Các nhà nghiên cứu tổng hợp được vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng

Xuất hiện trên trang bìa tạp chíNature, công trình do nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Ranga Dias, một trợ lý giáo sư vật lý và kỹ thuật cơ học, thực hiện.

Dias cho biết, phát triển các vật liệu siêu dẫn – không có điện trở và loại từ trường tại nhiệt độ phòng – là “chén thánh” của vật lý chất rắn. Tìm kiếm trong hơn một thế kỷ, nhiều vật liệu như vậy “có thể làm thay đổi cả thế giới”, Dias nói.

Trong việc thiết lập kỷ lục mới, Dias và nhóm nghiên cứu của mình đã kết hợp hydro với carbon và sulfur để tổng hợp về mặt quang hóa carbonaceous sulfur hydride dẫn xuất hữu cơ trong một thiết bị đe kim cương (DAC), một thiết bị nghiên cứu được sử dụng để kiểm tra lượng vật liệu cực nhỏ dưới mức áp suất cực cao.

Carbonaceous sulfur hydride trở nên siêu dẫn tại mức 58 độ F và áp suất 39 triệu PSI. Đây là lần đầu tiên người ta có thể quan sát được vật liệu siêu dẫn tại nhiệt độ phòng.

“Do giới hạn của nhiệt độ thấp, các vật liệu với những đặc tính khác thường như vậy không hoàn toàn chuyển đổi thế giới theo cách mà nhiều người có thể hình dung. Dẫu vậy, khám phá của chúng tôi sẽ phá vỡ những rào cản đó và mở cánh cửa cho nhiều ứng dụng tiềm năng”, Dias nói. Ông cũng có liên kết với các chương trình nghiên cứu Khoa học vật liệu và Vật lý mật độ năng lượng cao của trường Rochester.

Các ứng dụng gồm:

• Các lưới điện có khả năng truyền tải điện mà không bị mất mát điện năng lên tới 200 triệu MWh của lưới điện hiện nay do xuất hiện điện trở trong dây dẫn.
• Cách mới để làm tăng tốc các chuyến tàu và những hình thức vận tải khác.
• Hình ảnh y học và các kỹ thuật quét như cộng hưởng từ (MRI) và từ tâm đồ
• Các thiết bị điện tử hiệu quả hơn nhanh hơn cho logic số và công nghệ thiết bị ghi nhớ.

“Chúng ta sống trong một xã hội bán dẫn và với công nghệ về siêu dẫn, anh có thể đưa xã hội này thành xã hội siêu dẫn nơi anh sẽ không bao giờ cần đến những thứ như pin nữa”, Ashkan Salamat của trường đại học Nevada Las Vegas, một đồng tác giả của phát hiện này, giải thích.

Lượng vật liệu siêu dẫn được tạo bằng các thiết bị đe kim cương được đo đạc ở mức picoliter – khoảng bằng kích thước một hạt mực in.

Dias cho biết, thách thức tiếp theo là tìm kiếm các cách để tạo ra các vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng tại các mức áp suất thấp hơn vì khi đó việc tạo ra chúng với số lượng lớn sẽ trở nên kinh tế hơn. So sánh với việc tạo ra hàng triệu pound áp suất trong các thiết bị đe kim cương thì áp suất khí quyển của trái đất ở mực nước biển vào khoảng 15 PSI.

Tại sao tạo ra vật chất ở nhiệt độ phòng

Isaac Silvera (phải) và Ranga Dias (trái) trong phòng thí nghiệm.

Khám phá đầu tiên vào năm 1911, siêu dẫn đem lại cho các vật liệu hai đặc tính quan trọng: không điện trở, từ trường bị loại trừ, tùy thuộc vào một hiện tượng gọi là hiệu ứng Meissner. Các dòng từ trường phải chuyển vòng quanh vật liệu siêu dẫn, khiến cho nó có thể làm bay nhiều vật liệu, có thể được sử dụng để tạo ra các con tàu cao tốc không ma sát, hay còn gọi là tàu đệm từ.

Các nam châm điện siêu dẫn là các hợp phần tới hạn của tàu đệm từ, các thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) và cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), các máy gia tốc hạt và những công nghệ tiên tiến khác, bao gồm cả các siêu máy tính lượng tử thời kỳ đầu.

Nhưng các vật liệu siêu dẫn được sử dụng trong những thiết bị này chỉ hoạt động tại các mức nhiệt độ cực thấp – thấp hơn bất kỳ nhiệt độ thông thường trong tự nhiên trên trái đất. Giới hạn này khiến chúng trở nên đắt đỏ để duy trì - và quá đắt để mở rộng cho những ứng dụng tiềm năng khác. “Chi phí đó khiến cho các vật liệu đó phải ở những mức nhiệt độ lạnh cryo tới mức anh không thể hưởng lợi gì từ nó”, Dias nói.

Trước đây, mức nhiệt độ cao nhất cho vật liệu siêu dẫn đạt được là trong phòng thí nghiệm của Mikhail Eremets tại Viện nghiên cứu Hóa học Max Planck ở Mainz, Đức, và nhóm nghiên cứu Russell Hemley tại trường đại học Illinois tại Chicago (năm 2019). Nhóm nghiên cứu này cho biết đạt siêu dẫn tại mức -10 đến 8 độ F với lanthanum superhydride.

Các nhà nghiên cứu đã khám phá ra ô xít đồng và hóa chất chứa sắt là những ứng cử viên tiềm năng cho các siêu dẫn ở mức nhiệt độ cao trong những năm gần đây. Tuy vậy, hydro – nguyên tố có nhiều nhất trong vũ trụ - cũng tỏ ra là một đơn vị đầy hứa hẹn.

“Để đạt được siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, anh cần những liên kết mạnh hơn và những nguyên tố nhẹ hơn. Chúng đều là những tiêu chuẩn rất cơ bản”, Dias nói. “Hydro là vật liệu nhẹ nhất và liên kết hydro là một trong những liên kết mạnh nhất.

“Về lý thuyết hydro kim loại rắn có nhiệt độ Debye cao và kết cặp electron-phonon mạnh cần thiết để tạo ra siêu dẫn ở nhiệt độ phòng”.

Tuy nhiên, người ta cần mức áp suất cao khác thường để đưa hydro nguyên chất vào trạng thái kim loại - lần đầu đạt được trong một phòng thí nghiệm với thành công của của giáo sư Isaac Silvera (trường đại học Harvard) và Dias sau đó làm postdoc dưới sự dẫn dắt của Silvera.

Một thay đổi mô hình

Thiết bị tạo ra chất siêu dẫn

Và vì vậy, phòng thí nghiệm của Dias tại Rochester đã theo đuổi một “thay đổi mô hình” trong cách tiếp cận đó, sử dụng như một giải pháp các vật liệu giàu hydro bắt chước pha siêu dẫn khó nắm bắt này của hydro nguyên chất và có thể được kim loại hóa tại các mức nhiệt độ thấp hơn.

Đầu tiên, phòng thí nghiệm của Dias kết hợp yttrium và hydro. Kết quả yttrium superhydride thể hiện tính siêu dẫn tại mức nhiệt độ sau đó là một kỷ lục mới, 12 độ F và áp suất 26 triệu pound mỗi inch vuông.

Sau đó, họ khám phá ra các vật liệu dẫn xuất hữu cơ giàu hydro hóa trị. “Sự hiện diện của carbon này rất quan trọng. Việc “điều chỉnh thành phần” của hợp chất này có thể đóng vai trò thiết yếu để đat được siêu dẫn tại các mức nhiệt độ cao hơn, họ cho biết thêm.