Chất siêu dẫn là gì? Định nghĩa, loại và sử dụng

Chất siêu dẫn là vật liệu khi được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ gọi là nhiệt độ tới hạn thì đột ngột mất toàn bộ điện trở, cho phép nó dẫn điện mà không bị mất năng lượng . Những vật liệu này cũng thể hiện một tính chất từ ​​rất đặc biệt: chúng là những chất nghịch từ hoàn toàn, nghĩa là chúng loại trừ các đường sức từ. Điều này có nghĩa là khi đặt gần nam châm, các đường sức từ sẽ xuyên qua các mặt bên, nhưng không xuyên qua vật liệu.

Khi một dòng điện được tạo ra trong vật liệu siêu dẫn, chẳng hạn như dây dẫn tròn, dòng điện này tiếp tục chạy vô tận chừng nào vật liệu vẫn còn lạnh. Dòng điện không có điện trở này được gọi là siêu dòng và được sử dụng, trong số những thứ khác, để tạo ra từ trường rất mạnh.

Tính siêu dẫn, tức là tính chất của vật liệu trở thành chất siêu dẫn dưới nhiệt độ tới hạn, được phát hiện vào năm 1911 và hoàn toàn làm choáng váng các nhà vật lý thời bấy giờ. Phải mất hơn hai thập kỷ trước khi các đặc tính nghịch từ của nó (được gọi là hiệu ứng Meissner ) được phát hiện và gần nửa thế kỷ trước khi các nhà vật lý có thể giải thích tại sao hiện tượng siêu dẫn lại xảy ra. Đó là vào năm 1957 khi John Bardeen, Leon Cooper và Bob Schrieffer giải quyết vấn đề, đã mang về cho họ giải Nobel Vật lý năm 1972.

Nhiệt độ tới hạn và chất siêu dẫn nhiệt độ cao

Chất siêu dẫn đầu tiên được phát hiện có nhiệt độ tới hạn chỉ 3,6 K, tương đương với -269,6 °C. Tạo ra và duy trì nhiệt độ thấp như vậy là vô cùng khó khăn, điều này đã hạn chế việc sử dụng chất siêu dẫn cho một số ứng dụng rất cụ thể, như chúng ta sẽ thấy ở phần sau của bài viết này.

Vì lý do này, có hàng trăm nhà khoa học trên khắp thế giới đang không ngừng nghiên cứu phát triển chất siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn gần bằng nhiệt độ phòng. Những vật liệu này được gọi là chất siêu dẫn nhiệt độ cao.

Những tiến bộ ban đầu đã làm tăng nhiệt độ tới hạn lên vài chục độ, nhưng gần đây, lần đầu tiên một chất siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn 14,5 °C đã được phát triển.

các loại chất siêu dẫn

Về cơ bản có hai loại chất siêu dẫn, tùy thuộc vào thành phần của chúng và cách chúng tương tác với từ trường.

chất siêu dẫn loại I

Đây là những người đầu tiên được phát hiện. Đây là những nguyên tố thuần túy thể hiện hiệu ứng Meissner, nghĩa là chúng đẩy lùi từ trường khi chúng ở dưới nhiệt độ tới hạn. Nói chung, chúng có một nhiệt độ tới hạn duy nhất đặc trưng cho từng vật liệu và sự giảm điện trở xuống dưới nhiệt độ tới hạn là đột ngột.

Chất siêu dẫn loại II

Chúng bao gồm các hỗn hợp của các nguyên tố khác nhau kết hợp với nhau để tạo thành hợp kim hoặc vật liệu gốm thể hiện tính siêu dẫn. Điều làm cho chúng khác với chất siêu dẫn loại I là điện trở giảm dần, vì vậy chúng có hai nhiệt độ tới hạn: một khi điện trở bắt đầu giảm và một khi điện trở giảm xuống bằng không.

Một đặc điểm quan trọng khác của loại chất siêu dẫn này là nếu tác dụng một từ trường ngoài đủ mạnh, vật liệu sẽ mất tính siêu dẫn.

Công dụng của chất siêu dẫn

máy gia tốc hạt

Có lẽ ứng dụng ấn tượng nhất của chất siêu dẫn cho đến nay là trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học về vật lý hạt. Chất siêu dẫn được sử dụng trong các nam châm điện giữ chùm hạt giới hạn trong Máy Va chạm Hadron Lớn, một trong những cỗ máy lớn nhất do con người chế tạo.

năng lượng nhiệt hạch

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là nguồn năng lượng sạch mơ ước trong 100 năm. Tuy nhiên, để phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra và để duy trì nó, khí hydro và heli cần được làm nóng đến 100 triệu độ C khi nó quay bên trong một chiếc bánh rán rỗng gọi là Tokamak, nơi nó bị giới hạn bởi các nam châm điện cực mạnh làm bằng chất siêu dẫn. .

Tính toán lượng tử

Một trong những triển khai hứa hẹn nhất của điện toán lượng tử sử dụng các mạch siêu dẫn, vốn rất cần thiết cho hoạt động của nó.

chẩn đoán hình ảnh y tế

Sự phát triển của chất siêu dẫn đã cho phép tạo ra các thiết bị và kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh y tế mà trước đây không thể thực hiện được. Một trong những kỹ thuật này là kỹ thuật ghi từ não SQUID, có khả năng phát hiện những thay đổi trong từ trường bằng một phần tỷ từ trường cần thiết để di chuyển kim la bàn.

phát điện

Cuối cùng, một ứng dụng khác gần đây là việc sử dụng máy phát điện làm bằng dây siêu dẫn thay cho dây đồng. Những máy phát điện này hiệu quả hơn nhiều so với những máy phát điện thông thường, đồng thời nhỏ hơn và nhẹ hơn nhiều.

Người giới thiệu

Charles Slichter (2007). Giới thiệu về Lịch sử Siêu dẫn (dành cho sinh viên vật lý và các nhà khoa học). Lấy từ https://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.html

Castelvecchi, D. (Tháng 10 năm 2020). Chất siêu dẫn nhiệt độ phòng đầu tiên kích thích—và gây trở ngại—các nhà khoa học. Nature 586, 349. Lấy từ https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R.  et al.  (2020). Tính siêu dẫn ở nhiệt độ phòng trong hydrua lưu huỳnh cacbon. Thiên nhiên  586,  373–377. Lấy từ https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z#citeas