được sinra, Nhiệt lượng này tỷ lệ với i 2r. Kết
quả là nhiệt độ tại A tăng lên và xuất hiện dòng nhiệt chạy từ A dọc theo kim loại và đi
vào môi trường xung quanh.
Dòng nhiệt này phụ thuộc vào nhiệt độ tăng lên ở A, độ dẫn nhiệt của kim loại và nhiệt
lượng bị mất thông qua bề mặt dây dẫn. Nhiệt độ tại A sẽ tăng cho đên khi tỉ số dòng
nhiệt truyền từ A bằng i2r tại nơi mà nhiệt sinh ra. Nếu tỉ số nhiệt sinh ra là thấp thì t o tại
A chỉ tăng lên một lượng nhỏ, trong trường hợp này dòng siêu dẫn vẫn được duy trì. Nếu
nhiệt sinh ra có tỉ số lớn vì điện trở của A cao hoặc do dòng i là lớn, thì t o ở A có thể tăng
lên vượt quá Tc của dây dẫn.
Trong thực tế, sự xuất hiện dòng điện đã làm giảm từ nhiệt độ T c đến nhiệt độ Vậy, nếu có nhiệt sinh ra ở A thì các vùng cận kề với A cũng bị nung nóng lên trên nhiệt
độ Tc(i) và các vùng này sẽ trở thành vùng thường. Dòng điện i chạy qua các vùng
thường này và lại sinh ra nhiệt. Nhiệt lượng này lại đưa các vùng lân cận trở thành vùng
thường và cứ thế tiếp diễn. Kết quả, mặc dù dòng điện duy trì là hằng số, nhưng vùng
thường cứ thế mở rộng mãi ra từ A cho đến khi toàn bộ đây dẫn trở thành trạng thái
thường. Khi đó, trong trạng thái thường, điện trở của toàn bộ dây dẫn sẽ trở lại đúng giá
trị Rn . Nhờ vậy, vùng thường có thể mở rộng ra từ trung tâm điện trở cho đến toàn bộ
dây dẫn. Quá trình này gọi là sự truyền nhiệt, nó xuất hiện nhiều hơn nếu dòng tới hạn
lớn và điện trở ở trạng thái kim loại có giá trị cao.


Để tính sự truyền nhiệt, cần phải xác định dòng tới hạn. Việc đo dòng tới hạn của mẫu có
thể gặp khó khăn, đặc biệt là trong từ trường thấp hoặc là trong từ trường bằng 0, thường
có giá trị dòng rất cao. Hãy xét dòng siêu dẫn có độ dày đồng nhất và giả thiết là dòng tới
hạn đo được bằng cách tăng dòng điện chạy trong dây siêu dẫn cho đến khi quan sát được
hiệu điện thế. Nếu I < i c thì không có sự sụt thế dọc theo mẫu và cũng không có nhiêt
sinh ra trong mẫu. Tuy nhiên, các dây dẫn mang dòng điện tới mẫu thường là kim loại

không siêu dẫn. Như vậy, nhiệt sẽ sinh ra trong các dây dẫn đó do dòng điện chạy qua.
Kết quả là các phần cuối của mẫu tiếp xúc với dây dẫn sẽ nóng lên chút ít và tại đó i c sẽ
thấp hơn so với phần thân của mẫu. Do dòng điện tăng lên, các phần cuối của mẫu
chuyển thành phần thường tại nơi mà dòng điện nhỏ hơn so với i c thực của mẫu. Các
vùng thường còn lại tiếp tục lan rộng ra toàn bộ dây dẫn nhờ sự truyền nhiệt. Cuối
cùng,ta quan sát được hiệu diện thế ở mọi nơi có dòng điện nhỏ hơn dòng tới hạn thực.
Để làm giảm khả năng truyền nhiệt tới các điểm tiếp xúc, cần phải sử dụng các dây
dẫn dày sao cho nhiệt sinh ra tại các điểm tiếp xúc là nhỏ hoặc không đáng kể. Như vậy
có thể đo được dòng tới hạn của tiết diện mong muốn trước khi có sự truyền nhiệt bắt đầu
từ các điểm tiếp xúc. Đặc trưng sự trở lại của điện trở do sự truyền nhiệt là sự xuất hiện
hoàn toàn của điện trở thường, khi dòng điện xác định vượt qua dòng tới hạn. Kết quả,
vùng thường lan rộng chiếm suốt toàn bộ mẫu và trạng thái siêu dẫn bị phá vỡ.
II.2.2. Nhiệt dung của chất siêu dẫn
Nhiệt dung của một chất thường bao gồm sự đóng góp của mạng (phonon) và của điện
tử. Nó được biễu diễn theo công thức sau: C=

. Thông thường ở dưới

nhiệt độ chuyển pha, nhiệt dung của kim loại siêu dẫn là rất nhỏ, nhỏ hơn cả nhiệt dung
của kim loại ở nhiệt độ thường.
Thực nghiệm cho thấy tại điểm chuyển pha từ trạng thái thường → trạng thái siêu dẫn,
nhiệt dung có bước nhảy. Mặt khác, ở hai trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường phần
nhiệt dung của mạng βT3 là không đổi, vậy sự thay đổi nhiệt dung toàn phần ở trạng thái
siêu dẫn chỉ do sự đóng góp của nhiệt dung điện tử ً
γT. Một số thiết bị đo chính xác ở
nhiệt độ thấp đã chứnh minh được rằng ở trạng thái T < Tc, nhiệt dung điện tử của kim
loại trong trạng thái siêu dẫn thay đổi theo nhiệt độ theo quy luật sau:

, a và b

là các hằng số. Sự thay đổi theo hàm e mũ cho thấy t o đã làm tăng các điện tử bị kích
thích vượt qua khe năng lượng ở trạng thái cơ bản của chúng. Số điện tử bị kích thích


vượt qua khe cũng sẽ thay đổi bằng hàm e mũ theo t o, chứng tỏ trong trạng thái siêu dẫn
có sự tồn tại của các khe năng lượng (một đặc trưng cơ bản của trạng thái siêu dẫn).
Keesom và Bok: khi không có từ trường ngoài tác dụng, khi có sự chuyển pha siêu dẫn
thì nhiệt dung điện tử (ً
γT) cũng dạng gồm hai phần và có đặc trưng riêng. Tại điểm
chuyển pha T=Tc, bước nhảy của nhiệt dung có giá trị là:

. Tại T < Tc

nhiệt dung siêu dẫn giảm mạnh và không tuyến tính cho đến 0.
Ehrenfest: Chuyển pha nhiệt dung tại T = T c là chuyển pha loại II (đối xứng), chuyển
pha loại II có hai đặc điểm quan trọng: 1 là nó không đi kèm nhiệt Latent mà là các trạng
thái của hệ thay đổi liên tục tạo ra sự thay đổi đột ngột về sự đối xứng của hệ. 2 là nhiệt
dung có bước nhảy. Ở to chuyển pha, entropy của trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường
là như nhau. Trong trường hợp có từ trường tác dụng (H ≠0 ), nếu mẫu chuyển pha trong
vùng T ≤ Tc thì quá trình chuyển pha có kèm theo ẩn nhiệt (chuyể pha loại I). Sự tăng,
giảm entropy trong quá trình chuyển pha siêu dẫn có liên quan trực tiếp đến nhiệt dung.
II.2.3. Độ dẫn nhiệt của chất siêu dẫn
Độ dẫn nhiệt (k) của kim loại là vấn dề phức tạp, Ta biết rằng, năng lượng nhiệt được
truyền trong kim loại bằng cả điện tử và photon. Quá trình truyền nhiệt là quá trình va
chạm của từng loại hạt tải với chính loại đó, với các loại hạt tải khác, với các sai hỏng
mạng và các biên hạt (phụ thuộc nhiệt độ, nồng độ, tạp chất vá kích thước mẫu). Ở trạng
thái siêu dẫn còn phụ thuộc cả vào từ trường và các xoáy từ, Vì vậy, chỉ có thể xác định
được những thành phần tương đối đơn giản và để phân tích trong quá trình thực nghiệm.
Các kết quả thực nghiệm cho rằng: độ dẫn nhiệt (k) trong trạng thái siêu dẫn thấp hơn
nhiều so với trạng thái thường . Trạng thái siêu dẫn, độ dẫn nhiệt của vật liệu (kSD ) giảm

mạnh trong vùng nhiệt độ Tlỏng. Bản chất của nó là : Khi nhiệt độ giảm, nồng độ của chất siêu chảy điện tử tăng lên
(electron superfluid). Chất siêu chảy điện tử trong Heli lỏng không mang năng lượng cho
nên độ dẫn nhiệt bị giảm xuống theo nhiệt độ. Trong nhiều chất siêu dẫn khi Tdẫn nhiệt giảm giảm xuống xấp xỉ hoặc bằng 0.
→ Điện tử siêu dẫn không đóng vai trò trong sự dẫn nhiệt. Nó không được áp dụng để
chế tạo các công tắc nhiệt siêu dẫn trong kĩ thuật t o thấp. Hulm(siêu dẫn loại II), quá trình
chuyển pha siêu dẫn đã có sự tán xạ nhẹ của các sóng phonon lên các điện tử làm tăng
бSD (độ dẫn nhiệt). Các sóng này mất dần theo sự giảm nhiệt trong trạng thái siêu dẫn.
II.2.4. Hiệu ứng đồng vị


Các kết quả thực nghiệm thu đươc thỏa mãn hệ thức sau:

với α= .

Trong một dãy đồng vị, tỷ lệ giữa nhiệt dộ tới hạn (T c) và niệt độ Debye (θD ) là một
hằng số:

, Từ sự phụ thuộc của Tc vào khối lượng đồng vị cho thấy rằng tác

dụng quan trọng của các dao động mạng đến chất siêu dẫn và do đó các tương tác điện tử
và mạng cũng rất quan trọng trong trạng thái siêu dẫn. Bản chất của hiệu ứng đồng vị là:
Tc phụ thuộc vào số nơtron trong hạt nhân.
II.2.5. Các hiệu ứng nhiệt điện
Không xuất hiện trong chất siêu dẫn, có thể xuất hiện trong 1 số chất siêu dẫn loại II.
II.2.6. Các tính chất khác
Chất siêu dẫn không thay đổi kích thước khi chuyển pha trong từ trường bằng 0 (H=0).
Tuy nhiên có xuất hiện từ giảo nhỏ trong trạng thái siêu dẫn ở những t o thấp hơn và có sự
thay đổi đột ngột về kích thước khi mẫu trở lại trạng thái thường dưới tác dụng của từ

trường. Điều này cho thấy tính dị hướng của tinh thể. Trong siêu dẫn nhiệt độ cao tính dị
hướng đã được xác định ở nhiều hợp chất.
Trong trạng thái siêu dẫn (T < Tc) hệ số đàn hồi của vật thường nhỏ hơn trạng thái
thường. Siêu âm tắt dần trong chất siêu dẫn. Sự tắt dần này tương ứng với sự tương tác
của các sóng âm với các điện tử dẫn phonon và các sai hỏng mạng. Hiệu ứng này cho
thấy sự suy giảm điện tử. Khi nghiên cứu các hiệu ứng về suất điện động nhiệt điện
Daunt và Mendelssohn: hệ số Thomson của siêu dẫn chì gần bắng không nhỏ hơn rất
nhiều hệ số Thomson ở trạng thái thường. Các phép đo điện trở còn cho biết: điện trở
suất của chất siêu dẫn phụ thuộc lớn vào tần số lớn và tần số nhỏ.

III. Chất siêu dẫn nhiệt độ cao
III.1. Lý thuyết về chất siêu dẫn nhiệt độ cao
Do đặc điểm các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao hiện nay đều có cùng một cấu trúc gồm
các mặt tinh thể oxit đồng, nên các mô hình lý thuyết hiện nay thường tập
trung vào giải bài toán của mạng tinh thể oxit đồng trong không gian hai chiều. Mô
hình lý thuyết đơn giản nhất được đề ra hiện nay là mô hình Hubbard hai chiều
nhằm mô tả cấu trúc tinh thể này.
Cũng giống như hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ thấp, các nhà vật lý lý thuyết cho rằng
nguyên nhân của hiện tượng siêu dẫn là do sự xuất hiện các "cặp điện tử Cooper". Các


cặp điện tử này không còn tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli và có thể tạm hiểu rằng hai
điện tử được liên kết tạo thành một dạng phân tử Bose. Do đó các cặp điện tử này có thể
ngưng tụ lại cùng một trạng thái lượng tử ở nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ chuyển pha
nào đó, gần giống như hiện tượng ngưng tụ Bose trong vật lý nguyên tử lạnh. Chúng tạo
ra một trạng thái lượng tử đồng pha và là nguyên nhân của hiện tượng siêu dẫn. Tuy
nhiên, để tạo ra một cặp điện tử Cooper ta cần một
tương tác hút hiệu dụng giữa các điện tử, tương tự
tương tác "điện tử với phonon" trong lý thuyết
BCS. Đến nay, nguyên nhân của tương tác đó vẫn

chưa được tất cả các nhà khoa học cùng đồng tình,
chưa một lý thuyết nào đủ hoàn thiện để có thể giải
thích đầy đủ các tính chất và cấu trúc của các vật liệu này. Ngoài những tính toán lý
thuyết, những phương pháp mô phỏng số cũng đóng một vai trò rất quan trọng. Hiện nay
phương pháp DMFT1và phiên bản mở rộng của nó CDMFT đang cho nhưng kết quả rất
phù hợp với thực nghiệm.
III.2. Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình chứa Cu và Oxy
Từ năm 1988 đến nay, hàng loạt các oxit siêu dẫn chứa Cu được phát hiện ngoài
La(R)-214 và Y(R)-123 còn có họ hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình sau đây:
•

Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt là Bi-22(n-1)n với n=1,2,3…)

•

Ti2Ba2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt là Tl-22(n-1)n với n=1,2,3…)

•

HgBa2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt là Hg-12(n-1)n với n= 1,2,3…)

•

CuBa2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt là Cu-12(n-1)n với n=1,2,3…)

•

A1-xb2xCuO2 (A là kim loại đất hiếm, B là kim loại kiềm hoặc valency)

Các vật liệu siêu dẫn này có to chuyển pha đã vượt quá 120 K và cấu trúc của chúng cũng

đặc biệt hơn.

IV. Các ứng dụng của vật liệu siêu dẫn
IV.1. Tàu chạy trên đệm từ.
Kể từ khi có sự phát minh ra siêu dẫn, đã có rất nhiều sự quan tâm đặc biệt dành cho
những ứng dụng trong lĩnh vực điện từ. Ứng dụng dựa vào đặc tính từ trường được sử
dụng nhiều và đa dạng hơn ứng dụng vào việc giảm bớt điện trở rất nhiều.


Dựa vào "nam châm siêu dẫn", người Nhật và Đức thiết kế ra các đoàn tàu chạy trên
đệm từ. Người Nhật đã thử nghiệm với khoảng 3 - 4 công nghệ tàu 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 tàu và những cuộn dây
lắp trong đường ray hình chữ U bằng bê tông.
Ví dụ: tàu chạy từ Tokyo đến Osaka cách nhau khoảng 500km, mục tiêu chở 100
khách/h. Từ trường do nam châm siêu dẫn tạo ra cực mạnh đủ để nâng con tàu 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 tàu. Nam châm siêu dẫn đặt
trên tàu và đặt trong những bình chứa Helium đã hoá lỏng, tạo ra nhiệt độ thấp là 269 o
dưới không độ, khi có dòng điện đi qua, sinh ra một từ trường khoảng 4,23 tesla nâng tàu
bổng lên trong khung đường ray chữ U.
Nhờ lực hút và lực đẩy xen kẽ giữa hai cực Nam - Bắc của cuộn dây và nam châm,
con tàu cứ thế tiến lên phía trước. Điều khiển tốc độ nhờ điều chỉnh biến đổi tần số dòng
điện trong cuộn dây từ 0 đến 50 Hz và điều chỉnh tốc độ từ xa tại trung tâm điều khiển.
Để hãm tàu, người ta làm cách hãm như trên máy bay. Người Nhật đã phải vừa sản xuất
vừa thử nghiệm trong 7 năm với kinh phí trên 3 tỷ USD. Hệ thống trên đôi khi còn được
gọi là hệ thống "Vận tải trên bộ tốc độ cao" (High Speed Surface transport - HSST).
Theo hướng công nghệ HSST này, người Đức chế tạo ra tàu "Transrapid" chạy trên
đệm từ và cũng theo nguyên lý phát minh từ những năm 1960, đó là phương pháp nâng
điện từ nhờ tác động của những thanh nam châm đặt trên tàu, với những nam châm vô

kháng chạy bên dưới và hai bên đường tàu hình chữ T. Ước vận tốc đạt 450 km/h chạy
trên đường Berlin tới Hambourg, kinh phí khoảng 6 tỷ USD. Ngoài ra, người Pháp cũng
đã và đang quan tâm đến vấn đề vận tải siêu tốc trên bộ bằng siêu dẫn.
Vào tháng 12 năm 2003, tàu Yamanashi MLX01 đã được thử nghiệm với vận tốc
581km/h. Tuy nhiên các nhà khoa học cũng cảnh báo rằng các phương tiện giao thông sử
dụng công nghệ này có thể gây nguy hiểm
đến hệ sinh thái do từ trường rất mạnh.
IV.2. Máy chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI)
MRI (Magnetic Resonance Imaging) là
loại máy sử dụng nam câm siêu dẫn để có
một từ trường đủ mạnh để cho nguyên tử


hydro bên trong chất béo của con người và các phân tử nước được tăng lên mức năng
lượng nào đó có thể đo được bằng các dụng cụ đặc biệt. Dùng trong y học (quét ảnh bằng
cách đo tiếng dội lại của âm thanh) để khám các mô trong cơ thể người.
Khi bác sĩ cần kiểm tra những gì đang diễn ra trong cơ thể người bệnh, họ phải đặt vào
trong cơ thể một nguồn từ trường mạnh có nguồn gốc siêu dẫn. Các nguyên tử hiđrô có
trong nước và mỡ buộc phải chấp nhận năng lượng của từ trường. Sau đó, các nguyên tử
hiđrô sẽ giải phóng năng lượng này ra theo tần số mà máy tính có thể nhận biết và vẽ nên
biểu đồ. Công nghệ MRI đã ra đời vào giữa những năm 1940 và được thử nghiệm lần đầu
tiên trên người vào năm 1977. Tuy nhiên, tại thời điểm đó, kỹ thuật này phải mất đến 5
giờ mới tạo ra được 1 hình ảnh. Dù vậy, công nghệ này vẫn làm vinh danh 2 nhà nghiên
cứu khoa học Felix Bloch và Edward Purcell với giải Nobel Vật lý năm 1952.
Đến năm 1986, công nghệ MRI cho ra hình ảnh chỉ trong vòng 5s. Năm 1992, công nghệ
này đã có thể lập nên bản đồ của nhiều vùng chức năng trong não. Quá trình nghiên cứu
và cải tiến công nghệ MRI đã mang lại cho 3 nhà khoa học khác 1 giải Nobel Hoá học
năm 1991 và giải Nobel Y khoa năm 2003.Thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID).
Hiện nay, nhóm Korean Superconductivity Group đã nâng công nghệ MRI lên một tầng
cao mới với sự phát triển của thiết bị SQUID (Superconducting Quantum Interference

Device - máy giao thoa lượng tử dùng siêu dẫn) trong công nghệ lập bản đồ các vùng
chức năng của não (MEG). Thiết bị này có thể cảm nhận được sự thay đổi rất nhỏ của từ
trường, bác sĩ có thể thăm dò cơ thể người đến 1 mức độ nhất định mà không cần sử dụng
từ trường mạnh như của công nghệ MRI.
Và nhiều ứng dụng khác: Máy gia tốc hạt bằng chất siêu dẫn nhiệt độ cao, Truyền tải
năng lượng ( Electric Power Tranmission), Nam châm siêu dẫn trong lò phản ứng nhiệt
hạch, Khả năng giữ được trạng thái plasma, Siêu máy tính, Ăngten mini ( Miniature
Antennas), Máy phát điện siêu dẫn, Tàu thủy siêu dẫn,..

V. Một số phát hiện mới về hiện tượng siêu dẫn
V.1.

Chất siêu dẫn trong răng người

Các nhà khoa học tại đại học Warwick (Anh) cho biết phosphorus (diêm sinh), một
chất vô cơ trong răng, có thể đóng vai trò là chất siêu dẫn khi dùng một lực nén lớn gấp
30 ngàn lần lực nghiến răng của một người bình thường (2,5 megabar). Ở áp suất 0,099
atm, phosphorus đã có thể dẫn điện một cách rất hạn chế. Nếu hạ t o xuống 1000K (khoảng
- 263oC) thì Phosphorus đã thể hiện tính siêu dẫn, nhưng rất hạn chế ở áp suất này. Khi


áp suất tăng lên 2,475 atm, cấu trúc của
phosphorus đã có dạng y như cấu trúc kim
loại. Bằng cách sử dụng các lý thuyết về
chuyển động của electron và bức xạ ion,
các nhà khoa học tại đại học Warwick đã
chứng minh cấu trúc của phosphorus ở áp
suất 2,475 atm, 14 - 220K có tính siêu dẫn tốt hơn cấu trúc ở 0,1 megabar, 100K.
Các nhà khoa học tại Warwick còn đi xa hơn nữa trong khi họ đã đưa ra một cách kích
họat tính siêu dẫn của phosphorus mà không cần đưa áp suất lên quá cao. Bằng cách đặt

các nguyên tử phosphorus lên một kim lọai nền, cấu trúc siêu dẫn của Phosphorus sẽ
được duy trì lâu bền mà không cần áp suất cao. Nếu đặt phosphorus siêu dẫn giữa 2 nam
châm điện, nó sẽ chuyển đổi liên tục giữa 2 trạng thái bán dẫn và dẫn điện thường
V.2. Silicon siêu dẫn ở nhiệt độ phòng
Các nhà khoa học Đức và Canada tuyên bố vượt qua siêu thử thách của ngành điện tử,
đó là tạo ra chất siêu dẫn ở t o phòng mà chỉ 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 t o phòng. Đầu năm
2008, 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 triển được một hợp chất siêu dẫn ở t o thường bao
gồm silicon và Hydro mà không cần bộ máy làm lạnh. 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 thì 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. Chất siêu dẫn mới là 1 hợp chất
có tên "Silane”, cấu trúc tương tự Metal với nguyên tử Si thay cho nguyên tử C ở tâm.
V.3. Vật liệu nano mới mang đồng thời tính siêu dẫn và tính sắt từ
Trước đây, người ta vẫn cho rằng tính sắt từ và tính siêu dẫn thường không thể cùng
tồn tại tại một thời điểm. Tuy nhiên, các nhà vật lý Mỹ và Pháp đã tạo ra một cấu trúc
nano mang đồng thời cả tính sắt từ và tính siêu dẫn ở cùng một thời điểm.
Jacques Chakhalian và các đồng nghiệp Viện Max Planck (Đức) và Đại học Grenoble
(Pháp) đã công bố một tính chất chất mới về vùng tiếp xúc giữa một chất siêu dẫn tạo ra
bởi Yttrium, Barium, đồng và Oxygen và một chất sắt từ (LaCaMnO3). Các nhà nghiên
cứu đã phát triển kỹ thuật cho phép họ tổ hợp 2 vật liệu trong một màng mỏng siêu mạng,
và có đồng thời tính sắt từ và tính siêu dẫn. (Ảnh chụp cắt ngang siêu mạng).


Tài liệu tham khảo
1. Thân Đức Hiền (2008), Nhập môn về siêu dẫn (vật liệu, tính chất và ứng dụng), Nhà
xuất bản bách khoa, Hà Nội.
2. Nguyễn Huy Sinh (1994), Vật lý siêu dẫn, NXB Giáo dục.
/> /> /> /> /> />%C4%91%E1%BB%99_cao

/> /> /> /> /> /> /> /> /> />cx=007890693382555206581%3A7fgc6et2hmk&cof=FORID%3A10&ie=UTF8&c=all&ft=&q=sieu+dan&sa=Search