Xác nhận lý thuyết cũ dẫn đến đột phá trong khoa học siêu dẫn

Công trình này đã xác nhận lý thuyết của Valerii Vinokurov (Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne Mỹ).   .

Các chuyển pha xảy ra khi một vật chất thay đổi từ một trạng thái rắn, lỏng, hay khí thành một trạng thái khác – như băng tan hoặc hơi ngưng tụ. Trong suốt những chuyển pha này, có một điểm mà tại đó hệ này có thể hiển thị các đặc tính của cả hai trạng thái của vật chất một cách đồng thời. Một hiệu ứng tương tự xảy ra khi những kim loại thường chuyển pha thành các siêu dẫn – các đặc tính thay đổi và các đặc điểm được chờ đợi thuộc về một trạng thái được đưa vào một trạng thái khác. 

Các nhà khoa học tại Harvard đã phát triển một chất siêu dẫn hai chiều chứa bismuth có độ dày chỉ 1 nanometer. Bằng việc nghiên cứu những thay đổi trong vật liệu siêu mỏng đó khi nó chuyển pha thành siêu dẫn, các nhà khoa học đã hiểu được các quá trình đem đến cho nó tính siêu dẫn. Vì chúng có thể mang các dòng điện với điện trở gần như bằng không, khi chúng được cải tiến, các vật liệu siêu dẫn sẽ có những ứng dụng trong hầu như bất kỳ công nghệ liên quan đến điện nào.

Các nhà khoa học Harvard đã dùng công nghệ mới để xác nhận về mặt thực nghiệm một lý thuyết về siêu dẫn đã tồn tại 23 năm do nhà nghiên cứu Valerii Vinokurov của Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) phát triển.

Một hiện tượng được các nhà khoa học quan tâm là sự đảo ngược hoàn toàn của hiệu ứng Hall khi các vật liệu chuyển pha thành siêu dẫn. Khi một vật liệu thường, phi siêu dẫn mang một dòng điện được đặt vào và phụ thuộc vào một từ trường, một hiệu điện thế được sinh ra dọc theo vật liệu. Hiệu ứng Hall thông thường này có hiệu điện thế trong một hướng đặc biệt phụ thuộc vào định hướng của từ trường và dòng điện.

Thật thú vị là khi các vật liệu chuyển thành siêu dẫn, dấu của hiệu điện thế Hall đã bị đảo ngược. Cực dương của vật liệu trở thành cực âm, đây là hiện tượng đã được biết rất rõ ràng. Nhưng trong khi hiệu ứng Hall đã thành một công cụ chính để các nhà nghiên cứu sử dụng nhằm nghiên cứu về các loại tính năng điện tử mà được sử dụng làm cho một vật liệu trở thành siêu dẫn, nguyên nhân của việc đảo ngược hiệu ứng Hall vẫn còn là điều bí ẩn trong nhiều thập kỷ, đặc biệt là liên quan đến siêu dẫn nhiệt độ cao khiến hiệu ứng này trở nên mạnh hơn.

Vào năm 1996, nhà lý thuyết Vinokur, một nhà nghiên cứu nhận học bổng Argonne, và đồng nghiệp đã trình bày một bản mô tả đầy đủ hiệu ứng này trong các siêu dẫn nhiệt độ cao. Lý thuyết được đưa ra đã tính đến cả những lực liên quan và nó cũng bao gồm nhiều biến số dường như còn phi thực tế về mặt thực nghiệm – cho đến tận bây giờ.

"Chúng tôi tin rằng mình đã giải quyết được những vấn đề này”, Vinokur nói, “nhưng các công thức lại rơi vào trạng thái vô dụng tại thời điểm đó, bởi vì chúng có nhiều tham số khó so sánh với những thí nghiệm thực hiện bằng công nghệ cũ”.

Các nhà khoa học biết rằng việc đảo ngược hiệu ứng Hall là kết quả từ các xoáy từ xuất hiện trong vật liệu siêu dẫn được đặt trong từ trường. Các xoáy là những điểm kỳ dị trong các eletron siêu dẫn lỏng – các cặp cooper – xung quanh dòng chảy của các cặp cooper, tạo ra các dòng vi mô siêu dẫn tuần hoàn có thể mang các đặc điểm vật lý mới của hiệu ứng Hall trong vật liệu.

Thông thường, sự phân bố của các electron trong vật liệu này tạo ra hiệu điện thế Hall nhưng trong các siêu dẫn, cuộn xoáy di chuyển dưới ảnh hưởng của dòng điện đặt vào, điều này tạo ra chênh lệch áp suất điện tử mà về mặt toán học tương tự với những hiện tượng khiến cho một chiếc máy bay bay được. Những khác biệt về áp suất này thay đổi hướng của dòng điện đặt vào giống như những chiếc cánh của một chiếc máy bay thay đổi chiều của dòng không khí mà nó đi qua, giúp nâng máy bay lên. Chuyển động của cuộn xoáy này tái phân bố lại các eletron một cách khác biệt, thay đổi hướng của hiệu điện thế Hall theo hướng ngược lại của hiệu điện thế Hall eletron thông thường.

Lý thuyết năm 1996 miêu tả một cách định lượng các hiệu ứng của các cuộn xoáy này, vốn chỉ được hiểu một cách định tính. Giờ đây, với một vật liệu mới mà các nhà khoa học của Harvard đã mất 5 năm để phát triển, lý thuyết này đã được kiểm nghiệm và xác nhận.

Vật liệu mỏng được làm từ bismuth này gần như có độ dày bằng một lớp nguyên tử, khiến nó là vật liệu hai chiều. Nó cũng là vật liệu duy nhất thuộc loại này, một siêu dẫn nhiệt độ cao dạng film mỏng; việc tạo ra được vật liệu như vậy là bước đột phá về mặt công nghệ trong khoa học siêu dẫn.

“Bằng việc giảm thiểu số chiều từ ba xuống hai, những thay đổi của các tính năng trong vật liệu này trở nên rõ ràng hơn và dễ nghiên cứu hơn”, Philip Kim, trưởng nhóm nghiên cứu tại Harvard nói. “Chúng tôi đã tạo ra được một dạng vô cùng đặc biệt của loại vật liệu này, điều đó cho phép chúng tôi xác định định tính lý thuyết năm 1996”.

Lý thuyết 1996 đã đưa ra một dự đoán là hiệu ứng Hall ngược dị thường có thể tồn tại bên ngoài các nhiệt độ mà loại vật liệu này chuyển thành siêu dẫn. Nghiên cứu này đã đem đến một miêu tả mang tính định lượng về hiệu ứng phù hợp một cách hoàn hảo với dự đoán về mặt lý thuyết.

“Trước khi chắc chắn được vai trò của các xoáy trong hiệu ứng Hall đảo ngược, chúng tôi không thể sử dụng nó như một công cụ đo đạc”, Vinokur nói. “Nhưng hiện tại thì chúng tôi biết là mình đúng, chúng tôi có thể sử dụng lý thuyết này để nghiên cứu về các dao động khác trong các chuyển pha, cuối cùng sẽ dẫn đến những hiểu biết sâu sắc hơn về siêu dẫn”.

Dẫu vật liệu trong nghiên cứu này là hai chiều, các nhà khoa học vẫn tin tưởng là lý thuyết này có thể ứng dụng trong mọi loại siêu dẫn. Do đó nghiên cứu trong tương lai sẽ bao gồm nghiên cứu sâu hơn về các vật liệu này – động thái của các xoáy có thể ứng dụng trong nghiên cứu toán học.

Các xoáy là những ví dụ về những vật thể có nhiều cấu trúc hoặc các vật thể với các đặc tính hình học độc đáo. Chúng hiện là chủ đề phổ biến trong toán học bởi các cách chúng hình thành và biến dạng, cũng như cách chúng thay đổi các đặc tính của vật liệu. Lý thuyết 1996 sử dụng topo để miêu tả tính chất của các xoáy, và các đặc tính topo của vật chất có thể mang đến nhiều thông tin vật lý mới.

“Thi thoảng bạn khám phá ra điều gì đó mới mẻ và kỳ lạ”, Vinokur nói về nghiên cứu của anh và đồng nghiệp, “nhưng thi thoảng bạn chỉ xác nhận là mình đã tiến hành nghiên cứu chỉ để hiểu về tính chất của những điều thường nhật hiển hiện ngay trước mắt”.

Công bố miêu tả kết quả nghiên cứu “Sign reversing Hall effect in atomically thin high-temperature superconductors” đã xuất bản trên Physical Review Letters.

Thanh Phương dịch

TS. Lê Xuân Chung (Viện KH&KT hạt nhân, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam) hiệu đính

Nguồn: https://eurekalert.org/pub_releases/2019-06/dnl-coo062819.php