Phát hiện ra cánh cửa bước vào thế giới chất siêu dẫn

Phát hiện này giúp tạo ra chất siêu dẫn được ứng dụng nhiều hơn trong thực tế

Các nhà khoa học vừa đạt được một bước tiến mang tính đột phá khi lần đầu tiên quan sát trực tiếp được “khe siêu dẫn” trong các hợp chất giàu hydro như H₃S và D₃S bằng kỹ thuật phổ xuyên hầm điện tử dưới áp suất cao - một phát hiện mở ra hiểu biết mới về cơ chế siêu dẫn, đồng thời tiến gần hơn tới mục tiêu đạt được siêu dẫn ở điều kiện nhiệt độ thường.

Siêu dẫn - trạng thái lượng tử đặc biệt

Chất siêu dẫn là những vật liệu cho phép dòng điện đi qua mà không gặp bất kỳ điện trở nào, nghĩa là không hề có tổn hao năng lượng. Đặc tính này khiến chúng trở thành nền tảng cho hàng loạt công nghệ tiên tiến như truyền tải điện năng hiệu suất cao, lưu trữ năng lượng, tàu đệm từ, hay máy tính lượng tử.

Trong nhiều thập kỷ, siêu dẫn chỉ tồn tại ở nhiệt độ cực thấp, gần mức không tuyệt đối, điều kiện quá xa lạ với đời sống con người. Tuy nhiên, mọi thứ thay đổi khi các nhà khoa học phát hiện ra khả năng siêu dẫn trong các hợp chất giàu hydro, đặc biệt là hydro sulfide (H₃S), có thể siêu dẫn ở 203 Kelvin (-70 °C), và lanthanum decahydride (LaH₁₀), siêu dẫn ở 250 Kelvin (-23 °C).

Những phát hiện này đánh dấu bước tiến lớn hướng đến giấc mơ về “siêu dẫn nhiệt độ phòng”. Vì hoạt động ở mức nhiệt cao hơn nhiều so với điểm sôi của nitơ lỏng, các vật liệu này được xếp vào nhóm “siêu dẫn nhiệt độ cao”.

Khe siêu dẫn - chìa khóa của hiện tượng siêu dẫn

Trọng tâm của cơ chế siêu dẫn là “khe siêu dẫn” (superconducting gap), đại lượng biểu hiện cách các electron bắt cặp với nhau tạo thành trạng thái lượng tử siêu dẫn. Việc xác định khe này giúp các nhà vật lý phân biệt vật liệu siêu dẫn với kim loại thông thường.

Tuy nhiên, nghiên cứu khe siêu dẫn trong các hợp chất giàu hydro như H₃S lại là một thách thức khổng lồ. Những vật liệu này chỉ có thể được tạo ra trong điều kiện áp suất cực cao - lớn hơn áp suất khí quyển tới hàng triệu lần - khiến các kỹ thuật đo lường truyền thống như phổ xuyên hầm quét (STM) hay phổ phát xạ quang điện góc phân giải (ARPES) không thể áp dụng.

Kỹ thuật xuyên hầm mở ra cái nhìn trực tiếp vào thế giới siêu dẫn dưới áp suất cao

Để vượt qua rào cản này, nhóm nghiên cứu tại Viện Max Planck ở Mainz (Đức) đã phát triển kỹ thuật phổ xuyên hầm điện tử phẳng có thể hoạt động trong môi trường áp suất cực lớn. Thành công này cho phép họ lần đầu tiên quan sát trực tiếp khe siêu dẫn trong H₃S, từ đó cung cấp bằng chứng thực nghiệm quan trọng về bản chất của siêu dẫn trong các hợp chất giàu hydro.

Kết quả cho thấy H₃S có khe siêu dẫn hoàn toàn mở, với giá trị xấp xỉ 60 millielectronvolt (meV), trong khi đồng vị deuteri của nó, D₃S, có khe nhỏ hơn – khoảng 44 meV. Deuteri là đồng vị của hydro, có thêm một neutron. Việc khe trong D₃S nhỏ hơn H₃S khẳng định rằng sự tương tác giữa electron và phonon, tức các dao động lượng tử của mạng tinh thể, chính là cơ chế sinh ra hiện tượng siêu dẫn, phù hợp với dự đoán lý thuyết lâu nay.

Theo nhóm nghiên cứu Mainz, đây không chỉ là một bước tiến kỹ thuật mà còn là nền tảng quan trọng để làm sáng tỏ hoàn toàn nguồn gốc của siêu dẫn nhiệt độ cao trong các vật liệu giàu hydro. Tiến sĩ Feng Du, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi hy vọng bằng cách mở rộng kỹ thuật xuyên hầm này sang các hợp chất hydride khác, có thể xác định rõ các yếu tố then chốt giúp đạt siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn nữa. Điều này sẽ mở đường cho việc phát triển những vật liệu mới hoạt động trong điều kiện thực tế hơn”.

Tiến sĩ Mikhail Eremets, người tiên phong trong lĩnh vực siêu dẫn áp suất cao - qua đời vào tháng 11.2024 - từng nhận xét đây là “công trình quan trọng nhất trong lĩnh vực siêu dẫn hydride kể từ khi phát hiện ra siêu dẫn ở H₃S vào năm 2015.” Ông Vasily Minkov, trưởng nhóm Hóa học và Vật lý Áp suất cao tại Viện Max Planck, nói thêm: “Tầm nhìn của Mikhail về những chất siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ phòng và áp suất trung bình đang tiến gần hơn đến hiện thực nhờ công trình này”.

Về hiện tượng siêu dẫn

Siêu dẫn là khả năng đặc biệt của vật liệu trong việc dẫn điện mà không có điện trở. Hiện tượng này được nhà vật lý Heike Kamerlingh Onnes phát hiện lần đầu vào năm 1911 trong thủy ngân tinh khiết. Trong suốt nhiều thập kỷ, siêu dẫn được cho là chỉ tồn tại ở nhiệt độ cực thấp, gần mức -273 °C. Tuy nhiên, vào cuối những năm 1980, hai nhà khoa học Georg Bednorz và Karl Alexander Müller đã phát hiện ra nhóm vật liệu oxit đồng (cuprate) có thể siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn nhiều, ngay trong điều kiện áp suất thường.

Sau phát hiện đó, làn sóng nghiên cứu toàn cầu đã đẩy nhiệt độ tới hạn - tức mức nhiệt mà vật liệu mất hoàn toàn điện trở - lên đến 133 K ở áp suất thường và 164 K dưới áp suất cao. Tuy nhiên, suốt nhiều năm sau đó, chưa từng có vật liệu nào vượt qua ngưỡng này - cho đến khi các hợp chất giàu hydro xuất hiện.

Phát hiện siêu dẫn trong H₃S ở áp suất hàng triệu bar, với Tc = 203 K bởi nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Eremets, đã đánh dấu bước ngoặt mang tính cách mạng, mở ra kỷ nguyên tìm kiếm siêu dẫn gần nhiệt độ phòng. Tiếp nối đó, nhiều vật liệu khác như YH₉ (Tc ≈ 244 K) và LaH₁₀ (Tc ≈ 250 K) cũng được phát hiện, đưa lý thuyết siêu dẫn tiến thêm một bước lớn. Hiện nay, các mô hình tính toán thậm chí còn dự đoán khả năng siêu dẫn vượt trên nhiệt độ phòng trong một số hệ thống giàu hydro khác dưới áp suất cực cao.

Cặp Cooper và khe siêu dẫn – linh hồn của siêu dẫn

Trong kim loại thông thường, các electron có thể di chuyển tự do ở gần mức năng lượng Fermi, mức năng lượng cao nhất mà electron có thể chiếm giữ ở nhiệt độ không tuyệt đối. Khi vật liệu chuyển sang trạng thái siêu dẫn, các electron không còn hoạt động riêng lẻ mà bắt cặp thành các “cặp Cooper”, cùng tham gia vào một trạng thái lượng tử tập thể.

Trong trạng thái này, cặp Cooper di chuyển như một thực thể thống nhất, không bị tán xạ bởi phonon hay tạp chất trong mạng tinh thể, vì vậy dòng điện không gặp điện trở. Hiện tượng này được đặc trưng bởi khe năng lượng gần mức Fermi - gọi là khe siêu dẫn - chính là năng lượng tối thiểu cần thiết để phá vỡ một cặp Cooper. Sự tồn tại của khe này bảo vệ trạng thái siêu dẫn khỏi các nhiễu động.

Khe siêu dẫn vì thế là “dấu vân tay” của siêu dẫn - đại lượng định hình bản chất lượng tử của vật liệu. Giá trị và đối xứng của nó cung cấp thông tin then chốt về cách các electron tương tác và bắt cặp, giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn cơ chế vận hành của hiện tượng siêu dẫn - một trong những bí ẩn sâu sắc nhất của vật lý hiện đại.

Bùi Tú