Bước tiến dài trong việc tìm vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng

Siêu dẫn có ý nghĩa lớn trong máy tính lượng tử

Siêu dẫn là hiện tượng vật liệu dẫn điện mà không gặp bất kỳ lực cản nào - một tính chất quan trọng cho các ứng dụng như truyền tải năng lượng, nâng từ tính, lưu trữ năng lượng và máy tính lượng tử.

Siêu dẫn gần hơn với điều kiện thực tế

Trước giờ, hiện tượng siêu dẫn chỉ được quan sát ở nhiệt độ cực thấp, điều này hạn chế đáng kể ứng dụng thực tế của nó. Một bước đột phá lớn xuất hiện khi người ta phát hiện siêu dẫn trong các hợp chất giàu hydro, đặc biệt là hydro sulfua (H₃S) và decahidrua lantan (LaH₁₀). H₃S thể hiện tính siêu dẫn ở 203 Kelvin (-70°C), trong khi LaH₁₀ đạt được siêu dẫn ở 250 Kelvin (-23°C).

Những cột mốc này đã đưa các nhà nghiên cứu đến gần hơn bao giờ hết với mục tiêu đạt được siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Do nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (Tc) của chúng vượt xa điểm sôi của ni tơ lỏng (77 K), các vật liệu này được phân loại là siêu dẫn nhiệt độ cao.

Một đặc tính then chốt của hiện tượng siêu dẫn là khe siêu dẫn - một đại lượng phản ánh cách các electron ghép đôi để tạo thành trạng thái siêu dẫn. Việc xác định khe này là rất quan trọng để phân biệt pha siêu dẫn với hành vi dẫn điện thông thường của kim loại.

Tuy nhiên, việc đo khe siêu dẫn trong các hợp chất giàu hydro như H₃S gặp nhiều thách thức. Các hợp chất này chỉ có thể được tổng hợp dưới áp suất siêu cao, vượt quá một triệu lần áp suất khí quyển như bên trong tế bào đe kim cương (diamond anvil cells). Trong điều kiện khắc nghiệt như vậy, các kỹ thuật đo truyền thống như phổ quét xuyên hầm (STS) và phổ phát xạ quang điện phân giải góc (ARPES) không thể sử dụng được.

Kỹ thuật xuyên hầm cung cấp góc nhìn trực tiếp vào trạng thái siêu dẫn của các hợp chất giàu hydro

Để vượt qua rào cản này, các nhà nghiên cứu tại Viện Max Planck ở Mainz đã phát triển một phương pháp phổ xuyên hầm phẳng (planar electron tunneling spectroscopy) có khả năng hoạt động trong điều kiện siêu áp suất. Thành tựu này đã giúp họ lần đầu tiên khảo sát được khe siêu dẫn trong H₃S, mang lại cái nhìn trực tiếp về trạng thái siêu dẫn của các hợp chất giàu hydro.

Nhờ sử dụng kỹ thuật này, nhóm nghiên cứu phát hiện rằng H₃S thể hiện một khe siêu dẫn hoàn toàn mở, với giá trị khoảng 60 milli-electronvolt (meV), trong khi đồng vị deuteri (là đồng vị của hydro mà hạt nhân chứa 1 neutron) của nó - D₃S, có khe khoảng 44 meV. Việc khe siêu dẫn của D₃S nhỏ hơn so với H₃S xác nhận rằng cơ chế siêu dẫn của H₃S được định hướng bởi tương tác giữa electron và phonon, tức là các dao động lượng tử hóa của mạng tinh thể. Điều này phù hợp với các dự đoán lý thuyết trước giờ.

Đối với các nhà nghiên cứu ở Mainz, đột phá này không chỉ là một thành tựu kỹ thuật, mà còn là nền tảng để khám phá 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 rằng bằng cách mở rộng kỹ thuật xuyên hầm này sang các siêu dẫn hydride khác, chúng tôi có thể xác định được những yếu tố then chốt giúp tạo ra siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn nữa. Điều này cuối cùng sẽ dẫn đến sự phát triển của những vật liệu có thể hoạt động trong điều kiện thực tế hơn”.

Tiến sĩ Mikhail Eremets là người tiên phong trong lĩnh vực siêu dẫn áp suất cao, vừa qua đời vào tháng 11.2024. Ông đã gọi nghiên cứu này là “công trình quan trọng nhất trong lĩnh vực siêu dẫn hydride kể từ khi phát hiện đặc tính siêu dẫn trong H₃S vào năm 2015”. Ông Vasily Minkov, trưởng nhóm Hóa học và vật lý áp suất cao tại Viện Max Planck hóa học, nhận xét: “Tầm nhìn của Mikhail về việc đạt được siêu dẫn ở nhiệt độ phòng và áp suất vừa phải đang tiến gần hơn đến hiện thực thông qua công trình này”.

Về hiện tượng siêu dẫn

Siêu dẫn là hiện tượng vật liệu dẫn điện mà không có điện trở. Nó được phát hiện lần đầu tiên bởi Heike Kamerlingh Onnes vào năm 1911 trong thủy ngân tinh khiết. Suốt nhiều thập niên, người ta tin rằng siêu dẫn chỉ tồn tại ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối (–273°C). Quan điểm đó bắt đầu thay đổi vào cuối thập niên 1980, khi Georg Bednorz và Karl Alexander Muller phát hiện ra một họ vật liệu mới – các hợp chất oxit đồng (cuprate) – có khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn và áp suất khí quyển.

Làn sóng nghiên cứu toàn cầu tiếp theo đã nâng mức Tc lên đến khoảng 133 K ở áp suất thường và 164 K dưới áp suất cao. Tuy nhiên, suốt một thời gian dài không có vật liệu nào có Tc cao hơn – cho đến khi các hợp chất giàu hydro được phát hiện.

Phát hiện siêu dẫn ở H₃S với Tc = 203 K dưới áp suất megabar của nhóm nghiên cứu do tiến sĩ Mikhail Eremets dẫn đầu đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trên hành trình đạt được siêu dẫn gần nhiệt độ phòng. Tiếp sau đó là các phát hiện về các hợp chất hydride kim loại giàu hydro như YH₉ (Tc ≈ 244 K) và LaH₁₀ (Tc ≈ 250 K). Các mô hình lý thuyết hiện nay dự đoán siêu dẫn trên nhiệt độ phòng là hoàn toàn khả thi trong nhiều hệ giàu hydro dưới điều kiện áp suất cực cao.

Về cặp Cooper và khe siêu dẫn

Trong kim loại thông thường, các electron gần mức năng lượng Fermi có thể di chuyển tự do. Mức Fermi là mức năng lượng cao nhất mà electron có thể chiếm giữ ở nhiệt độ không tuyệt đối. Tuy nhiên, khi một vật liệu trở thành siêu dẫn, các electron bắt đầu ghép đôi thành cặp Cooper – bước vào một trạng thái lượng tử tập thể. Là một trạng thái tương quan cao, cặp Cooper hoạt động như một thực thể thống nhất, không tán xạ với phonon hay tạp chất trong mạng tinh thể, do đó không gặp điện trở.

Sự ghép đôi này được đặc trưng bởi một khe năng lượng quanh mức Fermi được gọi là khe siêu dẫn. Đây là năng lượng tối thiểu cần để phá vỡ một cặp Cooper. Sự tồn tại của khe này bảo vệ trạng thái siêu dẫn khỏi các nhiễu loạn như tán xạ.

Khe siêu dẫn là dấu hiệu định danh của trạng thái lượng tử siêu dẫn. Giá trị và tính đối xứng của nó cung cấp thông tin then chốt về cách các electron tương tác và ghép đôi, từ đó giúp làm sáng tỏ cơ chế siêu dẫn cơ bản của vật liệu.

Anh Tú