Các nhà khoa học Mỹ đã tạo ra được loại nam châm mạnh nhất thế giới

Một nhóm các nhà khoa học Mỹ vừa phá vỡ kỷ lục khi tạo ra được loại nam châm mạnh nhất thế giới.

Phòng thí nghiệm từ trường quốc gia Mỹ (MagLab) thuộc Đại học bang Florida đang vận hành hệ thống nam châm hybrid mạnh nhất thế giới. Nam châm có cường độ cảm ứng từ đạt 45 tesla, tức cao hơn khoảng 20 lần so với máy chụp cộng hưởng từ (MRI) tại bệnh viện. Nam châm trong MRI của bệnh viện thường chỉ có 2-3 tesla. Đơn vị Tesla (T) dùng để đo cường độ cảm ứng từ trong hệ SI. Tuy nhiên đó chưa phải là mức cao nhất khi mới đây, các nhà nghiên cứu cũng tại phòng thí nghiệm này đã tạo ra được nam châm 45,5 tesla.

Mặc dù không phải là một bước nhảy vọt quá lớn nhưng nó đã mở đường cho các loại nam châm thậm chí còn có từ trường mạnh hơn thế dựa trên nguyên tắc siêu dẫn.

Từ trường là một tính chất của vật chất và thường được tạo ra bằng cách di chuyển các điện tích. Các nhà khoa học tạo ra từ trường mạnh bằng cách tạo ra các cuộn dây cảm điện, hay còn gọi là solenoids. Từ trường sẽ di chuyển trong cuộn dây khi có điện tích đi qua. Việc tăng mật độ dòng điện qua cuộn dây dẫn sẽ giúp từ trường trở nên mạnh hơn.

Trong hai thập kỷ qua, hệ thống nam châm hybrid 45 tesla là từ trường dòng điện mạnh nhất mà các nhà khoa học có thể tạo ra. Nam châm mới nhất của MagLab gồm một nam châm siêu dẫn 11,5 tesla kết hợp với một nam châm điện trở 33,5 tesla và bên trong cuộn dây được làm từ chất liệu siêu dẫn Nb3Sn. Dây đồng tạo ra nhiệt khi dòng điện đi qua và nó cần lượng điện năng lên tới 31MW để vận hành. Lượng điện năng này thậm chí còn nhiều hơn cả lượng điện tiêu thụ cực đại của một số tàu ngầm hạt nhân và sẽ cần rất nhiều nước để làm mát.

Seungyong Hahn, phó giáo sư tại Đại học Kỹ thuật FAMU-FSU, đồng thời là trường nhóm nghiên cứu tại MagLab cho biết, nam châm sử dụng cuộn băng được phủ một lớp chất siêu dẫn oxit-đất-bari-đồng-oxit (REBCO) thay vì niobium-tin. Lớp phủ này giúp nó đạt được tính siêu dẫn ngay cả ở nhiệt độ cao. Lớp băng này có chiều rộng chỉ ngang một sợi tóc và có thể quấn chặt được, qua đó giúp tăng mật độ dòng điện và cường độ từ trường.

Nam châm 45,5 tesla nặng chỉ khoảng 390 gram và trông hơi giống một chồng đĩa phẳng, ngắn được bọc trong các dải kim loại mỏng.

Hiện nay, nam châm điện đa số có chứa lớp cách điện giữa các lớp để dẫn dòng hiệu quả hơn. Nhưng lớp cách điện này cũng khiến dây thêm nặng và có lớn không cần thiết. Tuy nhiên nam châm siêu dẫn của MagLab lại không hề có lớp cách điện. Ngoài lợi ích giúp nam châm trông gọn nhẹ hơn mà còn bảo vệ giúp tránh khỏi các sự cố hiện tượng dập tắt (quench). Hiện tượng này có thể xảy ra khi xuất hiện các hư hỏng trên dây dẫn làm chặn dòng điện từ trường, làm cho vật liệu nóng lên và mất các đặc tính siêu dẫn.

Từ trường cực mạnh rất hữu ích trong các ứng dụng khoa học cơ bản, ví dụ như tìm hiểu tính chất của vật liệu mới. Tuy nhiên đây mới chỉ là nghiên cứu mang tính chứng minh cho ý tưởng và chưa đủ độ tin cậy để tiến hành trong nhiều thí nghiệm khác.

Tầm quan trọng của nghiên cứu này là cung cấp cơ sở để chế tạo các loại nam châm sử dụng chất liệu siêu dẫn oxit đồng ngay càng mạnh hơn nữa. Trong tương lai, công nghệ chế tạo nam châm siêu mạnh này có thể dùng để chế tạo máy dò hạt, lò phản ứng hạt nhân hoặc các công cụ chuẩn đoán y học.

Tiến Thanh