A series of articles on “Technology in Medicine” - Part 16

 Nobel Prizes liên quan đến chất siêu dẫn

 
Trần Trí Năng

 

Cộng đồng khoa học bắt đầu quan tâm đến hiện tượng siêu dẫn từ năm 1848, khi Lord Kelvin xác định nhiệt độ tuyệt đối (absolute temperature) là -273 C. Sau đó, nhiều nghiên cứu được thực hiện để t́m hiểu nguồn gốc cơ học lượng tử (quantum-mechanical origins) của hiện tượng siêu dẫn. Mặc dù lănh vực siêu dẫn này đă mang lại nhiều giải Nobel trong ṿng hơn 100 năm nay, ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn trên thị trường tương đối ít thành công, ngoại trừ trong công nghệ MRI!

Chúng tôi sẽ theo thứ tự tŕnh bày đề tài liên quan đến những giải thưởng này dựa vào hai phần; phần thứ nhất liên quan đến tính siêu dẫn của thỏi nam châm và phần thứ hai liên quan đến tính siêu dẫn:

 

1. Giải Nobel liên quan đến thỏi nam châm có tính siêu dẫn

Ngoài giải Nobel về MRI đă được tŕnh bày trong những bài viết trước [1], chúng tôi xin  tŕnh bày ba giải Nobel khác có liên quan trực tiếp đến hiện tượng siêu dẫn trong thỏi nam châm dùng trong MRI. 

1.1  1913 Nobel Prize
Khi xác định nhiệt độ tuyệt đối (absolute temperature) -273 C, Lord Kelvin nghĩ rằng ở nhiệt độ này, tất cả hạt electron sẽ đông lại, biến chất dẫn điện (conductor) thành chất cách điện hoàn hảo (perfect insulator). Một số nhà khoa học khác th́ có lối suy nghĩ ngược lại: họ cho
rằng  điện trở sẽ giảm dần với sự suy giảm của nhiệt độ; khi xuống đến nhiệt độ tuyệt đối, điện trở sẽ biến mất. Sự thật th́ cả hai lối suy nghĩ này đều không đúng!

Heik Kamerlingh Onnes (H́nh 1) - giáo sư vật lư của Leiden University ở Hà Lan, đă t́m ra được câu trả lời chính xác vào năm 1911. Ông này đo điện trở  của thủy ngân kết đông xuống tới nhiệt độ rất thấp chỉ cách nhiệt độ tuyệt đối khoảng vài độ. Ông t́m thấy điện trở tiếp tục giảm cho đến khi nhiệt độ giảm xuống tới 4.3 K trên nhiệt độ tuyệt đối; và giảm một cách đột ngột xuống c̣n zero sau đó. Lúc đầu, Onnes nghĩ là có lẽ do mạch điện bị chạm. Phải mất một khoảng thời gian, ông mới khám phá ra đây là hiện tượng siêu dẫn (superconductivity). Ông nhận được giải Nobel Vật lư về sự khám phá này vài năm sau đó! Quá tŕnh của sự khám phá này bắt đầu từ 1908, khi Kamerlingh Onnes thành công trong việc tạo thành chất hê li lỏng (liquid helium) [2].

Sự thành công này đă giúp ông khảo sát tính chất nhiệt động học của chất hêli trong trạng thái lỏng và trạng thái khí. Ông tiếp tục nghiên cứu tính chất điện học của kim loại ở nhiệt độ thấp tới khoảng 1 K và sau đó là hiện tượng siêu dẫn. Ông cũng khám phá ra một hiện tượng nữa là một chất siêu dẫn có thể trở lại trạng thái không siêu dẫn bằng cách áp đặt một ḍng điện lớn hay một từ trường lớn qua vật liệu này.  

H́nh 1. GS Heik Kamerlingh Onnes, Khoa vật lư của Leiden University ở Hà Lan. Ông nhận giải Nobel Vật lư về hiện tượng siêu dẫn vào năm 2013, mở đâu những nghiên cứu liên quan đến tính siêu dẫn trong ṿng hơn 100 năm nay. 

1.2 1972 Nobel Prize
Năm 1957, John Bardeen, Leon N. Cooper and J. Robert Schrieffer  triển khai một lư thuyết vi mô (microscopic theory) hoàn chỉnh hơn để cắt nghĩa hiện tượng siêu dẫn gọi là lư thuyết  BCS (từ chữ đầu của tên ba người) [3].
Trong các vật dẫn điện b́nh thường, những điện tử bị phân tán bởi tạp chất, sự lệch hướng, ranh giới hạt và bởi sự dao động mạng tinh thể (phonon). Tuy nhiên, trong chất siêu dẫn, ở một nhiệt độ rất thấp, một trật tự giữa các hạt electron sẽ ngăn cản sự tán xạ này. Do đó, ḍng điện có thể chạy mà không gặp phải một sức điện trở nào cả. Thứ tự của các electron, được gọi là Cặp Cooper (Cooper pairs), liên quan đến thời điểm du nhập của các hạt electron hơn là vị trí của chúng. Năng lượng trên mỗi hạt điện tử liên quan đến thứ tự này cực kỳ nhỏ. Cooper pairs này là nguyên do chính tạo nên tính chất siêu dẫn của chất siêu dẫn loại I (superconductor type I) [4].

Năm 1972, John Bardeen, Leon N. Cooper and J. Robert Schrieffer (H́nh 2) nhận giải Nobel Vật Lư "về sự triển khai một lư thuyết vi mô về chất siêu dẫn, thường được gọi với cái  tên Lư thuyết BCS/ for the jointly developed theory of superconductivity, usually called the BCS theory”. Cũng nên chú thích ở đây là GS Bardeen là người đă lănh hai giải Nobel Vật lư : giải thứ nhất  về tranzito (transistor) và giả thứ hai về  tính chất siêu dẫn. 

H́nh 2. GS Bardeen,  GS Cooper và GS Schrieffer nhận giải Nobel Vật lư năm 1972 về lư thuyết BCS. 

Cặp Cooper (Cooper pair)

Khi hai đầu của chất siêu dẫn được nối với hai đầu điện cực của cục pin, hạt electron bị thu hút về cực dương khi nhiệt độ giảm xuống chẳng hạn tới nhiệt độ của heli lỏng (liquid helium).

Sự di động nhanh của hạt electron giữa những nguyên tử trong mạng (lattice)  gây nên lực thu hút nhỏ (slight attraction) bởi những nguyên tử có điện tích dương (positively charged) v́ electrons có điện tích âm (negatively charged) (H́nh 3a và 3b).

Những nguyên tử này kết thành nhóm với nhau tạo thành một sự xáo động cục bộ (local disturbance), v́ thế trở nên có nhiều điện dương hơn. Lúc này, nếu môt electron thứ hai (mới) du nhập vào trong mạng; hạt electron này sẽ bị hút mạnh vào sự nhiễu loạn  cục bộ bởi lượng điện tích dương có sẵn (H́nh 3c)

Cũng có thể có khả năng là những hạt tải có điện tích giống nhau sẽ đẩy xa nhau. V́ thế, hai hạt electron  có điện tích âm sẽ phải đẩy nhau ra. Nhưng chuyện này không xảy ra v́ trên thực tế, có nhiều nguyên tử nữa liên quan đến sự nhiễu loạn này đưa đến một vùng thu hút rộng chiếm vào  khoảng 100-1000 nguyên tử. Kết quả, hai hạt electrons này nối buộc với nhau, tạo thành một cặp Cooper (Cooper pair) (H́nh 3d). [5]

H́nh 3.

(a): Hạt electron bị thu hút bởi một lực nhỏ gây ra bởi những nguyên tử có điện tích dương; (b) Những nguyên tử này kết thành nhóm với nhau tạo thành sự xáo động cục bộ  (local disturbance), v́ thế có nhiều điện tích dương hơn; (c) khi môt electron thứ hai (mới) bay vào, hạt điện tử này sẽ bị lôi cuốn mạnh hơn vào sự nhiễu loạn  cục bộ v́ điện tích dương nhiều hơn và (d) Cặp Cooper (Cooper pair)  được h́nh thành [5]. 

Nhưng sự nối buộc giữa hai hạt electron rất là yếu, ngay cả một chấn động nhiệt nhỏ cũng đủ phá vỡ. Đó là lư do chúng ta cần hêli lỏng. Khi cặp Cooper h́nh thành, có vài sự kiện thú vị xảy ra: protons, neutrons và hạt electron tất cả là fermions. V́ vậy những hạt electrons này không thể nằm cùng ở  một trạng thái năng lượng. Đây cũng là lư do electron-fermion quay  theo quỹ đạo chung quanh hạt nhân (H́nh 4a).

Nếu những hạt electron này là bosons, th́ những hạt này có thể ở cùng một trạng thái năng lương (trạng thái cơ bản hay ground state). Và sẽ không có phản ứng hóa học nào xảy ra! Điều này quan trọng cho tính siêu dẫn! Hai hạt điện tử trong cặp Cooper vẫn c̣n là fermions nhưng tác dụng lẫn nhau như bosons. Có nghĩa là tất cả những cặp Cooper có thể kết nhóm với nhau ở cùng một trạng thái năng lượng cơ bản (low energy level). Chúng bây giờ là bosons, và không c̣n là fermions nữa (H́nh 4b).

V́ cặp Cooper nối buộc với nhau ở một khoảng cách lớn, nhiều cặp Cooper chồng chất và gối đầu lên nhau. Sự chồng chéo mới này vướng mắc vào nhau và tạo nên một mạng lớn cho sự tương tác của những hạt electron (a large network of interactions)

Mạng lớn này này sẽ bị thu hút về phía cực dương của cục pin và v́ thế trở nên dẫn điện (H́nh 4c & 4d).

Chúng ta không thể lấy bất kỳ năng lượng nào từ trạng thái năng lượng thấp nhất nơi các bosons tồn tại. Đây là điệu vũ lượng tử mạnh (a strong quantum dance) của Cooper pairs trong sự dao động  của mạng tinh thể (lattice).  

 

.

H́nh 4 (a) Khi cặp Cooper được h́nh thành, có vài sự kiện thú vị xảy ra: Protons, neutrons và hạt electron tất cả là fermions. V́ vậy những hạt electrons này không thể nằm cùng một trạng thái năng lượng; (b) Bởi v́ cặp Cooper nối buộc với nhau qua một khoảng cách lớn, nhiều cặp Cooper nằm gối đầu và chồng chéo lên nhau. Sự chồng chéo mới này trở nên vướng mắc với nhau và tạo một mạng tương tác electron lớn; ( c & d) Mạng tương tác electron lớn này sẽ bị thu hút về phía cực dương của cục pin và v́ thế trở nên dẫn điện [5]. 

1.3 1987 Nobel Prize

Năm 1986, Karl Alexander Muller và Johannes Georg Bednorz, hai nhà nghiên cứu thuộc IBM Research- Zurich triển khai hợp chất  barium-lanthanum-copper-oxide có tính siêu dẫn với “zero” resistance ở nhiệt độ 35K. Nhiệt độ tới hạn này có  khoảng 12 K cao hơn nhiệt độ 23K t́m  được ở màng mỏng Nb3Ge đầu tiên được chế tạo bởi John Gavaler vào năm 1973. Hợp chất này biểu hiện tất cả những đặc tính của chất siêu dẫn kể cả Meissner Effect [4].  Điều đáng kể nữa là hợp chất này làm bằng ceramic; và thường th́ chất ceramic không dẫn điện!

Năm 1987, J. Georg Bednorz and K. Alexander Müller nhận giải Nobel về Vật lư "về sự đột phá quan trọng trong sự khám phá tính chất siêu dẫn trong chất liệu ceramic/for their important breakthrough in the discovery of superconductivity in ceramic materials."  [6].

Hợp tác chính thức giữa Bednorz và Müller bắt đầu vào năm 1983 khi hai người  bắt đầu chương tŕnh  nghiên cứu tính siêu dẫn của oxides, Đầu tiên hai người nghiên cứu La-Ni-O, rồi thay thế vài phần của Ni với nhôm (aluminum) và sau đó với đồng (copper). Mặc dù những chất này có triển vọng nhưng không biểu hiện tính siêu dẫn. Năm 1985, khuyến khích bởi thành quả nghiên cứu của một nhóm nghiên cứu  bên Pháp về tính chất xúc tác (catalytic properties) của Ba-La-Cu oxides với cấu trúc Perovskite – một cấu trúc biểu hiện đặc tính kim thuộc (metallic properties); hai người chế tạo một loạt những dung dịch chứa thể rắn (solid state solutions) với tỉ lệ Ba/La khác nhau; xong đo lường điện trờ ở  nhiều nhiệt độ hạ thấp khác nhau cho đến khi nhiệt độ thấp xuống tới heli lỏng .Sau cùng họ thành công trong việc chế tạo một chất ceramic có tính siêu dẫn (superconducting ceramic) với nhiệt độ tới hạn Tc= 35K, mở đầu cho thời kỳ “High Temperature Superconductors” hay thường được gọi tắc là HTS.

H́nh 5. TS Bednorz  (h́nh bên trái) và TS Muller (h́nh bên phải) nhận giải Nobel Vât lư 1987 về khám phá hợp chất  barium-lanthanum-copper-oxide có tính siêu dẫn với điện trở “zero” ở nhiệt độ 35K [6].

1.3.1 APS March Meeting

Giải Nobel Vật lư năm 1987 về tính chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao mang lại  triển vọng có thể  chế tạo chất liệu có tính siêu dẫn ở nhiệt độ của nitơ lỏng (liquid nitrogen); và một số người trong cộng đồng khoa học hy vọng có thể dùng chất HTS mới này trong nhiều  ứng dụng trên thực tế. Trong chiều hướng đó, the Woodstock of Physics được tổ chức tại APS March Meeting (Applied Physics Society) vào năm 1986. Hoạt động liên quan đến chất siêu bán dẫn mới này gia tăng đáng kể ở APS  March Meeting 1987 với hàng trăm nhà nghiên cứu phát biểu thành quả vế chất siêu dẫn. Buổi họp mặt kéo dài tới 3 giờ sáng và tiếp tục vào ngày hôm sau. Trong hội nghị này, có nhiều bài báo phát biểu với “đĩa siêu dẫn”  treo lơ lửng trên thỏi nam châm do hiệu ứng Meissner. Hiệu ứng này ngăn cản từ trường thâm nhập vào bề mặt chất siêu dẫn làm cho đĩa siêu dẫn tự nâng lên và lơ lửng trên các thỏi nam châm (H́nh 6). 

H́nh 6. The Woodstock of physics: một phiên họp đặc biệt về chủ đề tính siêu dẫn tại Hội Nghị Vật lư Mỹ (APS) năm 1987 tại Hilton Hotel, New York City (Courtesy of the American Institute of Physics Niels Bohr Library). 

Hai đồng nghiệp trong nhóm của chúng tôi ở 3M cũng đến tham dự APS 1987 này. Sau đó một nhóm nghiên cứu về chất siêu bán dẫn Type II cũng được thành lập. Nhóm này có một người nghiên cứu toàn thời gian và những người khác th́ có thể tham gia dùng thể chế 15% của 3M (mọi người trong hăng có thể sử dụng 15% thời giờ của hăng trong việc nghiên cứu những đề tài ứng dụng họ thích, dùng thiết bị và kiến thức của cộng đồng khoa học/tiếp thị/kinh doanh trong hăng). Nhóm hoạt động hăng say lắm! h́nh như trưa nào cũng gặp nhau gọi là “brown lunch bag meeting” để thảo luận kết quả đạt được trong ngày trước đó. Thỉnh thoảng có mời GS Bardeen (Nobel về BCS nói trên) về nói chuyện. Mỗi lần đến, ông thường ở lại đôi ba ngày làm việc với nhóm nghiên cứu. Đối với GS Bardeen, Minnesota chẳng có ǵ xa lạ, v́ ông đă có một thời từng làm công tác giảng dạy ở  University of Minnesota- Minneapolis. 

1.3.2 Tiến bộ của vật liệu siêu bán đẫn  

Thành quả nghiên cứu của Muller và Bednorz đă khởi động một loạt nghiên cứu ở nhiều pḥng thí nghiệm trên thế giới về chất HTS. Trong ṿng một năm sau khi hai nhà khoa học này phát biểu đột phá của ḿnh, những nhà khoa học ở University of Alabama at Huntville và University of Houston đă t́m ra một một hợp chất ceramic tương tự  có tính siêu dẫn ở nhiệt độ gần nitơ lỏng (liquid nitrogen).

Vào  thập niên 80’s và đầu năm 90’s, các nhà khoa học đă khám phá ra vật liệu có đặc t́nh siêu dẫn ở 130 K, điển h́nh là HgBa2Ca2Cu3O8.  Vào năm 2015, nhiệt độ tới hạn của chất siêu dẫn H2S ở áp xuất 90 GP (Gigapascal hay GPa; 1 GPa= 145.038 psi) đạt đến nhiệt độ cao hơn (H́nh 7). Những chất này thuộc chất siêu dẫn loại II, không ổn định và chỉ xảy ra ở áp xuất rất cao làm cho những ứng dụng của những chất HTS này khó có thể thực hiện được. Những chất này mới này lại gịn nên thường phải chế tạo như một lớp mỏng trên một tấm nền như sợi dây. Hạt electron trong Cặp Cooper trong lư luận BCS không thể cắt nghĩa thỏa đáng loại siêu dẫn này.

Vào tháng ba, 2021,  E. Snider và những người cộng sự đă mô tả thực nghiệm t́m ra tính chất siêu dẫn của hợp chất yttrium hydride YH10 ở nhiệt độ tới hạn 262 K với áp suất 182 GPa [7].  Nhiệt độ tới hạn có vẻ hấp dẫn; tuy nhiên áp xuất cao khoảng hàng triệu áp suất khí quyển (atmospheric pressure) là một thử thách lớn trong việc t́m những ứng dụng thực tiễn cho những vật liệu siêu dẫn này trong kỹ nghệ! 

 

H́nh 7. Sự tiến bộ của những nghiên cứu trên thế giới về chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao HTS (Paul C. W. Chu, University of Houston). APS March Meeting 2011, Dallas Texas. 

2. Những giải Nobel khác liên quan đến tính siêu dẫn [8]

1962 Nobel Prize
Giải Nobel Vật lư được trao cho Lev Davidovich Landau về “những lư thuyết tiên phuông về chất ngưng tụ (condensed matter), đặc biết là hêli lỏng /for his pioneering theories for condensed matter,
specially liquid helium."

1973 Nobel Prize
Năm 1973, Ivar Giaever nhận giải Nobel Vật lư về về thành quả nghiên cứu về chất siêu dẫn.
Lănh cùng giải với Giaever là Leo Esaki về hiệu ứng  đường hầm (tunneling effect)  và Brian David Josephson về sự dự đoán dựa trên lư thuyết tính chất của siêu ḍng điện (supercurrent) xuyên qua màn chắng đường hầm (tunnel barrier), đặc biệt là  những hiện tượng  được biết với cái tên “Hiệu ứng Josephson/ Josephson Effect”. 

1978 Nobel Prize
Năm 1978, Pyotr Leonidovich Kapitsa nhận giải Nobel Vật lư về nghiên cứu cơ bản và những khám phá trong lănh vực vật lư ở nhiệt độ thấp (low temperature physics), kể cả trạng thái siêu lỏng (superfluidity)  của chất helium. Hai người khác nhận cùng giải là Arno Allen Penzias và Robert Woodrow Wilson về việc khám phá sự phát xạ phóng tia viba trong vũ trụ (cosmic microwave background radiation).

1996 Nobel Prize
In 1996, David M. Lee, Douglas D. Osheroff and Robert C. Richardson nhận giải thưởng Nobel Vật lư liên quan đến “sự khám phá về trạng thái siêu lỏng của chất helium -3/for their discovery of superfluidity in helium-3."

2003 Nobel Prize
In 2003, Alexei A. Abrikosov, Vitaly L. Ginsburg and Anthony J. Leggett nhận giải Nobel Vật lư về  "những đóng góp mở đường cho lư thuyết chất siêu đẫn và chất siêu lỏng /for pioneering contributions to the theory of superconductors and superfluids”. Lư thuyết của họ phần chính áp dụng vào chất siêu dẫn loại II. Tuy nhiên một cắt nghĩa thỏa đáng về hiện tượng siêu dẫn cho những chất liệu này hiện nay vẫn chưa đạt được.

3. Kết từ

Từ lúc GS Heike Kamerlingh Onnes khám phá ra hiện tượng siêu dẫn, có khoảng 10 giải Nobel Vật lư liên quan đến hiện tượng này. Có nhiều ứng dụng dựa vào tinh siêu dẫn như máy Large Hadron Collider, tàu chạy trên đệm từ Magnetic Levitation (hay Maglev), dây cáp điện, máy phát điện và máy biến áp siêu dẫn, Tuy nhiên ứng dụng phổ biến nhất vế tính siêu dẫn hiện tại vẫn là máy chụp MRI.

Tính siêu dẫn có hai loại: loại I và loại II. Cơ cấu Cặp Cooper trong lư luận BCS chỉ có thể cắt nghĩa một cách thỏa đáng tính siêu dẫn thuộc loại I. Hiện tại vẫn chưa có một lư thuyết nào có thể cắt nghĩa thỏa đáng tính siêu dẫn loại II. Mặc dù thế, chất có tính siêu dẫn loại II như niobi-titan trở nên thịnh hành như chất siêu dẫn trong máy chụp MRI và những ứng dụng khác.

 

4. Tài liệu tham khảo

[1] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part-13-Nobel-of-MRI.htm

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Heike_Kamerlingh_Onnes

[3] J. Bardeen, L.N. Cooper, J.R. Schrieffer (1957), “Theory of superconductivity”, Physical Review, 108(5), pp.1175-1204.

[4] Sẽ tŕnh bày chi tiết ở bài viết sau.

[5] https://www.youtube.com/watch?v=h6FYs_AUCsQ

[6]  https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1987/summary/

[7] E. Snider, et al. (2021), Physical Review Letters, 126, pp.1170.

[8] http://past.ieeecsc.org/pages/nobel-laureates-superconductivity

 

February 5, 2022