Phát hiện trạng thái siêu dẫn mới, mở đường cho đột phá tương lai

[Bùi Minh Nhật]

Siêu dẫn ở nhiệt độ phòng có thể cách mạng hóa hầu hết mọi công nghệ trên Trái Đất, nhưng con đường đi đến mục tiêu này vẫn còn nhiều thách thức. Các nhà khoa học tại Viện Công nghệ California (Caltech) vừa tiến thêm một bước với phát hiện về trạng thái siêu dẫn mới mang tên "điều chế mật độ cặp Cooper" (PDM). Mặc dù chưa phải là siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, nhưng phát hiện này giúp chúng ta hiểu sâu hơn về cơ chế siêu dẫn và có thể mở đường cho những đột phá trong tương lai.

Phát hiện mới về trạng thái siêu dẫn​

Từ khi nhà vật lý Heike Kamerlingh Onnes phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn vào năm 1911, các vật liệu này đã trở thành nền tảng cho nhiều công nghệ tiên tiến như máy MRI hay lò phản ứng nhiệt hạch. Tuy nhiên, một trong những hạn chế lớn nhất của siêu dẫn là chúng chỉ hoạt động ở nhiệt độ cực thấp, gần không tuyệt đối (-273,15°C). Những tiến bộ khoa học sau đó đã giúp nâng ngưỡng nhiệt độ siêu dẫn lên đáng kể, nhưng vẫn chưa thể đạt đến mức nhiệt độ phòng.

Nhiều nhà khoa học đã tuyên bố tìm ra vật liệu có thể siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, nhưng chưa có nghiên cứu nào đủ vững chắc để vượt qua sự kiểm chứng khắt khe của giới khoa học. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là không có tiến triển. Nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature đã đưa ra bằng chứng rõ ràng về trạng thái PDM – một trạng thái siêu dẫn với đặc tính đặc biệt có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về bản chất của hiện tượng này.

Hiểu sâu hơn về cơ chế siêu dẫn​

Khi một vật liệu đạt đến nhiệt độ tới hạn (Tc), các electron bên trong sẽ kết hợp thành cặp Cooper nhờ vào dao động của mạng tinh thể, được gọi là phonon. Cặp Cooper di chuyển qua vật liệu mà không mất năng lượng do va chạm, tạo ra trạng thái siêu dẫn.

Trước đây, giới khoa học đã đề xuất lý thuyết rằng khoảng cách năng lượng giữa các cặp Cooper có thể thay đổi trên một vật liệu, tạo ra hiện tượng gọi là "sóng mật độ cặp" (PDW). Nghiên cứu mới từ Caltech đã xác nhận sự tồn tại của dạng điều chế này ở mức độ nguyên tử, điều chưa từng được quan sát trước đây.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi quét đường hầm và một phương pháp mới để hạn chế ô nhiễm bề mặt, giúp quan sát sự điều chế khoảng cách giữa các cặp Cooper. Lingyuan Kong, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết mức điều chế này đạt tới 40%, mạnh nhất từng được ghi nhận, và đây là bằng chứng thực nghiệm rõ ràng nhất cho thấy điều chế khoảng cách có thể tồn tại ngay cả ở quy mô nguyên tử.

Dù nghiên cứu này chưa tạo ra siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, nhưng nó mở ra hướng đi mới để tìm hiểu về bản chất siêu dẫn. Nếu có thể khai thác hiện tượng này trong các vật liệu khác, các nhà khoa học có thể tiến gần hơn đến việc phát triển vật liệu siêu dẫn ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường – một bước tiến lớn trong lĩnh vực vật liệu lượng tử. (popularmechanics)