TiaSang
Thứ hai, Ngày 16 tháng 12 năm 2019
Đổi mới sáng tạo

Khám phá hiệu ứng lượng tử gây ngạc nhiên trong một siêu dẫn lạ

25/11/2019 07:39 -

Một nhóm nghiên cứu quốc tế do các nhà nghiên cứu tại trường đại học Princeton dẫn dắt đã quan sát trực tiếp một hiệu ứng lượng tử đáng ngạc nhiên trong một chất siêu dẫn chứa sắt ở nhiệt độ cao.

Các đỉnh màu đỏ tại trung tâm là câc pha tạp cobalt dò được từ kính hiển vi điện tử quét truyền qua. Nguồn: Nhóm nghiên cứu của: Hasan

Các chất siêu dẫn dẫn điện không điện trở, tạo cho nó giá trị truyền phát điện lâu dài và những ứng dụng tiết kiệm năng lượng khác. Các chất siêu dẫn thông thường chỉ hoạt động trong điều kiện nhiệt độ thấp nhưng vật liệu chứa sắt được khám phá trong một thập kỷ qua lại có thể trở thành siêu dẫn tại các mức nhiệt độ rất cao và thu hút sự chú ý của cộng đồng quốc tế.

Siêu dẫn được hình thành một cách chính xác trong vật liệu chứa sắt như thế nào vẫn còn là một bí ẩn, đặc biệt kể từ khi sắt từ có thể được coi như trái ngược với sự xuất hiện của siêu dẫn. Một hiểu biết sâu sắc hơn về loại vật liệu không theo các quy tắc thông thường như các siêu dẫn chứa sắt có thể dẫn đến những ứng dụng mới cho các công nghệ tiết kiệm năng lượng thế hệ mới.

Nhóm nghiên cứu quốc tế đã chứng minh tính chất của siêu dẫn chứa sắt khi các chất pha tạp – như các nguyên tử cobalt – được đưa thêm vào để khám phá việc siêu dẫn hình thành và tiêu tán như thế nào. Khám phá của họ đem lại những cái nhìn mới vào lý thuyết 60 năm tuổi về ứng xử của siêu dẫn. Công trình mới được xuất bản trên Physical Review Letters.

Việc pha tạp vào vật liệu là một cách thường được sử dụng để tìm hiểu về tính chất của siêu dẫn, M. Zahid Hasan, giáo sư vật lý Eugene Higgins ở trường đại học Princeton và là người dẫn dắt nghiên cứu, nói. "Đây là cách chúng tôi chứng minh hành xử dạng sóng của nước trong hồ khi ném một viên đá," ông giải thích. “Cách các tính chất của siêu dẫn tác động vàochất pha tạp tiết lộ các bí mật cả chúng với các chi tiết ở mức lượng tử”.

Một ý tưởng được biết đến trong một thời gian dài là những dự đoán về lý thuyết của Anderson: khi pha tạp các chất vào vật liệu có thể dẫn đến rối loạn trong siêu dẫn, trong nhiều trường hợp không dẫn đến phá hủy tính siêu dẫn. Lý thuyết này được nhà vật lý đoạt giải Nobel năm 1959 Philip Anderson, giáo sư vật lý Joseph Henry trường đại học Princeton, đề xuất. Tuy nhiên vẫn luôn luôn có những trường hợp ngoại lệ.

Cobalt xuất hiện như một trong số các ngoại lệ đó. Tương phản với lý thuyết này, việc đưa thêm cobalt vào chất siêu dẫn chứa sắt làm mất đi khả năng siêu dẫn và khiến nó trở thành một kim loại thông thường, trong đó dòng điện truyền qua với điện trở và tạo ra nhiệt dư.

Cho đến bây giờ, người ta vẫn còn chưa rõ điều đó xảy ra như thế nào.

Để khám phá hiện tượng này, nhóm nghiên cứu ở Princeton đã sử dụng một kỹ thuật là kính hiển vi điện tử truyền qua có khả năng chụp ảnh các đơn nguyên tử để nghiên cứu về một chất siêu dẫn chứa sắt được tạo ra từ lithium, sắt và arsenic. Họ đưa các pha tạp phi từ của các nguyên tử cobalt trong siêu dẫn để quan sát hành xử  của nó.

Họ đo đạc một số lượng lớn các mẫu vật tại mức nhiệt độ cực thấp, khoảng âm 460 độ Fahrenheit (400 độ milliKelvin), lạnh hơn ngoài vũ trụ khoảng 10 độ Fahrenheit. Trong các điều kiện đó, các nhà nghiên cứu đã xác định vị trí và nhận diện từng nguyên tử cobalt trong mạng tinh thể, sau đó đo đạc trực tiếp hiệu ứng có siêu dẫn tại quy mô cục bộ và toàn thể về mặt nguyên tử của các đặc tính siêu dẫn của mẫu vật.

Để làm được điều này, họ nghiên cứu trên 30 tinh thể tại 8 nồng độ khác nhau tại các điều kiện nhiệt độ cực thấp. “Không có sự đảm bảo nào là tại mức độ nào về tinh thể sẽ đem lại cho chúng tôi dữ liệu chất lượng cao như chúng tôi cần,” Songtian Sonia Zhang, một đồng tác giả giải thích vì sao họ lại cần đến 8 mức nồng độ khác nhau trong nghiên cứu.

Nhóm nghiên cứu của giáo sư M. Zahid Hasan (thứ hai từ trái sang) 

Kết quả của thí nghiệm này là họ đã khám phá ra mỗi nguyên tử cobalt lại có một tác động giới hạn cục bộ đã làm triệt tiêu một nguyên tử hoặc hai nguyên tử trong khoảng cách với chất pha tạp. Đây là một tiến triển mang tính hệ thống rất mạnh thông qua một chuyển pha từ trạng thái phi siêu dẫn khi tăng thêm nồng độ cobalt. Tính siêu dẫn cuối cùng bị triệt tiêu hoàn toàn khi đưa thêm nhiều nguyên tử cobalt vào.

Tính siêu dẫn xuất hiện là do sự kết cặp của hai electron, hinh thành một trạng thái lượng tử được miêu tả bằng một thuộc tính mà người ta vẫn gọi là hàm sóng. Sự kết cặp này cho phép các electron kết lại trong một vật liệu không có điện trở điển hình, vốn vẫn xảy ra với các kim loại thông thường. Mức năng lượng tối thiểu đòi hỏi để tán xạ các electron này và phá vỡ các cặp được gọi là khoảng cách năng lượng siêu dẫn (superconducting energy gap).

Khi các nguyên tử cobalt được đưa vào, cường độ tán xạ có thể được miêu tả theo hai cách: giới hạn mạnh (hoặc đơn nhất) và giới hạn yếu (Born). Tán xạ tại giới hạn Born, được đặt theo tên của nhà vật lý Max Born, có một tiềm năng yếu để nhiễu loạn hàm sóng electron mà về bản chất tác động lên tương tác electron-electron và dẫn đến kết cặp electron.

Bằng việc thay thế các nguyên tử sắt, các nguyên tử cobalt hành xử như các tán xạ giới hạn Born. Chúng có một khả năng tương tác yếu để là nhiễu loạn tính siêu dẫn, và khi nhiều lên, chúng có thể làm triệt tiêu tính siêu dẫn.

Các nhà nghiên cứu khám phá vật liệu lithium sắt arsen, sự tán xạ tại giới hạn Born có thể vi phạm lý thuyết của Anderson, dẫn đến một chuyển pha lượng tử từ một trạng thái siêu dẫn đến trạng thái phi siêu dẫn.

Các vật liệu siêu dẫn có thể được miêu tả bằng một đặc tính là phổ truyền qua, giúp đem lại một miêu tả về tính chất của các electron trong một vật liệu và đóng vai trò như một hồ sơ về phân bố năng lượng của electron. Vật liệu lithium sắt arsen có một đặc tính khoảng trống “sóng dạng S” tạo ra từ đáy hình chữ U phẳng trong khoảng trống năng lượng siêu dẫn. Một khoảng trống siêu dẫn mở là chỉ dấu chất lượng của vật liệu siêu dẫn.

Thật ngạc nhiên là các pha tạp cobalt không chỉ làm triệt tiêu tính siêu dẫn mà còn thay đổi bản chất tự nhiên của khoảng trống này như một thay đổi từ hình dạng chữ U sang hình chữ V. Hình dạng của khoảng trống siêu dẫn thường phản chiếu “tham số thứ bậc”, dùng để miêu tả bản chất tự nhiên của siêu dẫn.

Kể từ khi lý thuyết của Anderson nêu các pha tạp phi từ có thể ảnh hưởng ít nhiều đến chất siêu dẫn, các nhà nghiên cứu ở Pricenton nhận ra rằng đây là một lý thuyết phải được phát triển thêm.

Trong một siêu dẫn chứa sắt, họ xem xét đây là dấu hiệu thay đổi bởi một tham số trật tự siêu dẫn tại một “bề mặt Ferrmi” -  các khối năng lượng hình thành từ các quy tắc trong đó các electron chiếm giữ vị trí trong cấu trúc tinh thể.

“Phân biệt giữa siêu dẫn thông thường và siêu dẫn chuyển dấu đòi hỏi một đo đạc pha siêu nhạy của tham số trật tự siêu dẫn, và nó vẫn còn là thách thức”, Ilya Belopolski, một postdoc trong nhóm nghiên cứu của Hasan và là một tác giả, cho biết. “Một khía cạnh đẹp trong thí nghiệm của chúng tôi là khi xem xét những vi phạm lý thuyết của Anderson, chúng tôi đã có thể tìm ra được chính điều thiết yếu này”.

Trên thực tế, nhóm nghiên cứu đã khám phá ra bằng việc đưa một dấu thay đổi theo tham số trật tự của siêu dẫn, họ có thể tạo ra sự thay đổi từ các pha tạp cobalt. Vượt qua cả những tính toán ban đầu, họ đã sử dụng ba phương pháp lý thuyết tiên tiến bậc nhất để chứng minh tác động của các tán xạ cobalt phi từ tính lên chất siêu dẫn thay đổi dấu này. “Ba mô hình lý thuyết khác nhau này cùng dẫn đến một giải thích, đây là một kết luận thuyết phục nhất”, Jia-Xin Yin, một postdoc và là tác giả thứ nhất của nghiên cứu, cho biết. Trong quá trình giải bí ẩn về siêu dẫn, không phải lúc nào các mô hình phức hợp cũng đồng nhất kết quả. Trong trường hợp này, Yin nói, “các kết quả từ các mô hình độc lập xác định một cách rõ ràng đây là một chất siêu dẫn đổi dấu kỳ lạ, không tuân theo lý thuyết của Anderson”.

Thanh Phương dịch

Nguồnhttps://phys.org/news/2019-11-scientists-quantum-effect-exotic-superconductor.html