Đột phá có thể mở đường cho lưới điện gần như không thất thoát và máy tính lượng tử mạnh hơn

Vật liệu siêu dẫn lơ lửng phía trên một bộ nam châm neodymium. Ảnh: Getty.

Vượt qua rào cản tồn tại hơn ba thập kỷ

Trong hơn 30 năm, một con số vẫn được xem là "bức tường" gần như bất khả xâm phạm trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu siêu dẫn: 133 Kelvin (khoảng -140°C hay -220°F). Suốt nhiều thập kỷ, chưa có vật liệu nào có thể đạt trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn mức này trong điều kiện áp suất thông thường.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Houston (Mỹ) và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (ANL) đã chính thức phá vỡ kỷ lục tồn tại từ đầu những năm 1990.

Bằng cách đưa một vật liệu siêu dẫn oxit đồng vào môi trường áp suất cực cao trong thời gian ngắn rồi giải phóng áp suất cực nhanh, nhóm nghiên cứu đã tạo ra trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ 151 Kelvin (khoảng -122°C hay -190°F) trong điều kiện áp suất thông thường.

Đây được xem là một bước tiến đáng chú ý bởi vật liệu siêu dẫn có khả năng truyền tải điện năng mà không gặp điện trở, mở ra triển vọng giảm gần như hoàn toàn thất thoát điện trên lưới điện, đồng thời tạo nền tảng cho nam châm siêu mạnh, máy tính lượng tử, máy gia tốc hạt và các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai.

Cho đến nay, phần lớn vật liệu siêu dẫn chỉ hoạt động ở nhiệt độ cực thấp. Một số vật liệu có thể tiến gần nhiệt độ phòng nhưng chỉ khi chịu áp suất khổng lồ, khiến chúng gần như không thể ứng dụng ngoài phòng thí nghiệm.

Kết quả mới cho thấy áp suất có thể không cần duy trì liên tục. Nếu "khóa" được cấu trúc vật liệu ở trạng thái hình thành dưới áp suất cao, hiệu ứng nâng nhiệt độ siêu dẫn vẫn có thể được giữ lại ngay cả khi áp suất đã được loại bỏ.

Đẩy giới hạn siêu dẫn vượt qua kỷ lục tồn tại hơn 30 năm

Nhóm nghiên cứu sử dụng vật liệu siêu dẫn oxit đồng Hg-1223, chính là loại vật liệu đã nắm giữ kỷ lục siêu dẫn ở áp suất thường kể từ đầu thập niên 1990.

Các nhà nghiên cứu cho biết: "Để thiết lập kỷ lục mới về nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (Tc) trong điều kiện áp suất thường bằng phương pháp PQP, chúng tôi lựa chọn Hg-1223 vì đây là vật liệu ổn định về mặt hóa học, đang giữ kỷ lục 133 Kelvin ở áp suất thường và có mức tăng Tc rất lớn khi chịu áp suất, đạt tới 164 Kelvin."

Các mẫu vật cực nhỏ được đặt trong buồng nén kim cương (diamond anvil cell) và chịu áp suất gần 30 gigapascal – tương đương khoảng 300 lần áp suất dưới đáy đại dương.

Trong điều kiện này, nhiệt độ chuyển sang trạng thái siêu dẫn của vật liệu tăng lên đáng kể.

Điểm đột phá nằm ở giai đoạn tiếp theo.

Thay vì giảm áp từ từ như thông lệ, nhóm nghiên cứu giải phóng áp suất cực nhanh trong khi vẫn giữ mẫu vật ở nhiệt độ thấp.

Quy trình này, gọi là Pressure Quench Process (PQP), khiến cấu trúc nguyên tử của vật liệu bị "đóng băng" trong một trạng thái bán ổn định (metastable), không kịp quay trở về cấu trúc ban đầu.

Nhờ vậy, vật liệu vẫn duy trì được khả năng siêu dẫn ở 151 Kelvin ngay cả sau khi áp suất hoàn toàn trở về mức bình thường, vượt kỷ lục cũ tới 18 Kelvin.

Tia X hé lộ lý do vật liệu vẫn giữ được khả năng siêu dẫn

Lập kỷ lục mới chỉ là một nửa câu chuyện. Điều mà các nhà khoa học muốn hiểu là vì sao vật liệu vẫn giữ được tính chất mới sau khi áp suất đã được loại bỏ.

Để tìm lời giải, nhóm nghiên cứu sử dụng Nguồn Photon Tiên tiến (Advanced Photon Source) tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne.

Nhờ chùm tia X có độ hội tụ cực cao, họ quan sát được những thay đổi cực nhỏ trong cấu trúc tinh thể của vật liệu trong suốt quá trình PQP.

Kết quả cho thấy việc giảm áp nhanh để lại rất nhiều khuyết tật vi mô trong mạng tinh thể.

Thông thường, các khuyết tật này được xem là yếu tố bất lợi. Tuy nhiên, trong trường hợp này, chúng lại đóng vai trò giúp ổn định trạng thái siêu dẫn.

Nói cách khác, vật liệu dường như lưu giữ một dạng "ký ức cấu trúc" về môi trường áp suất cực cao.

Thay vì hoàn toàn trở về cấu trúc ban đầu, nó vẫn giữ lại đủ đặc điểm của trạng thái chịu nén để duy trì khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn trước.

Mở ra hướng nghiên cứu mới

Dù lập kỷ lục mới, vật liệu vẫn phải hoạt động ở nhiệt độ rất thấp và còn cách khá xa mục tiêu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng.

Tuy nhiên, nghiên cứu lần này chứng minh một điều mà giới khoa học theo đuổi từ lâu: hiệu ứng tăng nhiệt độ siêu dẫn nhờ áp suất có thể được duy trì ngay cả khi áp suất không còn tồn tại.

Khác với những vật liệu phải luôn hoạt động dưới áp suất cực lớn, vật liệu mới giờ đây có thể được nghiên cứu bằng các thiết bị thông thường trong phòng thí nghiệm.

Điều này giúp các nhà khoa học dễ dàng phân tích cơ chế hoạt động cũng như phát triển các ứng dụng thực tế.

Ông Hua Zhou, nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne và là đồng tác giả nghiên cứu, cho biết: "Với việc vật liệu vẫn giữ được trạng thái siêu dẫn ở áp suất thường, các nhà khoa học có thể nghiên cứu nó bằng những thiết bị phổ biến và bắt đầu phát triển các công nghệ hoạt động trong điều kiện thực tế hằng ngày."

Bước tiếp theo là kiểm tra liệu chiến lược "nén rồi giải nén nhanh" này có thể áp dụng cho các vật liệu siêu dẫn khác, đặc biệt là những vật liệu vốn đạt nhiệt độ chuyển pha cao hơn khi chịu áp suất.

Nếu thành công, phương pháp này có thể mở ra con đường thực tế hơn để chế tạo các vật liệu siêu dẫn hoạt động trong những điều kiện ngày càng gần với môi trường thông thường.