Hiện tượng siêu dẫn là gì, thế nào là vật liệu siêu dẫn, giải thích khi nào xảy ra hiện tượng siêu dẫn, trainghiemhay.com chia sẻ mọi điều bạn nên biết!
Advertisement
Vật liệu siêu dẫn là gì?
Chất siêu dẫn đã được sử dụng hoặc được đề xuất sử dụng trong rất nhiều ứng dụng.
Ví dụ bao gồm tàu bay từ trường tốc độ cao, thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI), chip máy tính tốc độ cực cao, chip bộ nhớ kỹ thuật số dung lượng cao, hệ thống lưu trữ năng lượng thay thế, bộ lọc tần số vô tuyến ( RF ), radio- bộ khuếch đại tần số, máy dò tia hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy nhạy, ăng-ten truyền không dây thu nhỏ, hệ thống phát hiện tàu ngầm và mìn dưới nước, con quay hồi chuyển cho vệ tinh quay quanh trái đất. Điểm giao nhau Josephson và thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn sử dụng chất siêu dẫn.
Hiện tượng siêu dẫn là gì?
Hiện tượng siêu dẫn là một hiện tượng mà một điện tích di chuyển trong một vật liệu mà không có điện trở.
Về lý thuyết, điều này cho phép năng lượng điện được truyền giữa hai điểm với hiệu suất hoàn hảo, không mất gì nhiệt.
Hiện tượng siêu dẫn được phát hiện vào năm 1911, khi nhà vật lý người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes phát hiện ra rằng dây thủy ngân mất tất cả điện trở ở nhiệt độ cực kỳ lạnh giá 4,2 kelvin, hoặc 4,2 độ trên độ không tuyệt đối (-273,15 ° C), nhiệt độ thấp nhất có thể.
Năm tiếp theo, thiếc và chì được phát hiện trở thành chất siêu dẫn ở 3,8K và 7,2K, tiếp theo là các kim loại khác, thường là các hợp kim như niobi-thiếc.
Vào những năm 1950, các nhà vật lý Hoa Kỳ John Bardeen, Leon Cooper và John Robert Schrieffer đã đưa ra lời giải thích về hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ thấp này trên cơ sở vật lý lượng tử.
Nó xảy ra bởi vì các electron dẫn hợp thành cái gọi là cặp Cooper, sử dụng các đặc tính lượng tử để tránh các rào cản thông thường đối với chuyển động tự do của chúng qua một chất rắn. Sự kết đôi này là do ảnh hưởng của các phonon – dao động trong mạng tinh thể của các nguyên tử tạo nên chất rắn.
Những rung động này bị gián đoạn ở nhiệt độ cao hơn, giải thích tại sao các chất siêu dẫn thông thường chỉ hoạt động dưới 40K hoặc hơn, có nghĩa là chúng phải được làm mát bằng cách sử dụng helium lỏng đắt tiền.
Lý thuyết “BCS” của Bardeen, Cooper và Schrieffer đã mang về cho họ giải Nobel vật lý năm 1972 .
Một loạt các khám phá vào cuối những năm 1980 và đầu những năm 1990 về đồng oxit, hay “cuprate”, chất siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ lên tới 133K (-140 ° C) đã khiến các nhà vật lý ngạc nhiên.
Những chất siêu dẫn nhiệt độ cao này chỉ yêu cầu làm mát nitơ lỏng tương đối rẻ, có sẵn miễn phí, hoạt động ở mức 77K, và họ đã làm dấy lên hy vọng rằng các chất siêu dẫn nhiệt độ phòng thực tế có thể ở gần.
Hiện tượng siêu dẫn dùng để làm gì?
Vì chúng ta vẫn chưa biết rõ về cách thức hoạt động của các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, các ứng dụng thực tế của hiện tượng siêu dẫn bị giới hạn nghiêm ngặt.
Phần lớn, chúng là chất siêu dẫn nhiệt độ thấp, làm mát bằng helium bằng chất lỏng được sử dụng để chế tạo nam châm siêu dẫn rất mạnh. Chúng bao gồm các nam châm điều khiển các hạt tại Máy va chạm Hadron Lớn tại phòng thí nghiệm vật lý hạt CERN gần Geneva, Thụy Sĩ.
Máy chụp cộng hưởng từ trong bệnh viện, hoặc máy quét MRI, sử dụng từ trường được tạo ra bởi hợp kim niobi-thiếc siêu dẫn để xem xét các cấu trúc mô bên trong cơ thể.
Trong những năm gần đây, đã có những đột phá có thể đưa các chất siêu dẫn nhiệt độ phòng thực tế đến gần hơn. Các phương pháp tính toán mạnh mẽ đã cho phép chúng ta khám phá ra nhiều nhóm vật liệu siêu dẫn hơn, bao gồm cả những nhóm vật liệu dựa trên các tấm carbon hai chiều được gọi là graphene.
Năm 2020, các nhà vật lý công bố phát hiện ra chất siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ 14° C, hoặc gần như nhiệt độ phòng, bằng cách nghiền hỗn hợp cacbon, lưu huỳnh và hydro với nhau giữa hai viên kim cương. Điều đáng chú ý là hiện tượng siêu dẫn chỉ hoạt động ở áp suất khoảng 70% áp suất trong lõi Trái đất.
