Ginzburg V. L và những đóng góp tiên phong trong lý thuyết siêu dẫn

1. Cuộc đời và sự nghiệp (1)

Vitaly Lazarevich Ginzburg sinh ngày 4 tháng 10 năm 1916 tại thủ đô Moscow, nước Nga, là con duy nhất trong gia đình, bố là kỹ sư và mẹ là bác sĩ. Vitaly có tuổi thơ và thời niên thiếu khó khăn khi mẹ qua đời lúc ông mới lên 4 tuổi, còn bố thì già hơn ông 53 tuổi. Khi 11 tuổi ông mới được đến trường và chỉ được học ở đó bốn năm (bắt đầu học từ lớp bốn đến hết lớp bảy). Ở trường học Ginzburg bắt đầu say mê môn Vật lý, vì thế năm 1933 ông quyết định thi vào khoa Vật lý trường Đại học Tổng hợp Mômônôxốp (thường gọi tắt là GMU). Nhưng điều kiện để được dự thi là phải hoàn thành chường trình học ở trường, trong khi Ginzburg mới chỉ kết thúc lớp bảy. Trong ba tháng Ginzburg hoàn thành tất cả chương trình học của những năm còn lại và dự thi nhưng không đỗ. Ông chỉ đậu trong lần thi thứ hai.

Năm 1938, Ginzburg kết thúc đại học MGU. Sau 2 năm ông nhận bằng tiến sĩ - PhD. Giáo sư hướng dẫn khi đó là G. Landsberg - một nhà vật lý nổi tiếng trong lĩnh vực quang học. Mùa xuân năm 1942 Ginzburg bảo vệ thành công luận án tiến sĩ khoa học Dr. Sc. Giáo sư hướng dẫn khi đó là I. E. Tamm - giải thưởng Nobel vật lý năm 1958.

Từ năm 1953, Ginzburg là thành viên trực thuộc và sau đó (từ năm 1966) trở thành Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Nga (Liên Xô cũ). Từ năm 1998, ông là tổng biên tập của tạp chí vật lý nổi tiếng của Nga - Physics - Uspekhi.

Ginzburg là nhà vật lý lý thuyết, nhà vật lý thiên văn vĩ đại, là một trong những cha đẻ của bom hiđrô và tác giả của lý thuyết hiện tượng luận trong siêu dẫn mang tên Ginzburg - Landau, giải thưởng Nobel vật lý năm 2003. Ông nghiên cứu rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong vật lý và thiên văn học. Hơn 400 công trình khoa học có giá trị của ông đã đăng trên tạp chí, nhà xuất bản nổi tiếng trên thế giới.

Có thể nói, trong thời đại của chúng ta ngày nay rất hiếm có nhà khoa học nào đạt được những thành tựu to lớn như Ginzburg trong nhiều lĩnh vực khác nhau - điện động lực học lượng tử (trên cơ sở thuyết lượng tử giải thích hiệu ứng Cherenkov), lý thuyết cơ bản, lý thuyết chuyển pha trong môi trường đông đặc (tiêu chuẩn Ginzburg), lý thuyết siêu lỏng, lý thuyết siêu dẫn (lý thuyết Ginzburg - Landau), vật lý plasma, vật lý thiên văn (bức xạ radio của Mặt trời, lý thuyết hình thành pulsar, lý thuyết lỗ đen…), lý thuyết tương đối rộng và rất nhiều lĩnh vực khác nữa.

Ginzburg đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo các loại vũ khí hạt nhân của Liên xô. Ông được coi là một trong những cha đẻ của bom hiđrô, khi đưa ra một trong hai ý tưởng để chế tạo bom hiđrô. Ý tưởng của Ginzburg là đúng ⁶L _ilàm nhiên liệu đốt để nhận được tritium ³H trong phản ứng:

⁶L _i+ n®³H + ⁴ He + 4,6 MeV. Ý tưởng còn lại là cấu trúc bom dạng xếp lớp (Sloika) của A. Sakharov. Quả bom hiđrô đầu tiên của Liên xô được thử nghiệm thành công vào ngày 12 tháng 8 năm 1953 (bom nguyên tử - ngày 29 tháng 8 năm 1949). Ý tưởng của Ginzburg cho đến ngày nay còn được sử dụng để chế tạo nhiều loại vũ khí hạt nhân khác.

Ginzburg hướng dẫn seminar vào mỗi thứ tư hàng tuần. Khác với các seminar thông thường chỉ có nhiều nhất 10 - 15 nhà khoa học tham gia, trên seminar của ông thường có hàng trăm nhà khoa học (!) và được kéo dài gần nửa thế kỉ. Chỉ tới ngày 21 tháng 11 năm 2001, tức là seminar lần thứ 1700, khi sức khoẻ Ginzburg đã yếu, ông thông báo ngừng hướng dẫn seminar.

Tình yêu đối với khoa học của Ginzburg là bất tận. Khi đã ngoài 70 tuổi, ông còn tiếp tục nghiên cứu lý thuyết lực Van - der - Waals và các vấn đề về siêu nghịch từ (superdiamagnetism), các hiệu ứng nhiệt điện trong siêu dẫn và rất nhiều vấn đề thời sự khác nhau trong vật lý và thiên văn học.

Với những cống hiến vô cùng to lớn đó, Ginzburg được nhận nhiều phần thưởng khoa học cao quý và được bầu chọn là thành viên của các Hiệp hội, Viện khoa học của nhiều nước trên toàn thế giới.

Trong phạm vi bài viết này, chúng ta không thể liệt kê toàn bộ thành quả khoa học của Ginzburg, mà chỉ đề cập đến những đóng góp to lớn của ông trong ngành vật lý siêu dẫn.

2. Hoạt động trong lĩnh vực siêu dẫn

Từ năm 1943, tức là 32 năm sau kể từ ngày tìm ra hiện tượng siêu dẫn (hiện tượng siêu dẫn được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1911 bởi nhà vật lý người Hà Lan Kamerlingh - Onnes) Ginzburg bắt đầu nghiên cứu về siêu dẫn. Ông dựa trên nền tảng thuyết siêu lỏng của Landau để xây dựng một cách tương tự lý thuyết vi mô cho siêu dẫn (2). Ginzburg cho rằng, phổ của electron trong kim loại phải tồn tại khe năng lượngDnào đó và đối với phổ này phải quan sát được hiện tượng siêu dẫn. Khi so sánh mô hình của mình (coiD= const) với thực nghiệm, Ginzburg nhận được giá trị:D/ k _BT _C= 3,1 với k _Blà hằng số Boltzmann, T _C- nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn. Như chúng ta đã biết, trong lý thuyết vi mô về siêu dẫn của Bardeen, Cooper và Schrieffer (BCS) (3)D₀/ k _BT _C= 3,52 nhưng ở đâyD₀- Giá khe năng lượng ở T = 0 và khi nhiệt độ tăng, khe năng lượng giảm; khi T = T _C, A(T _C) = 0. Khi đó, công trình (2) của ông chỉ đăng trên tạp chí của Liên xô, mà không gửi đăng trên các tạp chí tiếng Anh (do Ginzburg cho là công trình không có giá trị lớn). Tuy nhiên, sau đó công trình này đã được J. Bardeen rất coi trọng trong bài báo nổi tiếng (4), đăng tải vào năm 1956.

Công trình tiếp theo (5) của Ginzburg về các hiện tượng nhiệt điện trong chất siêu dẫn được công bố vào cùng năm 1944. Cho đến nay, công trình này vẫn mang tính thời sự cao và được nhiều nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu.

Năm 1950, lý thuyết hiện tượng luận Ginzburg - Landau ra đời và được công bố lần đầu tiên trên tạp chí JETP(6). Do tình hình chính trị phức tạp ở Liên Xô lúc bấy giờ nên công trình này chỉ được đăng bằng tiếng Nga mà không thể gửi ra nước ngoài. Thật may mắn là sau đó công trình này được D. Shoenberg (nhà vật lý nổi tiếng trong lĩnh vực nhiệt độ thấp) chủ động dịch sang tiếng Anh và gửi đến các đồng nghiệp khác. Công trình này thu hút nhiều sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, bởi khi đó tên tuổi của Landau (giải thưởng Nobel vật lý năm 1962) đã lừng danh trên toàn thế giới.

Lý thuyết Ginzburg - Landau được tổng quát từ lý thuyết siêu dẫn của anh em nhà F. London và H. London , được đưa ra vào năm 1935 (7). Lý thuyết London đã rất thành công khi chứng minh được sự tồn tại của hiệu ứng Meissner (hiện tượng từ trường bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn) trong chất siêu dẫn, nhưng lại không áp dụng được trong từ trường mạnh (cỡ từ trường tới hạn) và không giải thích được hàng loạt các kết quả thực nghiệm mới lạ.

Lý thuyết Ginzburg - Landau là ứng dụng lý thuyết chuyển pha của Landau cho siêu dẫn. Giả thuyết của Ginzburg - Landau là trạng thái siêu dẫn trật tự hơn trạng thái bình thường. Trong lý thuyết này đã đưa vào khái niệm thông số trật tự là một hàm phức vô hướngY- đại lượng vật lý mô tả các trạng thái khác nhau của hệ. Do đó, lý thuyết Ginzburg - Landau đôi khi còn được gọi là lý thuyếtY.

Sau khi lý thuyết BCS ra đời vào năm 1957 (3), người ta đã chỉ ra rằng, bản chất của thông số trật tựYchính là hàm sóng của cặp Cooper (cặp điện tử có spin và hướng chuyển động ngược nhau). Vào năm 1958, bằng phương pháp hàm Green, L. P. Gor’kov (8) đã chứng minh được lý thuyết Ginzburg - Landau có thể suy ra từ lý thuyết BCS. Tuy vậy lý thuyết Ginzburg - Landau không hề mất đi giá trị, mà ngược lại, nó tiếp tục được sử dụng trong hàng loạt bài viết sau này. Thậm chí có thể nói, tại vùng lân cận của nhiệt độ chuyển pha T _C, lý thuyết Ginzburg - Landau rộng hơn lý thuyết BCS với hàm ý là không phụ thuộc vào cách chọn mô hình như lý thuyết BCS.

Lý thuyết Ginzburg - Landau sau đó được A. A. Abrikosov và L. P. Gor’kov phát triển thành lý thuyết Ginzburg - Landau - Abrikosov - Gor’kov (GALG) đối với siêu dẫn của các hợp kim và mở đường cho việc ứng dụng vật liệu siêu dẫn vào kỹ thuật. Tiếp theo, lý thuyết Ginzburg - Landau được tổng quát cho trường hợp tương đối tính và được ứng dụng rộng rãi trong lý thuyết trường lượng tử, trong vũ trụ học, trong nhiều ngành vật lý học và toán học (lý thuyết rẽ nhánh trong siêu dẫn (9)…).

Từ lý thuyết Ginzburg - Landau người ta đã tìm ra các kết quả mới lạ và giải thích được rất nhiều hiện tượng thực nghiệm lạ kỳ. Tuy nhiên, lý thuyết này chỉ sử dụng được trong vùng lân cận của nhiệt độ chuyển pha T _Cvà điều kiện giới hạn là khác nhau đối với từng loại siêu dẫn. Chính vì vậy đã có một số công trình tổng quát lý thuyết Ginzburg - Landau cho trường hợp nhiệt độ bất kỳ (10 - 12).

Từ năm 1964, Ginzburg (13) và W. A. Little (14) là những người đầu tiên nghiên cứu và tin tưởng vào sự tồn tại của siêu dẫn nhiệt độ cao (SDNĐC). Những nỗ lực to lớn và mơ ước của họ đã trở thành sự thật khi J. G. Bednorz và K. A. Muller tìm ra SDNĐC vào năm 1986 (15). Ginzbirg cũng rất tin vào khả năng một ngày nào đó sẽ tổng hợp được siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Ông luôn cố gắng xúc tiến, thậm chí viết thư đề nghị tổng thống Nga V. Putin về việc xây dựng phòng thí nghiệm hiện đại (khoảng 15 triệu USD) ở Liên bang Nga để phục vụ cho công việc tìm kiếm và nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn. Hiện nay, ngành vật lý siêu dẫn đang là vấn đề thời sự và được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Ứng dụng của siêu dẫn trong kỹ thuật và đời sống (16) sẽ không thể kể hết nếu như giá trị của nhiệt độ chuyển pha T _Ctiếp tục được tăng lên. Tuy nhiên, sau 21 năm kể từ ngày tìm ra SDNĐC đến nay, người ta vẫn chưa tìm được lý thuyết và cơ chế ghép đôi của các cặp điện tử trong SDNĐC, đặc biệt là trong các trường hợp chất oxit đồng (cuprate) vẫn còn là điều bí ẩn.

Ngày 7 tháng 10 năm 2003, Ginzburg được trao giải thưởng Nobel vật lý (cùng với A. A. Abrikosov và A. J. Leggett) do có những cống hiến to lớn và tiên phong trong lý thuyết siêu dẫn và siêu lỏng.

Tài liệu tham khảo

(1)    Ginzburg V. L About science, myself and others. Bristol : IOP Publ (2005).

(2)    Ginzburg V. L JETP 14 124 (1944).

(3)    Bardeen J, Cooper L. N, Schrieffer J.R Phys. Rev. 108 1175 (1975).

(4)    Bardeen J, Hand. Phys. 15 274 (1956).

(5)    Ginzburg V. L JETP 14 177 (1944).

(6)    Ginzburg V. L, Landau L.D JETP 20 1064 (1950).

(7)    LondonF. London H. Proc. R. Soc. London Ser. A 149 71 (1935); Physica 2 341 (1935).

(8)    Gor’kov L. Pi JETP 36 1918, 37 1407 (1959).

(9)   Ma T., Wang S. J Math. Phys. 46 059112 (2005).

(10)                       Bardeen J. Phys. Rev 94 554 (1954).

(11)                       Ginzburg V. L .JETP 30 593 (1956).

(12)                       Ginzburg V. L. DAN USSR 110 358 (1956).

(13)                       Ginzburg V. L Phys. Lett. 13 101 (1964).

(14)                       Little W. A. Phys. Rev A 134 1416 (1964).

(15)                       Bednorz J. G, Muller K. A, Z. Phys. B 64 189 (1986).

(16)                       Nguyễn Huy Sinh. Vật lý siêu dẫn. Chương 9. NXB Giáo dục (2005).