Kamerlingh Onnes: Người khám phá hiện tượng siêu dẫn

Heike Kamerlingh Onnes sinh ra tại Groningen, Hà Lan vào ngày 21/9/1853. Cha của ông sở hữu một công ty kinh doanh gạch ngói. Năm 1870, ông bắt đầu theo học trường Đại học Groningen, sau đó trải qua hai năm ở Đại học Heidelberg và quay trở lại Đại học Groningen để bảo vệ thành công luận án tiến sĩ vật lý năm 1879.

Trong suốt sự nghiệp, Onnes đã có nhiều công trình nghiên cứu nổi bật liên quan đến việc đạt đến nhiệt độ ngày càng thấp và khám phá các đặc điểm của vật chất trong môi trường siêu lạnh. Ông bắt đầu nghiên cứu các chất khí ở nhiệt độ thấp khi làm giảng viên tại Đại học Leiden vào năm 1882.

Năm 1898, một nhà khoa học người Scotland tên là James Dewar đã đánh bại Onnes trong cuộc đua hóa lỏng khí hydro. Kể từ đó, Onnes chuyển sang mục tiêu mới là hóa lỏng khí heli, và lần này ông đã vượt qua Dewar trong nhiệm vụ tạo ra heli lỏng đầu tiên vào tháng 7/1908. Mặc dù ông chỉ hóa lỏng một lượng nhỏ heli, nhưng đây là thực nghiệm cho thấy việc làm lạnh các chất đến nhiệt độ thấp gần bằng độ không tuyệt đối là hoàn toàn khả thi. Độ không tuyệt đối là trạng thái nhiệt động học lý tưởng của vật chất, trong đó mọi chuyển động nhiệt đều ngừng. Theo các kết quả tính toán lý thuyết, trạng thái này đạt được đối với mọi hệ vật chất ở nhiệt độ khoảng -273°C, hay 0°K (độ Kelvin).

Sau nhiều nỗ lực, Onnes đã làm lạnh heli lỏng xuống khoảng một độ so với độ không tuyệt đối, và đây cũng là nhiệt độ lạnh nhất mà nhân loại đạt được tính đến thời điểm đó. Ông đã dành ba năm tiếp theo để phát triển các thiết bị lưu trữ heli lỏng nhằm mục đích sử dụng trong các nghiên cứu sâu hơn. Thay vì tiếp tục thực hiện nhiệm vụ đạt đến nhiệt độ ngày càng thấp, ông chuyển sự chú ý của mình sang việc sử dụng heli lỏng để nghiên cứu các đặc tính của vật chất khi tiến đến gần độ không tuyệt đối.

Vào mùa xuân năm 1911, Onnes bắt đầu nghiên cứu tính dẫn điện của kim loại ở nhiệt độ thấp. Khi đó, các nhà vật lý biết rằng điện trở thường giảm khi một mẫu kim loại được làm lạnh, nhưng họ không biết điều gì sẽ xảy ra khi nhiệt độ đạt đến mức cực thấp, gần bằng độ không tuyệt đối. Một số người đề xuất giả thuyết điện trở sẽ tiếp tục giảm từ từ, và cuối cùng đạt đến không khi nhiệt độ về không [0°K], hoặc điện trở sẽ chững lại ở một giá trị không đổi nào đó. Những người khác, bao gồm Lord Kelvin, suy đoán rằng các electron trong kim loại ngừng chuyển động ở mức nhiệt độ gần với độ không tuyệt đối, và điện trở sẽ trở nên lớn vô hạn. Onnes quyết định sẽ tìm câu trả lời cho câu hỏi này.

Do Onnes tin rằng bất kỳ tạp chất nào trong kim loại cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm nên ông đã lựa chọn thủy ngân (Hg) cho nghiên cứu của mình, bởi vì ông có thể tạo ra các mẫu kim loại thủy ngân cực kỳ tinh khiết. Trước đó, ông cũng tiến hành một số thí nghiệm với vàng (Au), nhưng sau đó ông chuyển sang thủy ngân. Đây là một sự thay đổi có phần may mắn, vì nếu mắc kẹt với vàng ông sẽ không thể phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn.

Onnes giữ thủy ngân trong một ống hình chữ U có dây dẫn ở hai đầu, sau đó, ông cho dòng điện chạy qua thủy ngân trong ống và đo điện trở khi hạ thấp nhiệt độ. Lúc đầu, khi nhiệt độ giảm xuống, điện trở cũng giảm từ từ. Khi nhiệt độ giảm còn 4,19°K, điện trở đột nhiên biến mất. Onnes cảm thấy bị sốc, vì hiện tượng này trái ngược với những các nhà khoa học từng dự đoán trước đây.

Ban đầu, Onnes không tin những gì mình nhìn thấy. Ông nghĩ rằng có thể bộ dụng cụ thí nghiệm đã gặp vấn đề hoặc xảy ra hiện tượng đoản mạch. Ông lặp lại thí nghiệm cho đến khi xác nhận hiệu ứng đáng kinh ngạc này thực sự có thật. Cuối tháng 4/1911, ông xuất bản bài báo đầu tiên của mình với tựa đề “Điện trở của thủy ngân tinh khiết ở nhiệt độ heli hóa lỏng” trên tạp chí Communications from the Physical Laboratory của Đại học Leiden. Đến tháng 11/1911, ông xuất bản một bài báo khác có tựa đề “Sự thay đổi đột ngột tại thời điểm điện trở của thủy ngân biến mất”.

Ngay sau khi phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn ở thủy ngân, Onnes chứng minh rằng thiếc và chì cũng trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ thấp. Ông nhanh chóng nhận ra tiềm năng thương mại của khám phá này. Bài thuyết trình của ông về hiện tượng siêu dẫn tại một hội nghị khoa học diễn ra vào năm 1912 đã khiến các nhà khoa học hứng thú. Ông dự đoán một ngày nào đó dây siêu dẫn sẽ truyền tải điện đến người tiêu dùng, cung cấp nguồn điện rẻ và gần như không giới hạn.

Tuy nhiên, sau đó một thời gian ngắn Onnes đã cảm thấy thất vọng, khi ông phát hiện ngay cả một từ trường nhỏ cũng có thể phá huỷ một đường điện siêu dẫn.

Năm 1913, Onnes lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ “supraconductivity” để mô tả hiệu ứng do mình khám phá ra, sau đó ông đổi tên nó thành “superconductivity” (siêu dẫn). Đến năm 1914, ông phát hiện một hiện tượng thú vị khác. Ông cho một dòng điện chạy trong dây dẫn ở điều kiện môi trường tạo ra hiện tượng siêu dẫn. Một năm sau, ông nhận thấy dòng điện vẫn đang truyền đi mà không có bất kỳ sự thay đổi đáng chú ý nào.

Onnes đoạt giải Nobel Vật lý năm 1913, chỉ hai năm sau khám phá đáng kinh ngạc của mình. Ông được vinh danh vì công trình nghiên cứu vật lý ở nhiệt độ thấp, đặc biệt là sự hóa lỏng của khí heli.

Onnes mắc bệnh hiểm nghèo và qua đời vào năm 1926. Trong nhiều thập kỷ sau phát hiện ban đầu của ông, không ai có thể giải thích hiện tượng siêu dẫn hoạt động như thế nào. Bản thân ông tin rằng cơ học lượng tử có thể giải thích nó, nhưng ông không thể đưa ra lý thuyết cuối cùng.

Phải đến năm 1957, ba nhà khoa học Bardeen, Cooper và Schrieffer mới xây dựng thành công một lý thuyết giúp giải thích hiện tượng siêu dẫn. Năm 1986, Bednorz và Mueller đã tạo ra chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao đầu tiên, một bước đột phá dẫn đến sự bùng nổ của các nghiên cứu sâu hơn. Các chất siêu dẫn ngày nay được sử dụng rộng rãi trong tàu hỏa, thiết bị chụp cộng hưởng từ (MRI), trong vật lý năng lượng cao và một số ứng dụng năng lượng điện.