Bí mật về chất siêu dẫn mỏng nhất thế giới

Trang SciTechDaily hôm 6-7 cho biết công trình nghiên cứu về chất siêu dẫn mỏng nhất thế giới do một giáo sư của Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT - Mỹ) và một nhà vật lý tại Phòng Thí nghiệm quốc gia Brookhaven thuộc Bộ Năng lượng Mỹ dẫn đầu. Họ sử dụng các thiết bị đo đạc mới chỉ được trang bị ở một số cơ sở trên thế giới.

Chất siêu dẫn chỉ xuất hiện khi ở nhiệt độ rất thấp, chỉ một vài độ trên không độ tuyệt đối (0 độ K, tức -273 độ C). Vật liệu trong thí nghiệm nêu trên trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn một bậc so với các chất siêu dẫn thông thường - vốn chỉ hoạt động ở nhiệt độ khoảng -442 độ F (-263 độ C).

Tuy nhiên, sau 30 năm nghiên cứu, vẫn chưa có ai hiểu rõ về chất siêu dẫn nhiệt độ cao này. Công trình mới nhất được công bố trên tạp chí khoa học Nature Communications gần đây giúp trả lời những câu hỏi còn bỏ ngỏ, theo giáo sư trợ lý MIT Riccardo Comin.

Vào năm 2015, giới khoa học phát hiện một loại chất siêu dẫn nhiệt độ cao mới, đó là một tấm sắt selenide chỉ dày bằng một lớp nguyên tử có khả năng siêu dẫn ở -208 độ C. Từ đó, họ tìm cách giải mã bí mật của chất siêu dẫn mỏng nhất thế giới.

Giáo sư Comin cho biết trong kim loại thông thường, các electron hoạt động giống như mọi người đang nhảy múa trong một căn phòng. Còn trong kim loại siêu dẫn, các electron chuyển động theo cặp giống như những cặp đôi trong một buổi khiêu vũ. Tất cả cặp này chuyển động đồng loạt như thể chúng là một phần của "vũ đạo lượng tử", cuối cùng dẫn đến một loại chất điện tử siêu lỏng.

Tác giả chính bản nghiên cứu sử dụng thiết bị tán xạ tia X để khám phá bí mật về chất siêu dẫn mỏng nhất thế giới Jonathan Pelliciari. Ảnh: SCITECHDAILY

"Chất keo" giữ những cặp electron này lại với nhau có nguồn gốc từ chuyển động của các nguyên tử bên trong vật liệu. Giới khoa học đưa ra giả thuyết rằng chất keo này liên quan đến một thuộc tính điện tử gọi là "spin" - có thể được xem như một nam châm cơ bản. Trong một chất siêu dẫn nhiệt độ cao, các electron có thể nhận một phần năng lượng từ các spin này, được gọi là kích thích spin. Năng lượng đó là "chất keo" mà chúng sử dụng để kết đôi.

Cho đến nay, hầu hết các nhà vật lý đều nghĩ rằng sẽ không thể phát hiện hoặc đo được kích thích spin trong một vật liệu chỉ dày bằng một lớp nguyên tử. Công trình được công bố trên tạp chí Nature Communications là thành tích đáng nể.

Các nhà vật lý không chỉ phát hiện kích thích spin mà còn tìm thấy động lực quay trong mẫu siêu mỏng khác biệt đáng kể so với trong mẫu lớn hơn. Cụ thể, năng lượng của spin dao động trong mẫu siêu mỏng cao hơn nhiều - 4 hoặc 5 lần - so với năng lượng của spin mẫu lớn hơn.

Công trình nghiên cứu mới dự kiến sẽ giúp ích cho các lĩnh vực chẩn đoán y tế, tính toán lượng tử và vận chuyển năng lượng bởi tất cả lĩnh vực này đều sử dụng chất siêu dẫn.

Nhà khoa học Valentina Bisogni - người không tham gia vào nghiên cứu trên - thừa nhận: "Sự hiểu biết về hiện tượng siêu dẫn khác thường là một trong những thách thức chính mà giới khoa học ngày nay phải đối mặt. Khám phá gần đây về tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao trong một màng mỏng khiến mọi người quan tâm hơn đến sắt selenide. Nó cung cấp lộ trình mới để nghiên cứu cơ chế tạo ra hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao".