Vật liệu siêu dẫn có điện trở nhỏ (gần bằng 0) nên có thể duy trì dòng điện trong thời gian dài và tạo từ trường rất mạnh. Bên cạnh vật liệu đồng oxit đã được phát hiện từ lâu, các nhà khoa học đã chế tạo thành công vật liệu siêu dẫn đầu tiên từ niken oxit.
Niken(II) oxit, hay còn gọi là nickelate, là cái tên đầu góp mặt trong danh sách những vật liệu siêu dẫn không chính thống tiềm năng và có tính chất tương đồng với đồng oxit. Sau khi phát hiện tính chất siêu dẫn của đồng oxit (1986), các nhà khoa học đã kỳ vọng phát triển các chất siêu dẫn hoạt động được dưới nhiệt độ phòng và tạo nên cuộc cách mạng về thiết bị điện tử, truyền dẫn năng lượng và các công nghệ khác. Chính những đặc điểm tương đồng giữa hai chất đã gây tò mò liệu niken oxit có tạo ra hiện tượng siêu dẫn trong nhiệt độ tương đối cao hay không.
Song, vật liệu mới được chế tạo lại có một vài khác biệt cơ bản so với đồng oxit, ví dụ như không sở hữu từ tính đặc trưng ở tất cả các oxit đồng siêu dẫn. Điều này có thể đảo lộn các lý thuyết hiện có về phương thức hoạt động của các chất siêu dẫn không chính thức, trong đó có niken oxit. Sau hơn ba thập kỷ nghiên cứu, các nhà khoa học vẫn chưa thu được thông tin chi tiết gì về phương thức hoạt động của chúng.
“Đây là một phát hiện rất quan trọng, yêu cầu chúng ta phải xem xét lại những chi tiết về cấu trúc điện và các cơ chế hoạt động khả dụng tạo nên tính siêu dẫn trong các vật liệu này”, George Sawatzky, giáo sư vật lý và hóa học tại Đại học British Columbia, đưa ra bình luận về kết quả nghiên cứu. “Nó sẽ lôi kéo hàng loạt các nhà khoa học nghiên cứu về loại vật liệu mới này và cho ra nhiều kết quả từ cả lý thuyết và thí nghiệm.”
Từ lâu, các nhà khoa học đã hy vọng chế tạo được các vật liệu oxit siêu dẫn từ niken, chất nằm ngay cạnh đồng trong bảng tuần hoàn hóa học. Tuy nhiên, thực tế cho thấy quá trình thực hiện gặp rất nhiều khó khăn. Hợp chất niken oxit nhóm nghiên cứu cất công chế tạo lại không có tính ổn định ở nhiệt độ cao khoảng 600 độ C – mức nhiệt thông thường để chế tạo các chất siêu dẫn. Do đó, tiến sĩ Danfeng Li, trưởng dự án nghiên cứu và các cộng sự phải bắt đầu với một chất ổn định ở nhiệt độ cao rồi mới chuyển hóa sang dạng mong muốn ở nhiệt độ thấp hơn.
Chất ban đầu có dạng perovskite đặc trưng với cấu trúc nguyên tử hình kim tự tháp đôi chứa neodymi, niken và oxy, sau đó thêm xúc tác stronti. Đây là quy trình bổ sung hóa chất thông thường nhằm tạo thêm electron tự do trong vật liệu. Khi đó, electron sẽ bị rút khỏi nguyên tử niken, tạo các “lỗ trống” khiến niken trở nên kém ổn định và sẵn sàng cho bướt tiếp theo: tạo lớp phim niken trên một bề mặt. Quá trình này đòi hỏi nhóm nghiên cứu mất 6 tháng thử nghiệm.
Tấm phim sau đó sẽ được cắt thành những mảnh nhỏ, buộc lỏng bằng foil nhôm và cất trong ống nghiệm ngâm hóa chất giúp đẩy lớp phân tử oxy ra khỏi tấm phim với cơ chế tương tự như trò chơi rút gỗ. Sau quá trình này, tấm phim sẽ mang cấu trúc nguyên tử hoàn toàn mới, trở thành niken oxit xúc tác stronti.
Thí nghiệm sau đó cho thấy niken oxit biểu hiện khả năng siêu dẫn trong môi trường cực lạnh (9-15 độ K, tương đương-268 đến -264 độ C), song vẫn có khả năng biểu hiện ở những nhiệt độ cao hơn trong các thí nghiệm sắp tới.
Nghiên cứu được thực hiện bởi tiến sĩ Danfeng Li, kết hợp với Viện Khoa học Vật liệu và Năng lượng (Đại học Stanford) và Phòng thí nghiệm Gia tốc Quốc gia Mỹ - SLAC. Kết quả nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Nature.
Nguồn: https://phys.org/news/2019-08-superconductivity-nickel-oxide-material.html