Vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp

“Với vật liệu này, bình minh của siêu dẫn ở nhiệt độ phòng và các công nghệ ứng dụng siêu dẫn đã tới”, theo nhận xét của một nhóm nghiên cứu do Ranga Dias, một trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ học và vật lý, dẫn dắt.

Trong một bài báo xuất bản trên Nature, các nhà nghiên cứu miêu tả vật liệu nitrogen-doped lutetium hydride (NDLH) thể hiện đặc tính của siêu dẫn ở mức 69 độ F (tương đương 20,5 độ C) và 10 kilobars (tương đương 145.000 pound mỗi inch vuông – psi) áp suất ¹.

Dẫu con số 145.000 psi có thể vẫn còn ở mức rất cao (áp suất ở mực nước biển vào khoảng 15 psi) nhưng các kỹ thuật cơ khí vẫn thường áp dụng trong ngành công nghiệp chip tích hợp các vật liệu lại với nhau bằng các áp suất hóa học bên trong vật liệu còn ở mức cao hơn.

Các nhà khoa học đã theo đuổi đột phá này trong vật lý chất đậm đặc cả một thế kỷ. Các vật liệu siêu dẫn có hai đặc trưng cơ bản: không có điện trở và không có từ trường quanh vật liệu siêu dẫn. Rất nhiều vật liệu có thể cho phép đạt được những hệ quả sau:

– Lưới điện truyền tải điện năng hiệu quả, không bị mất mát tới 200 triệu megawatt giờ (MWh) do sự tồn tại của điện trở trong dây dẫn.

– Các con tàu đệm từ không ma sát.

– Các kỹ thuật quét và hình ảnh y tế giá thành rẻ như cộng hưởng từ (MRI) và từ tâm đồ.

– Các thiết bị điện tử có thể vận hành nhanh hơn, hiệu quả điện năng cao hơn cho logic kỹ thuật số và công nghệ thiết bị bộ nhớ.

– Các thiết bị tokamak sử dụng từ trường để tinh chỉnh plasmas trong nhiệt hạch, một nguồn điện không giới hạn.

Trước đây, nhóm nghiên cứu của Dias đã tạo ra hai vật liệu –  carbonaceous sulfur hydride và yttrium superhydride – lần lượt có tính siêu dẫn ở mức 58 độ F/39 triệu psi và 12 độ F/26 triệu psi, được miêu tả trong các bài báo trên tạp chí Nature và Physical Review Letters.

Do sự quan trọng của khám phá mới, Dias và nhóm nghiên cứu của mình đã dành nhiều thời gian để xem xét lại nghiên cứu của mình và phải đối đầu với những chỉ trích, dẫn đến việc các biên tập viên của Nature đã rút lại bài báo.

Kết quả của việc xem xét lại công trình đã đem lại những dữ liệu mới giúp xác nhận bằng chứng của nghiên cứu và gửi lại cho Nature, Dias nói. Dữ liệu mới đã được thu thập ở Phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ Argonne và Brookhaven, trước sự chứng kiến trực tiếp của các nhà khoa học với việc thể hiện tính siêu dẫn của vật liệu. Một cách tiếp cận tương tự đã được triển khai và thể hiện trong bài báo mới của họ.

Năm nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Dias – Nathan Dasenbrock-Gammon, Elliot Snider, Raymond McBride, Hiranya Pasan, và Dylan Durkee – đều là các đồng tác giả. “Mọi người trong nhóm đều tham gia vào các thực nghiệm”, Dias nói. “Đây thực sự là một nỗ lực tập thể”.

Hydride – anion của hydro – được tạo ra bằng việc kết hợp giữa các kim loại đất hiếm với hydro, sau đó thêm vào nitơ hoặc carbon, đã đem lại cho các nhà nghiên cứu một “công thức khả dụng” hấp dẫn cho việc tạo ra các vật liệu siêu dẫn trong những năm gần đây. Nitrogen và carbon giúp cho vật liệu bền hơn. Điểm mấu chốt của quá trình này là cần có mức áp suất thấp hơn để siêu dẫn xuất hiện.

Với việc cho thêm yttrium, các nhà nghiên cứu thường sử dụng các kim loại đất hiếm khác. Tuy nhiên các hợp chất tạo ra chỉ có thể trở thành siêu dẫn ở các mức nhiệt độ và áp suất không phù hợp cho ứng dụng.

Vì vậy thời điểm này, Dias tìm kiếm khắp mọi nơi trong bảng tuần hoàn.

Lutetium giống như “một ứng viên tiềm năng”, Dias nói. Nó có đầy đủ 14 electron trong cấu hình quỹ đạo hình f của nó, có thể nén phonon và đem lại sự tăng cường kết cặp electron-phonon cần thiết cho siêu dẫn có thể xuất hiện tại nhiệt độ phòng. “Câu hỏi chính yếu là cách nào để chúng tôi có thể làm cho nó bền vững ở mức thấp hơn mức áp suất cần thiết? Và nơi nào nitrogen có thể có mặt trong bức tranh này?”.

Nitrogen, giống như carbon, có một cấu trúc nguyên tử chắc chắn và có thể được sử dụng để tạo ra tinh thể dạng lồng còn bền hơn trong vật liệu và cứng lại ở các phonon quang tần số thấp, theo Dias. Cấu trúc này đem lại độ bền siêu dẫn xuất hiện ở mức áp suất cao.

Nhóm nghiên cứu của Dias đã tạo ra một hỗn hợp khí gồm 99% hydrogen và 1% nitrogen, đưa nó vào một buồng phản ứng với một mẫu lutetium tinh khiết và để các chất này tương tác trong vòng hai đến ba ngày tại mức nhiệt độ 392 độ F.

Kết quả là hợp chất lutetium-nitrogen-hydrogen ban đầu có “màu xanh bóng”, bài báo viết. Khi hợp chất này được nén trong một thiết bị áp suất cao DAC, “một chuyển đổi hình ảnh đáng kinh ngạc” đã xuất hiện: từ màu xanh chuyển sang màu hồng tại chất siêu dẫn này và sau đó là một trạng thái kim loại phi siêu dẫn màu đỏ sáng.

“Đó là màu đỏ rất sáng”, Dias nói. “Tôi đã sốc khi thấy cường độ các màu sắc. Chúng tôi vui mừng đề xuất một mã tên cho loại vật liệu ở trạng thái này – “reddmatter” – cho vật liệu đã được Spock tạo ra trong bộ phim Star Trek 2009.

Mức áp suất cần thiết 145.000 psi để góp phần tạo ra siêu dẫn thấp hơn mức áp suất mà phòng thí nghiệm của Dias đã tạo ra trước đây.

Phòng thí nghiệm của Dias giờ đã trả lời được câu hỏi là liệu vật liệu siêu dẫn có thể tồn tại ở cả nhiệt độ phòng và áp suất đủ thấp cho các ứng dụng thực tế.

“Con đường đến thiết bị điện tử siêu dẫn tiêu dùng, các lưới điện truyền năng lượng, vận chuyển, và các cải thiện đáng kể về giữ từ trong phản ứng nhiệt hạch đang là hiện thực”, Dias nói. “Chúng tôi tin là chúng ta hiện đang ở kỷ nguyên của siêu dẫn hiện đại”.

Ví dụ, Dias dự đoán là lutetium hydride pha tạp nitrogen (NDLH) sẽ được gia tốc trong phát triển các thiết bị tokamak để tạo ra phản ứng nhiệt học. Thay vì sử dụng điện, việc hội tụ các chùm tia laser có thể kích hoạt viên nhiên liệu, các thiết bị tokamak phụ thuộc vào từ trường phát xạ bằng một “hàng rào” hình cái bánh doughnut để bẫy, giữ và châm ngòi cho trạng thái plasmas siêu nhiệt. NDLH, vốn tạo ra một “từ trường cực lớn” tại nhiệt độ phòng, ‘sẽ là một kẻ làm thay đổi cuộc chơi” cho thứ công nghệ mới nổi này”, Dias nói.

Điều thú vị nhất, theo lời Dias, là khả năng huấn luyện của các thuật toán học máy với dữ liệu thu thập từ thí nghiệm siêu dẫn trong phòng thí nghiệm của ông để dự đoán các ứng viên vật liệu siêu dẫn khác – trong việc pha trộn, tiềm năng… từ hàng trăm kết hợp có thể của các kim loại đất hiếm, nitrogen, hydrogen, và carbon.

“Mỗi ngày chúng ta có nhiều kim loại khác nhau mà chúng ta có thể sử dụng cho các ứng dụng khác nhau, vì vậy chúng ta sẽ cần đến các dạng vật liệu siêu dẫn khác nhau”, Dias nói, “Chúng ta cần nhiều hơn siêu dẫn ở nhiệt độ phòng cho các ứng dụng khác nhau”.

Đồng tác giả Keith Lawlor đã lập tức bắt đầu phát triển các thuật toán và thực hiện tính toán bằng các nguồn siêu dẫn hiện có thông qua Trung tâm Tính toán nghiên cứu tích hợp của trường ĐH Rochester.

Một trung tâm cho vật liệu siêu dẫn ở ngoại vi New York?

Nhóm nghiên cứu của Dias gần đây đã chuyển đến một phòng thí nghiệm mới, diện tích lớn hơn ở tầng ba của Hopeman Hall trong cơ sở River Campus của ĐH Rochester. Đây là bước đầu tiên cho một kế hoạch đầy tham vọng để thiết lập một Trung tâm đổi mới sáng tạo về siêu dẫn (CSI) tại trường đại học Rochester, ông nói.

Trung tâm này có thể sáng lập nên một hệ sinh thái để thu hút các nhà khoa học đến trường đại học này nhằm thúc đẩy khoa học về siêu dẫn. Các sinh viên, nghiên cứu sinh thực tập và làm việc tại đây có thể trở thành những nhà nghiên cứu tài năng trong lĩnh vực này.

“Hy vọng của chúng tôi là làm nên một trung tâm về công nghệ siêu dẫn ở ngoại vi New York, Dias nói.

Thanh Phương tổng hợp