Chất siêu dẫn nhiệt độ cao siêu mỏng

Gennady Logvenov và các cộng sự tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở Upton, New York, Mĩ, vừa chế tạo ra các màng phân lớp đồng oxide hay các chất liệu "cuprate” và phát hiện thấy họ có thể khoanh vùng hành trạng siêu dẫn trong một mặt phẳng đơn nguyên tử. Họ nói khám phá trên sẽ giúp các nhà lí thuyết xây dựng các mô hình toàn diện hơn của sự siêu dẫn nhiệt độ cao, và có thể đưa đến các dụng cụ màng mỏng có các tính chất siêu dẫn của chúng điều chỉnh bằng điện trường.

“Chúng tôi muốn trả lời một câu hỏi cơ bản về các màng như thế”, thành viên đội nghiên cứu, Ivan Bozovic, nói. “Đó là: màng này có thể mỏng bao nhiêu mà vẫn giữ được sự siêu dẫn nhiệt độ cao?”

Không có điện trở

Được phát hiện ra vào đầu thế kỉ 20, sự siêu dẫn là một hiện tượng nhờ đó điện trở của một chất có thể đột ngột giảm xuống bằng không khi chất bị đông lạnh xuống dưới một nhiệt độ đặc biệt – gọi là nhiệt độ chuyển pha (TC). Nó tồn tại ở một số kim loại nguyên chất ở gần không độ tuyệt đối, và các nhà khoa học tin rằng hiện tượng này là do các electron làm biến dạng mạng kim loại để cho sau đó các electron chảy tự do, một cơ chế đã được phác thảo thành cái gọi là lí thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS).

Tuy nhiên, vào năm 1986, các nhà vật lí phát hiện ra rằng sự siêu dẫn còn có thể tồn tại ở một số hợp chất nhất định, bao gồm các cuprate, ở nhiệt độ cao hơn nhiều 30 K và cao hơn nữa. Sự khám phá ra hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao này đã khơi ngòi rất nhiều hứng thú ban đầu do các đề xuất rằng, nếu mở rộng lên tới nhiệt độ phòng, thì nó có thể đưa đến những ứng dụng mới lạ như các đoàn tàu bay và đường cáp điện cực kì hiệu quả. Tuy nhiên, đã hơn 20 năm qua, những công nghệ mới đầy hứng thú này vẫn không vật chất hóa được vì các nhà vật lí và kĩ sư phải vật lộn với việc tìm hiểu cơ chế ẩn đằng sau hiện tượng.

Nay, Logvenov và các cộng sự vừa tiến hành một thí nghiệm có thể giúp lái các nhà lí thuyết vào một hướng đúng. Họ đã chế tạo ra một màng “hai lớp” với một lớp kim loại cuprate và một lớp cách điện cuprate, sử dụng một kĩ thuật gọi là mọc ghép chùm phân tử. Sự siêu dẫn trong những lớp đôi như thế có xu hướng rõ ràng ở tiếp giáp giữa các lớp, nên các nhà nghiên cứu có thể cô lập nơi hiệu ứng xảy ra bằng cách thận trọng pha tạp các mặt phẳng nguyên tử bên trong các lớp ấy với kẽm, chất liệu triệt tiêu sự siêu dẫn.

Các mặt phẳng tới hạn

Các nhà nghiên cứu nhận thấy khi họ pha tạp toàn bộ màng mỏng với kẽm, thì nó không còn siêu dẫn nữa. Tuy nhiên, khi họ pha tạp một mặt phẳng nhất định – đặc biệt là mặt phẳng đồng oxide thứ hai tính từ tiếp giáp ra – họ nhận thấy nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn giảm từ 32 K xuống 18 K. Điều này, họ nói, là bằng chứng cho thấy một mình mặt phẳng đó là thiết yếu cho sự siêu dẫn nhiệt độ cao.

Elisabeth Nicol, một nhà vật lí chất rắn tại trường Đại học Guelph, Canada, gọi nghiên cứu Brookhaven trên là “một mảng công trình nghiên cứu rất khéo léo”, và giải thích nó sẽ giúp các nhà nghiên cứu chế tạo ra các chất siêu dẫn hoạt động ở những nhiệt độ cao hơn. “Nếu chúng ta có thể hiểu được đâu là nguồn gốc của sự siêu dẫn nhiệt độ cao”, bà nói, “thì chúng ta có thể làm các thao tác kĩ thuật để cho nhiệt độ chuyển pha trở nên cao hơn”.

Khám phá trên còn có thể có những lợi ích thực tiễn trực tiếp. Sự siêu dẫn có thể điều khiển với điện trường, nhưng những trường này có thể xuyên qua các màng chỉ một nanomet hay chừng ấy thôi, cho nên khả năng tỏ ra khó hiện thực hóa. Nay Logvenov và các cộng sự đã nhận ra cách thức nhận dạng mặt phẳng tới hạn, nên các kĩ sư có thể dùng nó để chế tạo ra các chất siêu dẫn nhiệt độ cao dùng cho nhiều dụng cụ điện tử đa dạng.

Nghiên cứu được công bố trên tờ Science .