Hiện tượng siêu dẫn hệ siêu dẫn nhiệt độ cao bi sr ca cu o và ứng dụng trong dạy học vật lý 11 trung học phổ thông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

PHẠM THỊ THẢO

HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN, HỆ SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO Bi-SrCa-Cu-O VÀ ỨNG DỤNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ 11 –
TRUNG HỌC PHỔ THƠNG

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Hà Nội – 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN, HỆ SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO Bi-SrCa-Cu-O VÀ ỨNG DỤNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ 11 –
TRUNG HỌC PHỔ THƠNG

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Hải Đức
Sinh viên thực hiện khóa luận: Phạm Thị Thảo

Hà Nội – 2018


LỜI CẢM ƠN
Trong khoảng thời gian tiến hành khóa luận tốt nghiệp và hoàn thành

với đề tài “Hiện tượng siêu dẫn, hệ siêu dẫn nhiệt độ cao Bi-Sr-Ca-Cu-O và
ứng dụng trong dạy học vật lý 11 – Trung học Phổ thông” bản thân em đã cố
gắng không ngừng cùng với sự giúp đỡ rất nhiều từ thầy cơ, gia đình và bạn bè.
Qua trang viết này em xin gửi lời cảm ơn tới những người giúp đỡ em trong
thời gian học tập cũng như làm khóa luận này.
Em xin tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo TS. Trần
Hải Đức – giảng viên Khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã
trực tiếp hướng dẫn cũng như chỉ bảo em trong suốt quá trình làm khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Vật Lý trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, trường Đại học Giáo dục đã tạo điều kiện cho
em hồn thành tốt cơng việc học tập và làm khóa luận.
Em cũng được bày tỏ lịng biết ơn tới các thầy cô giáo tại Bộ môn Vật lý
Nhiệt độ thấp đã tạo điều kiện và giúp đỡ cho em trong q trình học tập và
hồn thành khóa luận.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người
ln ủng hộ và động viên em vượt qua những khó khăn để hồn thành tốt
khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, 22 tháng 05 năm 2018
Sinh viên

Phạm Thị Thảo


DANH MỤC VIẾT TẮT
BSCCO

: Bi-Sr-Ca-Cu-O

BPSCCO

: Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O

Tc

: Nhiệt độ tới hạn

Jc

: Mật độ dịng tới hạn

TEM

: Ảnh kính hiển vi điện tử

SEM

: Ảnh kính hiển vi điện tử


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình: 1.1. Điện trở phụ thuộc nhiệt độ của thủy ngân. [1,3, tr.4]..................... 4
Hình: 1.2. Lịch sử phát hiện chất siêu dẫn.[14, tr. 17]...................................... 6
Hình: 1.3. Điện trở phụ thuộc nhiệt độ của vật dẫn lí tưởng, vật dẫn thực và
siêu dẫn. [2, tr. 5]............................................................................................... 9
Hình: 1.4. a) Hiệu ứng Meissner và b) Hiện tượng treo từ của vật liệu siêu
dẫn.[17] ........................................................................................................... 10
Hình: 1.5. Sự phân bố của từ thơng của (a) vật dẫn hồn hảo và (b) siêu dẫn.
[10, tr. 1-8] ...................................................................................................... 12
Hình: 1.6. Đường cong từ hóa của (a) siêu dẫn loại I và (b) siêu dẫn loại II.

[17, tr. 3 ] ......................................................................................................... 16
Hình: 1.7. Hình ảnh mặt cong ngưỡng của một số chất siêu dẫn. [17]........... 17
Hình: 1.8. Cấu trúc tinh thể của hệ siêu dẫn Bi-Sr-Ca-Cu-O. [10, tr. 1930] .. 18
Hình: 2.1. Hình dạng các tâm ghim từ. [14, tr. 2] ........................................... 25
Hình: 3.1. Ảnh hiển vi điện tử quét của mẫu BPSCCO. [7, tr. 3] .................. 28
Hình: 3.2. Jc phụ thuộc từ trường của các mẫu siêu dẫn BSCCO khi có thay
thế Pb và các nguyên tố đất hiếm.[7, tr. 4]...................................................... 29
Hình: 3.3. Hình thái bề mặt của các mẫu K1(a), K2(b), K3(c), K4(d). .......... 31
Hình: 3.4. Sự phụ thuộc của Jc vào từ trường tại tất cả các mẫu ở 10 K. [13,
tr.83] ................................................................................................................ 32
Hình: 3.5. Ảnh hiển vi điện tử qt của (a) mẫu BPSCCO khơng có hạt nano
ZnO, (b) mẫu BPSCCO có hạt nano ZnO kích thước 6 nm và (c) mẫu
BPSCCO có hạt nano kích thước 30 nm. [5, tr. 5].......................................... 33
Hình: 3.6. Sự thay đổi của Jc theo nhiệt độ của các mẫu có pha tạp hạt nano
ZnO với các kích thước (a) 6nm và (b) 30nm. [5, tr. 4] ................................. 35
Hình: 3.7. Ảnh TEM hạt nano ZrO2 với kích thước 40 nm. [19, tr. 2] ........... 36
Hình: 3.8. Mật độ dịng tới hạn Jc theo nhiệt độ nung thiêu kết khi thêm ZrO2
vào mẫu. [19, tr. 3] .......................................................................................... 37
Hình: 3.9. Sự phụ thuộc của Jc vào từ trường đối với hệ mẫu (Bi,Pb) – 2223
khi thêm nano ZrO2 . [19, tr. 3] ....................................................................... 37


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng: 1.1. Một số chất siêu dẫn nhiệt độ cao và nhiệt độ chuyển pha tương
ứng. [16, tr. 60-87] .......................................................................................... 14
Bảng: 2.1. Bảng bán kính ion của một số nguyên tố. [10, tr. 1930] ............... 26


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................. 1

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ SIÊU DẪN VÀ HỆ SIÊU DẪN NHIỆT
ĐỘ CAO Bi-Sr-Ca-Cu-O................................................................................ 4
1.1.Siêu dẫn và các điều kiện xác định .......................................................... 4
1.1.1. Lịch sử phát triển của siêu dẫn ....................................................... 4
1.1.2. Điều kiện xác định chất siêu dẫn .................................................... 8
1.1.3. Các thông số tới hạn của siêu dẫn................................................. 13
1.2.Hệ siêu dẫn nhiệt độ cao BSCCO .......................................................... 17
1.2.1. Cấu trúc tinh thể ............................................................................. 17
1.2.2. Sự hình thành các pha siêu dẫn .................................................... 18
1.2.3. Ứng dụng của vật liệu siêu dẫn ..................................................... 20
1.2.4. Một số hướng nghiên cứu trên hệ BSCCO hiện nay và mục tiêu
khóa luận .................................................................................................. 21
CHƯƠNG II : MƠ HÌNH TÂM GHIM TỪ TRONG HỆ SIÊU DẪN
NHIỆT ĐỘ CAO ........................................................................................... 24
2.1.Tâm ghim từ tự nhiên ............................................................................. 24
2.2.Tâm ghim từ nhân tạo ............................................................................ 26
CHƯƠNG III: TĂNG MẬT ĐỘ DÒNG TỚI HẠN CỦA HỆ BSCCO ... 28
3.1.Tăng mật độ tâm ghim từ tự nhiên ....................................................... 28
3.2.Tăng mật độ tâm ghim từ nhân tạo ....................................................... 33
3.3.Ứng dụng trong giảng dạy vật lý phổ thông ......................................... 38
KẾT LUẬN .................................................................................................... 39
Tài liệu tham khảo ........................................................................................ 40


LỜI NÓI ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài
Để nhằm cho mục đích ứng dụng trong khoa học kỹ thuật và đời sống

cao hơn, các nhà khoa học thực nghiệm đã nghiên cứu nhiều hơn về các chất
siêu dẫn, tìm ra các chất siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha ngày càng cao, cố
gắng tiến gần đến mơ ước chế tạo thành cơng vật liệu có tính chất siêu dẫn tại
nhiệt độ của nước đá, xa hơn nữa là siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Song song với
hướng nghiên cứu này, hướng nghiên cứu cải tiến các tính chất ứng dụng cũng
đang được quan tâm.
Nhận thức được tầm quan trọng đó, phần kiến thức về vật lý siêu dẫn đã
được đưa vào chương trình Vật lý nâng cao lớp 11, giúp học sinh có cái nhìn
tổng qt nhất về hiện tượng vật lý đặc biệt này và một số ứng dụng tiêu biểu
có liên quan.
Các chất siêu dẫn thuộc nhóm siêu dẫn nhiệt độ cao chủ yếu là những
hợp chất chứa oxit đồng. Hệ siêu dẫn nhiệt độ cao Bi-Sr-Ca-Cu-O là hệ siêu
dẫn có nhiệt độ chuyển pha (Tc) cao shơn nhiệt độ hóa lỏng của Nitơ (77 K).
Trong ba pha siêu dẫn của hệ này, pha Bi - 2223 có Tc ~110 K. Một trong những
ưu điểm nổi bật của BSCCO so với YBCO là khả năng bền vững của các phân
tử oxi trong hợp chất ở nhiệt độ cao, dẫn đến mẫu BSCCO có thể chế tạo trong
mơi trường khơng khí. Về mặt quy trình cơng nghệ, pha Bi - 2223 được hình
thành khi nhiệt độ nung thiêu kết lên đến ~ 880-890o C với thời gian ~ 168 giờ.
Khi có thay thế một phần Pb vào vị trí của Bi, nhiệt độ nung thiêu kết trên giảm
xuống còn ~ 850o C. Nguyên nhân của hiện tượng này là do một phần Pb đã có
phản ứng với tiền chất để tạo thành pha Ca2PbO4 có tác dụng thúc đẩy q
trình hình thành pha Bi - 2223. Các nghiên cứu cải tiến giá trị Tc đã được thực
hiện thông qua các hiệu ứng thay thế, pha tạp hoặc ủ nhiệt trong các môi trường

1


chứa khí khác nhau. Nhiệt độ Tc do đó lên tới ~ 120 K. Bên cạnh nghiên cứu
cải tiến Tc, hướng nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng của BSCCO cũng
đang được tiến hành từ những năm đầu của thế kỉ XXI. Khả năng truyền tải

điện năng và khả năng sinh từ trường lớn của BSCCO tại 77 K đã và đang được
cải tiến. Để tăng khả năng tải điện, các mẫu BSCCO cần có mật độ dịng tới
hạn (Jc) lớn.
Xuất phát từ ý tưởng khoa học này, tôi quyết định chọn đề tài khóa luận “Hiện
tượng siêu dẫn, hệ siêu dẫn nhiệt độ cao Bi-Sr-Ca-Cu-O và ứng dụng trong
dạy học vật lý 11 – Trung học Phổ thông”.
Mục tiêu khóa luận:

2.
-

Giới thiệu về hiện tượng siêu dẫn và hệ siêu dẫn nhiệt độ cao BSCCO.

-

Tìm hiểu cơ chế tăng Jc của các hệ siêu dẫn nhiệt độ cao nói chung.

-

Mơ hình tâm ghim từ nhân tạo dùng cho hệ siêu dẫn nhiệt độ cao

BSCCO.
-

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tâm ghim từ đó đối với Jc của hệ BSCCO.
Phương pháp nghiên cứu

3.
-

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm kiếm tài liệu, phân tích, tổng

hợp tài liệu có liên quan đến đề tài nhằm xây dựng khóa luận: Khóa luận được
thực hiện dựa trên phương pháp so sánh các cơng trình khoa học đã cơng bố.
Sau khi trình bày các hiện tượng cơ bản về siêu dẫn và hệ siêu dẫn nhiệt độ cao
BSCCO, các yêu cầu ứng dụng, các kết quả cụ thể về cải tiến tính chất siêu dẫn
đáp ứng yêu cầu ứng dụng đó đã được khảo sát, phân tích, so sánh.
4.

Nhiệm vụ nghiên cứu
Tìm hiểu cơ chế vật lý, phương pháp thực nghiệm để tăng mật độ dòng

tới hạn.

2


Cấu trúc khóa luận

5.
-

Khóa luận được hồn thành tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, Đại học

Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội. Nội dung của khóa luận bao
gồm các chương chính:
CHƯƠNG I: Giới thiệu về siêu dẫn và hệ siêu dẫn nhiệt độ cao Bi-Sr-Ca-CuO
CHƯƠNG II: Mơ hình tâm ghim từ trong hệ siêu dẫn nhiệt độ cao
CHƯƠNG III: Tăng mật độ dòng tới hạn của hệ BSCCO
KẾT LUẬN

3


CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ SIÊU DẪN VÀ HỆ SIÊU DẪN NHIỆT
ĐỘ CAO Bi-Sr-Ca-Cu-O
1.1.

Siêu dẫn và các điều kiện xác định

1.1.1. Lịch sử phát triển của siêu dẫn
Năm 1908, Kamerlingh Onnes đã đặt bước đầu tiên trong việc tạo ra siêu
dẫn khi ơng hóa lỏng Heli tại trường Đại học tổng hợp ở quốc gia Leiden (Hà
Lan). Năm 1911, cũng chính ơng đã phát hiện ra tính chất siêu dẫn của thủy
ngân khi được làm lạnh xuống điểm 0 tuyệt đối (- 273 độ C), chúng có thể dẫn
điện với điện trở bằng 0 khi nhiệt độ tuyệt đối dưới 4,2 K. Ngày nay, những vật
liệu này được sử dụng để chế tạo các nam châm điện cực mạnh dùng trong các
thiết bị ảnh hố cộng hưởng từ tính (MRI), tàu đệm từ maglev và các thiết bị
tạo từ trường hình xuyến Tokamak trong các lị phản ứng hạt nhân. Trong tương
lai, vật liệu siêu dẫn cịn có thể được dùng để tăng hiệu suất cho các lưới điện
bằng khả năng truyền dẫn một lượng điện rất lớn với tỉ lệ thất thốt rất thấp.
Hình: 1.1. Điện trở phụ thuộc nhiệt độ của thủy ngân. [1,3, tr.4]

4


Ba năm sau ơng chính là người đầu tiên chế tạo được nam châm siêu dẫn.
Năm 1914 phát hiện ra hiện tượng dòng điện phá vỡ chất siêu dẫn. Năm 1930,
hợp kim siêu dẫn đầu tiên được tìm ra.
Năm 1933, Meissner và Ochsenfeld tìm ra hiện tượng các đường sức từ

bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn khi làm lạnh chất siêu dẫn trong từ trường. Hiệu
ứng này được đặt tên là hiệu ứng Meissner.
Từ năm 1911 đến năm 1985, các chất siêu dẫn được tìm ra đều có nhiệt
độ chuyển pha không vượt quá 24 K và chất lỏng He vẫn là môi trường duy
nhất để nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn.
Năm 1986, J.G.Bednorz và K.A.Muller (Thụy Sĩ) đã tìm ra hiện tượng
siêu dẫn trong hợp chất La – BaO – CuO với nhiệt độ chuyển pha nằm trong
vùng Nitơ lỏng. Từ đây, ngành vật lý siêu dẫn nhiệt độ cao ra đời, đã đánh dấu
sự phát triển vượt bậc trong quá trình tìm kiếm của các nhà vật lý và công nghệ
trong lĩnh vực siêu dẫn [8, tr.191].
Từ năm 1930 đến 1986, được coi là kỉ nguyên siêu dẫn Nb với sự thống
trị của nguyên tố này và hợp chất của nó. Sau phát minh của J.G.Bednorz và
K.A.Muller đã có rất nhiều chất siêu dẫn mới được phát hiện và hầu hết chúng
có nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn nằm trong vùng nhiệt độ cao hơn nhiệt độ hóa
lỏng của Nitơ (77 K), nên được gọi chung là siêu dẫn nhiệt độ cao. Sau đó nhiều
nhà vật lý học tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu về tính chất này. Năm 1957, lý
thuyết vi mô BCS ra đời bởi J.Barden, L.Cooper và J.R.Schriffer đã giải thích
hầu hết các tính chất cơ bản của siêu dẫn lúc bấy giờ. Trong lý thuyết này, các
tác giả đã cho rằng cặp điện tử mang dịng siêu dẫn được hình thành và tồn tại
khe năng lượng giữa trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường.
Ngày nay một số thơng tin cho rằng có thể chế tạo được chất siêu dẫn ở
nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ phòng dưới dạng các màng mỏng siêu dẫn chứa Bi.

5


Hình: 1.2. Lịch sử phát hiện chất siêu dẫn.[14, tr. 17]

Nhìn chung, việc nghiên cứu siêu dẫn là động cơ để phát triển cơng nghệ
thí nghiệm và phát triển lý thuyết, trên cơ sở lý thuyết lượng tử và lý thuyết hệ

nhiều hạt.
 Siêu dẫn thông thường
Đa số vật liệu siêu dẫn đã được phát hiện là vật liệu siêu dẫn thơng
thường. Vật liệu siêu dẫn thơng thường có thể bao gồm siêu dẫn loại I và loại
II. Trong đó, Niobi và Vanadi là siêu dẫn loại II, trong khi hầu hết các nguyên
tố khác là siêu dẫn loại I. Vào năm 1911, Kamerlingh Onnes tình cờ phát hiện
ra tính chất siêu dẫn của của thủy ngân. Ông đã quan sát được điện trở của chất
siêu dẫn giảm đột ngột về khơng khi hạ nhiệt độ, sau đó ơng làm thí nghiệm
với thiếc và chì cũng thấy hiện tượng tương tự xảy ra. Một tính chất đặc trưng
khác của siêu dẫn liên quan đến việc đẩy từ thông ra khỏi vật liệu siêu dẫn do
Meissner và Ochsenfeld phát hiện vào năm 1933 [3, tr.4]. Các lý thuyết được
đưa ra để giải thích tính siêu dẫn có thể kể đến như lý thuyết London (1935) và
6


lý thuyết Ginzburg-Landau (1950). Năm 1957, lý thuyết vi mô về siêu dẫn do
Bardeen, Copper và Schrieffer đề xuất được công nhận rộng rãi và gọi tắt là lý
thuyết BCS. Các tác giả đã cho rằng hiện tượng siêu dẫn có liên quan đến sự
hút hai electron thơng qua tương tác electron-phonon. Một electron tương tác
với một ion dương trong mạng để làm biến dạng mạng tinh thể. Electron thứ
hai tương tác với ion trong mạng tinh thể đã biến dạng để thỏa mãn điều kiện
cực tiểu hóa năng lượng. Tương tác electron hình thành theo cặp. Electron trong
một cặp có spin ngược nhau nên tổng spin của một cặp bằng không. Cặp
electron như vậy được gọi là cặp Cooper. Đặc tính quan trọng của cặp Cooper
là tương tác này chỉ xảy ra giữa electron với electron.
Vật liệu siêu dẫn được coi là vật liệu siêu dẫn thông thường nếu ta có thể
dùng lý thuyết BCS để giải thích cơ chế của nó.
 Siêu dẫn khơng thơng thường
Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao thường là vật liệu dẫn không thơng thường
vì cơ chế của siêu dẫn nhiệt độ cao khơng thể giải thích bằng lý thuyết BCS.

Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao thường có nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn T c lớn
hơn 77 K.
 Siêu dẫn chứa đồng
Năm 1986, nhiệt độ chuyển pha lớn nhất thu nhận được là 23,3 K (Nb3Ge).

Tiếp sau đó, vật liệu siêu dẫn có nhiệt độc chuyển pha cao hơn là La 2-

xBaxCuO4-δ

với Tc = 30 K. Năm 1987, nhiệt độ chuyển pha đã tăng đến 90 K

đối với vật liệu siêu dẫn dạng gốm YBa2Cu3O4-δ. Vào năm 1994, các nhà khoa
học đã tiến hành những nghiên cứu chuyên sâu hơn và phát hiện ra
HgBa2Ca2Cu3O8-δ pha tạp Tl có Tc = 138 K. Điều này khiến các nhà khoa học
hi vọng rằng chế tạo được vật liệu siêu dẫn có nhiệt chuyển pha tại nhiệt độ
phịng. Đến nay đó vẫn là thách thức của ngành vật lý. Điều khó khăn ở đây là

7


để đạt được siêu dẫn nhiệt độ cao là phức hợp nhiều yếu tố, bao gồm: cấu trúc
tinh thể, tính dị hướng mạnh, sự xuất hiện của hiệu ứng phi đoạn nhiệt cho đến
tương quan mạnh giữa electron hay lực tương tác electron - phonon. Trong vật
liệu hỗn hợp, rất nhiều pha dẫn được tạo ra (cấu trúc, từ tính, siêu dẫn...), và
kết hợp lại ví dụ như sự tồn tại song song của tính chất siêu dẫn và sắt từ. Thành
phần quan trọng của siêu dẫn chứa đồng là mặt phẳng (CuO2). Chính việc có
một hay một vài mặt phẳng (CuO2) trong cấu trúc của vật liệu siêu dẫn khơng
những khiến cho Tc của chúng cao hơn bình thường mà cịn ảnh hưởng đến các
tính chất vật lý khác mà mơ hình lý thuyết BCS khơng giải thích được. Trong
siêu dẫn chứa đồng, các điện tử dẫn xuất hiện do hiệu ứng pha tạp trên mặt

phẳng (CuO2) và việc tạo ra các khuyết thiếu oxy bên ngoài mặt phẳng dẫn này.
Khoảng cách giữa các mặt phẳng (CuO2) giữa các mạng cơ sở lớn hơn rất nhiều
khoảng các giữa các mặt phẳng (CuO2) trong cùng mạng cơ sở. Điều này dẫn
đến khi T > Tc thì tính dị hướng dẫn điện xảy ra mạnh cịn khi T < Tc thì độ dài
kết hợp theo mặt phẳng (ab) (ξab) có giá trị khác với độ dài kết hợp theo trục c
(ξc). Những đặc tính quan trọng này của vật liệu siêu dẫn chứa đồng làm cho
vật liệu này có tính ứng dụng cao vì có từ trường tới hạn (H c2) cao. Trước khi
thảo luận về các đặc tính và ứng dụng của họ vật liệu này, chúng ta sẽ tìm hiểu
tính chất cơ bản của siêu dẫn.
1.1.2. Điều kiện xác định chất siêu dẫn
a) Trạng thái điện trở không
Khi xảy ra hiện tượng mà điện trở của một chất nào đó giảm đột ngột về
khơng ở một nhiệt độ xác định thì khi đó xảy ra hiện tượng siêu dẫn. Khi đó,
trạng thái mà điện trở giảm về khơng được gọi là trạng thái điện trở không, nhiệt
độ tương ứng trạng thái đó được gọi là nhiệt độ tới hạn (Tc).
Hình 1.3, biểu diễn sự phụ thuộc điện trở của một số loại vật liệu theo
nhiệt độ). Ta thấy rằng, khi nhiệt độ giảm thì các vật liệu đều có điện trở giảm.
8


Khi nhiệt độ giảm về 0 (T = 0 K), điện trở của kim loại lý tưởng sẽ giảm về 0,
còn điện trở của kim loại thực giảm xuống một giá trị khác không gọi là điện
trở dư. Nguyên nhân của sự xuất hiện thành phần điện trở dư của kim loại thực
được xác định do sự tồn tại tự nhiên của các loại sai hỏng và chất pha tạp trong
kim loại. Ở vật dẫn hoàn hảo, sai hỏng và các chất pha tạp khơng tồn tại, điện
trở hồn tồn phụ thuộc vào các dao động mạng (phonon), và các dao động này
biến mất khi T = 0 K.
Hình: 1.3. Điện trở phụ thuộc nhiệt độ của vật dẫn lí tưởng, vật dẫn thực và
siêu dẫn. [2, tr. 5]

b) Hiệu ứng Meissner
Một vật dẫn lí tưởng có thể có điện trở không ở nhiệt độ tuyệt đối (0 K).
Tuy nhiên, nó khơng phải là chất siêu dẫn. Người ta thấy rằng biểu hiện tính
chất của chất siêu dẫn khi nó có từ trường khác với vật dẫn lí tưởng.
Năm 1933, Meissner và Ochsenfied quan sát rằng: Nếu chất siêu dẫn
được làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ chuyển pha T c, thì các
đường sức của cảm ứng từ B sẽ bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn. Tức là chất siêu
dẫn nằm trong từ trường ngoài Ha nhưng cảm ứng từ bên trong mẫu B = 0 .
Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Meissner. Các đường từ thơng trong lịng

9


chất siêu dẫn bằng không nghĩa là chất siêu dẫn thể hiện như một chất nghịch
từ lý tưởng.
Hình: 1.4. a) Hiệu ứng Meissner và b) Hiện tượng treo từ của vật liệu siêu
dẫn.[17]

(b)

(a)

Nếu có một mẫu siêu dẫn dạng hình trụ dài đặt song song với từ trường
ngoài Ha, trường khử từ của mẫu bằng khơng, thì trong hệ SI [1,3, tr. 19]:

H = Ha + M = 0

(1.1)

Hệ số từ hóa của chất siêu dẫn sẽ là:

χ=

M
= -1
Ha

(1.2)

c. So sánh vật liệu siêu dẫn và vật dẫn hoàn hảo
- Giống nhau: Đều tồn tại trạng thái điện trở không và đều cho hiệu suất dẫn
điện cao.

- Khác nhau :
10


+ Vật dẫn hoàn hảo:
Khi nhiệt độ của vật dẫn bằng khơng thì chúng ở trạng thái điện trở
khơng.
Ở nhiệt độ phịng, điều kiện là có từ trường ngồi đặt vào thì sẽ xuất hiện
các đường sức từ xuyên qua lòng vật liệu. Khi hạ nhiệt độ xuống một nhiệt độ
thấp (T < Tc) thì các đường sức từ vẫn xun qua lịng vật liệu (ngun nhân là
vật dẫn hồn hảo không tuân theo hiệu ứng Meissner). Khi từ trường ngồi
bằng 0, trong lịng vật liệu vẫn duy trì từ thông.
+Vật liệu siêu dẫn :
Ở một nhiệt độ Tc xác định, siêu dẫn ở trạng thái điện trở không.
Ở nhiệt độ phịng, điều kiện là có từ trường ngồi đặt vào thì sẽ xuất hiện
các đường sức từ xuyên qua lòng vật liệu. Khi hạ nhiệt độ xuống một nhiệt độ
thấp (T < Tc) thì các đường sức từ bị đẩy ra khỏi lòng vật liệu (nguyên nhân là
vật liệu siêu dẫn tuân theo hiệu ứng Meissner). Khi từ trường ngồi bằng 0,

trong lịng vật liệu siêu dẫn khơng tồn tại từ thông.
Như vậy, một chất được gọi là chất siêu dẫn khi và chỉ khi thỏa mãn hai
tính chất có tồn tại trạng thái điện trở 0 ở một nhiệt độ xác định trên 0 K, và
tuân theo hiệu ứng Meissner (hình 1.5).

11


Hình: 1.5. Sự phân bố của từ thơng của (a) vật dẫn hoàn hảo và (b) siêu dẫn.
[10, tr. 1-8]

Khi ta giảm nhiệt độ của mẫu kim loại dưới nhiệt độ chuyển pha của nó,
mẫu trở thành vật dẫn hồn hảo. Sau khi hạ nhiệt độ, ta đặt từ trường ngồi Ha
vào, từ thơng sẽ khơng được cho phép đi vào trong mẫu và bên trong mẫu B = 0
vì

dB
=0.
dt
Trái lại, nếu vật dẫn hoàn hảo đặt từ trường trước khi làm lạnh, từ thông

sẽ đi vào bên trong mẫu. Sau đó mẫu được làm lạnh đến nhiệt độ thấp sao cho
điện trở của nó biến mất. Sự biến mất điện trở này khơng gây ảnh hưởng lên độ
từ hóa và sự phân bố từ thơng vẫn duy trì khơng đổi. Khi giảm từ trường về

12


Ha = 0 thì mật độ từ thơng bên trong vật dẫn lý tưởng khơng thể thay đổi do
các dịng bề mặt sẽ xuất hiện để duy trì từ thơng bên trong nó.

1.1.3. Các thơng số tới hạn của siêu dẫn
a) Nhiệt độ tới hạn
Mỗi chất siêu dẫn đang ở trạng thái thường khi được làm lạnh xuống một
nhiệt độ xác định (trên 0 K), chất đó sẽ chuyển từ trạng thái thường sang trạng
thái siêu dẫn. Nhiệt độ này được gọi là nhiệt độ chuyển pha (T c) hay nhiệt độ
tới hạn. Khi nhiệt độ của chất siêu dẫn nhỏ hơn Tc, điện trở của chất đó trở nên
rất nhỏ (ρ ≈ 10−27 Ω. m). Các chất siêu dẫn khác nhau thì có Tc khác nhau.
Vật liệu siêu dẫn được hạ xuống nhiệt độ rất thấp, cặp Cooper sẽ giữ
nguyên, không thay đổi do chuyển động của phân tử giảm. Khi nhiệt độ cao
hơn, các phân tử siêu dẫn chuyển động nhiệt ngày một hỗn loạn, cung cấp năng
lượng cho dao động mạng. Khi đó, chúng trở nên mất trật tự và phá vỡ cặp
Cooper. Cặp Cooper bị phá vỡ cũng chính là nguyên nhân khiến cho tính siêu
dẫn của vật liệu mất đi.
Cho tới năm 1986, nhiệt độ chuyển pha được ghi nhận lớn nhất là 23 K
[1, tr. 9]. Trong năm đó, G. Bednorz và A. Muller tổng hợp thành công hợp
chất La2CuO4, hợp chất trên đạt trạng thái siêu dẫn đến 30 K [8, tr. 189-193].
Sau đó thì nhiều vật liệu siêu dẫn chứa đồng được phát hiện với nhiệt độ chuyển
pha cao hơn, thậm chí ta chỉ cần Nitơ lỏng để hạ nhiệt độ ví dụ như YBa2Cu3O7δ

(YBCO) có Tc đạt 92 K [12, tr. 83-87]. Các vật liệu khác được tìm ra có nhiệt

độ chuyển pha siêu dẫn cao hơn được chỉ trong bảng 1.1:

13


Bảng: 1.1. Một số chất siêu dẫn nhiệt độ cao và nhiệt độ chuyển pha tương
ứng. [16, tr. 60-87]
Vật liệu

Tc (K)

Yb2Cu3O7-δ

92

Bi2Sr2CaCu2O8

80

Bi2Sr2Ca2Cu3O10

110

TlBa2Ca2Cu3O9

123

HgBa2Ca2Cu3O8

135

Tất cả những vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao đều có cấu trúc tinh thể dị
hướng, chứa mặt phẳng CuO2 – tập trung hạt tải điện siêu dẫn.
b) Từ trường tới hạn


Từ trường tới hạn :
Khi một vật liệu siêu dẫn bị làm lạnh dưới nhiệt độ chuyển pha (Tc) và

từ trường đặt vào tăng dần dần đến khi vượt quá từ trường tới hạn (Hc), tính
chất siêu dẫn bị biến mất.
Vì vậy, từ trường tới hạn (Hc) là giá trị lớn nhất của từ trường mà ở đó
vật liệu tồn tại ở trạng thái siêu dẫn ngay cả ở dưới nhiệt độ chuyển pha Tc .
 Phân loại chất siêu dẫn trên cơ sở tính chất từ:
- Siêu dẫn loại I:
Siêu dẫn chuyển đột ngột từ trạng thái Meissner sang trạng thái đường
sức từ thấm hoàn toàn vào trong siêu dẫn – trạng thái thường ở đúng một giá
trị từ trường tới hạn Hc được gọi là siêu dẫn loại I. Siêu dẫn loại một thường là
các kim loại sạch như Hg, Al, Sn, In… Hình 1.6a mơ tả đường cong từ hóa của
siêu dẫn loại I.

14


- Siêu dẫn loại II:
Hình 1.6b là đường cong từ hóa của một loại siêu dẫn khác khơng hồn
tồn tn theo hiệu ứng Meissner. Các chất có đường cong từ hóa như vậy được
gọi là siêu dẫn loại II. Ở đây ngồi từ trường tới hạn Hc cịn xuất hiện từ trường
tới hạn Hc1 và từ trường tới hạn Hc2 với giá trị Hc1 < Hc < Hc2. Trong đó, Hc1
được gọi là từ trường tới hạn thấp và Hc2 được gọi là từ trường tới hạn cao của
siêu dẫn loại II. Trong chất siêu dẫn loại II, trạng thái siêu dẫn còn tồn tại cho
đến khi từ trường H = Hc2. Hình 1.6b ta có thể chia thành 3 vùng từ trường [3,
tr. 31].
Vùng 1: Từ trường có giá trị từ 0 đến Hc1 là trạng thái siêu dẫn, tính chất từ của
vật liệu thể hiện đúng hồn tồn với hiệu ứng Meissner.
Vùng 2: Từ Hc1 đến Hc2 là trạng thái hỗn hợp có mật độ từ thơng bên trong chất
siêu dẫn B  0 nghĩa là khơng hồn tồn đúng với hiệu ứng Meissner, trong
vùng này có tồn tại cả trạng thái siêu dẫn và không siêu dẫn đan xen lẫn nhau
nên gọi là trạng thái hỗn hợp, từ trường tồn tại trong vật liệu siêu dẫn.

Vùng 3: Từ trường có giá trị lớn hơn Hc2. Vật liệu ở trạng thái thường, mất tính
chất siêu dẫn.

15


Hình: 1.6. Đường cong từ hóa của (a) siêu dẫn loại I và (b) siêu dẫn loại II.
[17, tr. 3 ]

(a)

(b)

c) Mật độ dòng tới hạn
Dòng cực đại đạt được trong trạng thái siêu dẫn được gọi là dòng tới hạn.
Nói cách khác, dịng tới hạn trong trạng thái siêu dẫn là dòng điện lớn nhất khi
điện trở của chất siêu dẫn được xem như bằng khơng. Dịng tới hạn được kí
hiệu là Ic.
Ngồi khái niệm dịng tới hạn (Ic) thơng thường, người ta cịn dùng khái
niệm mật độ dịng tới hạn (Jc) để thay khái niệm dòng tới hạn. Đó là giá trị dịng
tới hạn Ic trên một đơn vị diện tích. Đơn vị thường dùng cho đại lượng này là
A/cm2, giá trị Jc phụ thuộc rất mạnh vào từ trường và đường kính của dây siêu
dẫn. Các giá trị của mật độ dòng tới hạn là một hàm phụ thuộc vào nhiệt độ,
nhiệt độ càng thấp thì mật độ dòng tới hạn càng tăng [3, tr. 24].

16


Hình: 1.7. Hình ảnh mặt cong ngưỡng của một số chất siêu dẫn. [17]

1.2.

Hệ siêu dẫn nhiệt độ cao BSCCO

1.2.1. Cấu trúc tinh thể
Tháng 5/1987, Michel và nhóm tác giả phát hiện ra hệ siêu dẫn Bi-SrCu-O có nhiệt độ chuyển pha từ 7-22 K [1,3, tr. 5]. Vào 5 giờ chiều ngày giáng
sinh năm đó, Hiroshi Maeda và nhóm tác giả đã phát hiện được rằng: Nếu thêm
Ca vào hệ Bi-Sr-Cu-O sẽ tạo được một vật liệu siêu dẫn mới có nhiệt độ chuyển
pha cao hơn nhiệt độ hóa lỏng Nitơ [19, tr. 2]. Hợp chất này có hợp thức chung
là Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+δ với n = 1 (Bi-2201), n = 2 (Bi-2212), n = 3 (Bi-2223)
với nhiệt độ chuyển pha tương ứng là 10 K, 80 K, 110 K [10, tr. 1931].

17


Hình: 1.8. Cấu trúc tinh thể của hệ siêu dẫn Bi-Sr-Ca-Cu-O. [10, tr. 1930]

Hình 1.8 mơ tả cấu trúc tinh thể của các hợp chất siêu dẫn trên. Về mặt
tổng quát, các hợp chất này đều có cấu trúc loại perovskite. Các pha siêu dẫn
khác nhau ở số mặt phẳng CuO2 dẫn đến độ dài trục c thay đổi. Tỷ lệ các pha
trong một khối mẫu tùy thuộc thành phần hợp thức ban đầu, quy trình cơng
nghệ chế tạo mẫu [3, tr. 130].
1.2.2. Sự hình thành các pha siêu dẫn
a) Pha siêu dẫn Bi-2201
Quá trình hình thành pha Bi - 2201 được mơ tả qua các phương trình
phản ứng sau:
SrCO3 → SrO + CO2
2SrO + CuO → Sr2CuO3
Sr2CuO3 + Bi2O3 → Bi2Sr2CuO6

18