Tác giả: PGS. Pegor Aynajian (Trường Binghamton, Đại học bang New York)
Tấm pin mặt trời và trụ điện gió ở Nam California (Nguồn: ISTOCKPHOTO)
Nhiệt thải hiện hữu ở xung quanh chúng ta. Ở quy mô nhỏ, nếu bạn thấy điện thoại hoặc máy tính xách tay của bạn nóng lên sau một thời gian sử dụng liên tục, đó là do một phần năng lượng cung cấp năng lượng cho thiết bị đang bị chuyển hóa thành nhiệt lượng không mong muốn.
Ở quy mô lớn hơn, chẳng hạn như đường dây điện cao thế trong lưới điện mất hơn 5% năng lượng trong quá trình truyền tải. Năm 2018, tại Mỹ người ta ước tính hao phí do nhiệt này là trên 400 tỷ USD – đó là một khoản tiền lãng phí vô cùng lớn.
Trên toàn cầu, các hệ thống máy tính của Google, Microsoft, Facebook, etc. đòi hỏi lượng năng lượng khổng lồ để cung cấp năng lượng cho các máy chủ cho các dịch vụ đám mây và trung tâm dữ liệu khổng lồ. Thậm chí họ còn cần nhiều năng lượng hơn để cung cấp năng lượng cho hệ thống làm mát bằng nước và không khí để hấp thụ lượng nhiệt do các máy tính này tạo ra.
Lượng nhiệt lãng phí này đến từ đâu? Điện tử, những hạt nguyên tử cơ bản này di chuyển xung quanh và tương tác với các electron và nguyên tử khác. Vì chúng mang điện nên khi di chuyển qua một vật liệu – như kim loại có thể dễ dàng dẫn điện – chúng gây ra các dao động và vì vậy tạo ra nhiệt.
Hệ thống lưới điện ở Mỹ hao phí hàng tỷ đô la hàng năm do thất thoát điện dưới dạng nhiệt. Douglas Sacha/Moment via Getty Images
Chất siêu dẫn là vật liệu giải quyết vấn đề này bằng cách cho phép năng lượng truyền qua chúng một cách hiệu quả mà không tạo ra nhiệt không mong muốn. Chúng có tiềm năng lớn với nhiều ứng dụng tiết kiệm chi phí. Ví dụ như sử dụng trong vận hành các đoàn tàu bay bằng từ trường (magnetically levitated trains), tạo ra từ trường cho máy MRI (máy chụp ảnh cộng hưởng từ) và gần đây đã được sử dụng để chế tạo máy tính lượng tử (quantum computers), mặc dù cho đến nay vẫn chưa có một chiếc máy tính nào như vậy mà có thể hoạt động một cách hoàn chỉnh.
Nhưng chất siêu dẫn có một vấn đề cốt yếu khi được sử dụng cho các ứng dụng thực tế khác: Chúng hoạt động ở nhiệt độ cực thấp. Hiện nay không tồn tại chất siêu dẫn nào hoạt động ở nhiệt độ phòng. Phần “nhiệt độ phòng” đó là điều mà các nhà khoa học đã nghiên cứu trong hơn một thế kỷ qua. Hàng tỷ đô la đã tài trợ cho nghiên cứu để giải quyết vấn đề này. Các nhà khoa học trên khắp thế giới đang cố gắng tìm hiểu tính chất vật lý của chất siêu dẫn và cách cải thiện chúng.
Cơ chế của hiệu ứng siêu dẫn
Chất siêu dẫn là một chất, chẳng hạn như kim loại nguyên chất như nhôm hoặc chì, khi được làm lạnh đến nhiệt độ cực thấp cho phép dòng điện di chuyển qua nó với điện trở hoàn toàn bằng không. Làm thế nào một vật liệu trở thành chất siêu dẫn ở cấp độ vi mô không phải là một câu hỏi đơn giản. Cộng đồng khoa học phải mất 45 năm để hiểu và xây dựng thành công lý thuyết siêu dẫn vào năm 1956.
Trong khi các nhà vật lý nghiên cứu sự hiểu biết về cơ chế của tính siêu dẫn, thì các nhà hóa học đã trộn lẫn các nguyên tố khác nhau, chẳng hạn như niobi (Nb), kim loại hiếm và thiếc, đồng thời thử các công thức được hướng dẫn bởi các thí nghiệm khác để khám phá các chất siêu dẫn mới và mạnh hơn. Dần dần họ đạt được tiến triển, mặc dù chỉ là các bước nhỏ.
Các thanh đồng – vật liệu được sử dụng phổ biến làm dây dẫn. (Nguồn Scott Olson/Getty Images News via Getty Images)
Nói một cách đơn giản, hiện tượng siêu dẫn xảy ra khi hai electron liên kết với nhau ở nhiệt độ thấp. Chúng tạo thành khối hợp nhất – khối căn bản của chất siêu dẫn – cặp Cooper. Vật lý và hóa học cơ bản cho chúng ta biết rằng các electron đẩy nhau. Điều này đúng ngay cả đối với chất siêu dẫn tiềm năng như chì vượt quá một nhiệt độ nhất định.
Tuy nhiên, khi nhiệt độ giảm đến một điểm nhất định, các electron trở nên dễ kết hợp hơn. Thay vì một electron đối lập với nhau, một loại “keo” sẽ xuất hiện để giữ chúng lại với nhau.
Duy trì môi trường nhiệt độ thấp
Được phát hiện vào năm 1911, chất siêu dẫn đầu tiên là thủy ngân (Hg), nguyên tố cơ bản của nhiệt kế ngày trước. Để thủy ngân trở thành chất siêu dẫn, nó phải được làm lạnh đến nhiệt độ cực thấp. Kamerlingh Onnes là nhà khoa học đầu tiên tìm ra chính xác cách thực hiện điều đó – bằng cách nén và hóa lỏng khí helium. Trong quá trình này, khi khí helium trở thành chất lỏng, nhiệt độ sẽ giảm xuống -452 độ F (-268.889℃ hay 4.261K).
Khi Onnes đang thí nghiệm với thủy ngân, ông phát hiện ra rằng khi nó được đặt bên trong một bình chứa heli lỏng và làm nguội đến nhiệt độ rất thấp, điện trở– sự cản trở đối với dòng điện trong vật liệu, đột nhiên giảm xuống chính xác bằng 0 ohm. Không có điện trở, không lãng phí nhiệt.
Điều này có nghĩa là dòng điện một khi được tạo ra sẽ chạy liên tục mà không có gì có thể ngăn cản được, ít nhất là trong phòng thí nghiệm. Nhiều vật liệu siêu dẫn đã sớm được phát hiện, nhưng ứng dụng thực tế lại là một vấn đề khác.
Thuỷ ngân hay bạc lỏng (quicksilver), kim loại duy nhất tồn tại ở thể lỏng ở nhiệt độ môi trường – nguồn videophoto/E+ via Getty Images
Những chất siêu dẫn này có chung một vấn đề – chúng cần được làm lạnh. Lượng năng lượng cần thiết để làm lạnh vật liệu xuống trạng thái siêu dẫn là quá đắt đối với các ứng dụng hàng ngày. Đến đầu những năm 1980, nghiên cứu về chất siêu dẫn đã gần đi đến kết luận cuối cùng.
Một phát hiện đáng ngạc nhiên
Trong một diễn biến đầy kịch tính, một loại vật liệu siêu dẫn mới đã được phát hiện vào năm 1987 tại IBM ở Zurich, Thụy Sĩ. Trong vòng vài tháng, các chất siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ ít khắc nghiệt hơn đã được tổng hợp trên toàn cầu. Chất liệu là một loại gốm sứ.
Những chất siêu dẫn gốm mới này được làm từ đồng và oxy trộn với các nguyên tố khác như lanthanum, bari (Ba) và bismuth (Bi). Chúng đi ngược lại với mọi thứ mà các nhà vật lý nghĩ rằng họ biết về việc chế tạo chất siêu dẫn. Các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm những chất dẫn điện rất tốt nhưng những đồ gốm này gần như là nhưng chất cách điện, đồng nghĩa với việc dòng điện chỉ có thể chạy qua một cách vô cùng giới hạn. Từ tính đã phá hủy các chất siêu dẫn thông thường, nhưng bản thân những chất liệu mới này được coi như những viên nam châm.
Các nhà khoa học đang tìm kiếm những vật liệu cho phép các electron tự do chuyển động, tuy nhiên trong những vật liệu này, các electron bị khóa lại và giam giữ. Tại IBM, Alex Müller và Georg Bednorz, đã phát hiện ra một loại chất siêu dẫn mới. Đây là những chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Và chúng hoạt động với quy luật riêng của chúng.
Những giải pháp khó nắm bắt
Các nhà khoa học bây giờ có một thách thức mới. Ba thập kỷ sau khi các chất siêu dẫn nhiệt độ cao được phát hiện, chúng ta vẫn đang nỗ lực tìm hiểu cách chúng hoạt động ở cấp độ vi mô. Các thí nghiệm sáng tạo đang được tiến hành hàng ngày tại các trường đại học và phòng thí nghiệm nghiên cứu trên khắp thế giới.
Tại một phòng thí nghiệm, một loại kính hiển vi mới đã được sử dụng – kính hiển vi quét đường hầm ( Scanning Tunneling Microscope – STM) – để giúp các nhóm nghiên cứu có thể “nhìn thấy” các electron trên bề mặt vật liệu. Điều này cho phép chúng ta hiểu cách các electron liên kết và hình thành tính siêu dẫn ở quy mô nguyên tử.
Chúng ta đã đi một chặng đường dài trong quá trình nghiên cứu và giờ đây biết rằng các electron cũng kết hợp trong các chất siêu dẫn nhiệt độ cao này. Việc tìm ra được cách thức hoạt động của chất siêu dẫn nhiệt độ cao sẽ có giá trị và tính hữu dụng vô cùng lớn vì đó có thể là con đường dẫn đến chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Nếu chúng ta thành công trong việc chế tạo chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, chúng ta có thể giải quyết được vấn đề hàng tỷ đô la nhiệt lãng phí trong quá trình truyền tải năng lượng từ các nhà máy điện đến các thành phố.
Đáng chú ý hơn, năng lượng mặt trời được thu hoạch ở các sa mạc trống rỗng rộng lớn trên khắp thế giới có thể được lưu trữ và truyền tải mà không bị tổn thất năng lượng, điều này có thể cung cấp năng lượng cho các thành phố và giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính. Tiềm năng thật khó tưởng tượng. Tìm ra chất keo cho chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng là câu hỏi trị giá hàng tỷ đô la.
Video về hiện tượng bay lượng tử – Quantum levitation https://www.youtube.com/watch?v=x6OhDE_AYaw&ab_channel=BBC
Người dịch: Huy Tuân
©PR-SEP
PR-SEP Team 