Gợi ý đầu tiên về siêu dẫn ở gần nhiệt độ phòng hấp dẫn các nhà vật lý

Một hợp chất chứa lanthanum được coi như một chất siêu dẫn ở nhiệt độ gần nhiệt độ phòng. Nguồn: Nature

Các nhà vật lý cho rằng họ có thể đã đạt được một trong những mục tiêu đáng ao ước trong lĩnh vực này: tạo ra một vật liệu siêu dẫn có thể hoạt động ở nhiệt độ gần nhiệt độ phòng.

Bằng chứng này vẫn còn mới ở bước sơ khởi. Từ trước đến nay, nó mới được thực hiện trong điều kiện dưới áp suất khoảng 200 gigapascal – hoặc hai triệu lần áp suất khí quyển.

Nếu được xác nhận thì chiến công này có thể là ví dụ đầu tiên về chất siêu dẫn ở trên nhiệt độ 0⁰C và một số nhà vật lý nói, công việc này có thể sẽ là một cột mốc quan trọng trong nghiên cứu về hiện tượng siêu dẫn, khiến họ hy vọng vào môt ngày nào đó có thể tạo ra một chất phát điện, truyền dẫn và cho phép sử dụng điện hiệu quả hơn.

Giấc mơ dài

“Việc quan sát này thật kỳ diệu”, theo Yanming Ma – một nhà vật lý tại trường đại học Jilin tại Changchun, Trung Quốc. Dẫu sao anh cũng thận trọng cho biết, công việc này mới ở giai đoạn đầu. Việc chế tạo vật liệu ở nhiệt độ phòng từ lâu đã là “giấc mơ dài”, Ma nói, kể từ khi siêu dẫn được khám phá hơn một thế kỷ trước.

Russell Hemley – một nhà địa vật lý tại trường đại học George Washington tại Washington DC, là người đầu tiên công bố bằng chứng về hiện tượng lạ này tại một hội thảo vào tháng 8/2018. Nhóm nghiên cứu của anh mới xuất bản công bố trên Physical Review Letters.

Các tác giả đã thông báo về việc quan sát sự suy giảm bất thường trong điện trở tại nhiệt độ 7˚C trong một vật liệu mà họ tổng hợp được: một “superhydride” – một hợp chất chứa một lượng lớn hydro – của lanthanum (LaH₁₀). Sự suy giảm này là dấu hiệu của một chuyển pha sang siêu dẫn khi vật liệu được làm lạnh dưới nhiệt độ ngưỡng. “Chúng tôi rất tự tin rằng chúng tôi đã thấy một chuyển pha”, Hemley nói.

Thành công của siêu dẫn hoạt động ở mức 0˚C không chỉ mang ý nghĩa về mặt vật lý mà còn “đóng vai trò quan trọng về mặt tâm lý đối với các nhà nghiên cứu”, Mikhail Eremets – một nhà vật lý tại Viện nghiên cứu Hóa học Max Planck tại Mainz, Đức, nhận xét. Năm 2014, nhóm nghiên cứu của Eremets đã chứng tỏ một hợp chất hydro khác — hydro sulfua — trở thành chất siêu dẫn tại nhiệt độ đạt mức kỷ lục ở thời điểm đó là -83°C.

Kỷ lục cao

Trong thí nghiệm của mình, Hemley và cộng sự đã đặt một đầu đo kim cương vào chùm tia của một máy synchrotron tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Mỹ. Họ dùng các đầu kim cương để xiết một mẫu nhỏ lanthanum và hydro để tạo áp suất lên tới 200 gigapascals. Tiếp theo, họ gia nhiệt một cách tức thời cho hợp chất này và quan sát cấu trúc của nó thay đổi suốt theo các tính năng dẫn điện của chúng diễn ra bằng nhiễu xạ tia X.

Các nhà nghiên cứu đã từng tạo ra một cấu trúc mới - LaH₁₀ – với những mô phỏng do nhóm nghiên cứu của Hemley và của Ma đề xuất trước đây có thể trở thành siêu dẫn ở những mức nhiệt độ rất cao.

Vật liệu tiếp tục được làm lạnh – trong khi vẫn giữ áp suất cao – và các tính chất điện tiếp tục được đo đạc. Trong các điều kiện xác định, họ quan sát được sự sụt giảm điện trở tại nhiệt độ 280 kelvin, tương đương 7˚C.

Bằng chứng mà Hemley trình bày trong bài báo trên Physical Review Letters đã thuyết phục được Eremets. Các thí nghiệm tiếp theo của ông đề xuất nhiệt độ truyền dẫn của vật liệu không ổn định ở mức 7˚C, dẫu cho nó sẽ đạt được sự ổn định tại mức ấn tượng -23˚C.

Hemley cho biết, trong công trình sắp xuất bản tiếp theo, nhóm nghiên cứu của ông đã dò được một tín hiệu quan trọng khác của siêu dẫn: vật liệu này đẩy từ trường ra nó. Hiện tượng này được xem xét là bằng chứng bằng vàng về siêu dẫn và nếu được xác nhận, có thể chứng minh lời tuyên bố của nhóm ông là đúng đắn.

Mới chỉ là bước khởi đầu

Các hợp chất như siêu hydro do nhóm Hemley tạo ra, và hydro sulfua do nhóm Eremets nghiên cứu năm 2015 đã trở thành các chất siêu dẫn thông thường, trước đó từ những năm 1950, các tính năng vật lý của chúng đã được biết một cách tường tận. Các chất siêu dẫn thông thường với sự truyền dẫn tại nhiệt độ phòng đã được dự đoán trong nhiều thập kỷ nhưng chỉ những dự đoán này mới bắt đầu được kiểm chứng trong phòng thí nghiệm vào thời gian gần đây.

Nhiều chất siêu dẫn mang nhiều yếu tố ngoại lai được khám phá kể từ những năm 1980, và đến thời gian gần đây mới đạt được các nhiệt độ truyền dẫn ở mức cao kỷ lục, tuy nhiên vẫn chưa đạt được đến mức siêu dẫn tại nhiệt độ phòng và hơn nữa, vẫn chưa thể giải thích được những vấn đề cơ bản của chúng về mặt lý thuyết.

Hemley cho biết, ông tin chắc có những chất siêu dẫn khác đang tồn tại – vượt ra ngoài những khám phá trên các mô hình mô phỏng- với những nhiệt độ truyền dẫn ở mức cao hơn.

Và ông cho biết thêm là các thí nghiệm do nhóm ông thực hiện có thể đưa ra những gợi ý về cách phát triển các vật liệu có thể có những tính năng điện tử tương tự tại mức áp suất thấp hơn nhiều. “Đây mới chỉ là điểm bắt đầu của một kỷ nguyên mới về siêu dẫn”, Hemley nói.