Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Nghiên cứu mới về siêu dẫn gần nhiệt độ phòng

    (1) Vật  liệu  được  coi  là  chất  siêu  dẫn  khi  năng lượng điện được  truyền đi với hiệu suất  100%.  Các chất siêu dẫn có thể  ứng dụng trong một loạt các thiết  bị như máy chụp cộng hưởng từ  trong  bệnh  viện.  Tuy nhiên,  sự  phát triển của các ứng dụng này  đã bị cản trở bởi vì trạng thái siêu  dẫn chỉ xuất hiện tại nhiệt độ thấp  hơn nhiệt độ phòng (295 K).  Trong  một  bài  báo  mới được  công  bố  trên Tạp chí Nature * , Drozdov và  các cộng sự đã  báo cáo một kết  quả đáng ngạc nhiên về tính chất  siêu dẫn của lanthanum hydride.  Khi bị nén tại một áp suất lớn hơn  một  triệu  lần  áp  suất  khí  quyển  của  trái  đất,  lanthanum  hydride  sẽ xuất hiện tính chất siêu dẫn ở  nhiệt độ 250 K - nhiệt độ cao nhất  của chất siêu dẫn từng được biết  đến.

    (2) Siêu  dẫn  được  phát  hiện  lần  đầu tiên trong thủy ngân tại nhiệt  độ dưới 4 K vào năm 1911. Nhiệt  độ  mà  tại  đó  vật  liệu  trở  thành  chất siêu dẫn được gọi là nhiệt độ  tới hạn.  Sau khi phát hiện ra siêu  dẫn, người ta thấy rằng cần thiết  phải tìm kiếm các vật liệu có nhiệt  độ tới hạn lớn hơn 4 K.  Trong hơn  một thế kỷ qua, nhiều chất siêu  dẫn đã được phát hiện, giá trị của  nhiệt độ tới hạn liên tiếp được cải  thiện và dần hướng tới mục tiêu  cuối  cùng  là  bằng  với  nhiệt  độ  phòng  (25 o C,  tương  đương  với  298 K).

    (3) Drozdov và  các  cộng  sự  đã  phá vỡ kỷ lục vào năm 2014 khi  họ  phát  hiện  ra  rằng  hydrogen  sulfide (một chất gây ra mùi thối  của  trứng  gà)  thể  hiện  tính  chất  siêu  dẫn  tại  nhiệt  độ  tới  hạn  khoảng  200  K  khi  nó  được  nén  với  một  áp  suất  gấp  2  triệu  lần  áp  suất  khí  quyển.  Sau  đó,  vào  năm 2018, hai nhóm nghiên cứu  độc  lập  (Drozdov  và  cộng  sự;  Somayazulu và cộng sự) đã công  bố  gần  như  đồng  thời  kết  quả  nghiên  cứu  của  mình  với  khẳng  định,  lanthanum  hydride  có  thể  xuất hiện tính chất siêu dẫn ở nhiệt  độ cao hơn (từ 215 đến 280 K).

    (4) Đặc điểm chung của các chất  siêu  dẫn  hydrogen  sulfide  và  lanthanum  hydride  là  chúng  rất  giàu hydro và tính chất siêu dẫn  chỉ  xuất  hiện  dưới  một  áp  suất  cực cao (hơn một triệu lần áp suất  khí quyển).  Trong điều kiện khắc  nghiệt như vậy, các liên kết hóa  học bị thay đổi đáng kể và hình  thành các cấu trúc mới không ổn  định.  Trong trường hợp lanthanum  hydride, áp suất cao đã dẫn đến  sự hình thành cấu trúc LaH 10 , cấu  trúc  hóa  học  này  có  hàm  lượng  hydro cao hơn nhiều so với cấu  trúc của lanthanum hydride tại áp  suất khí quyển.

    (5) Để đạt được áp suất cực cao  (gần bằng một nửa áp suất tại lõi  của trái đất), Drozdov và các cộng  sự đã sử dụng một thiết bị gọi là  tế bào đe bằng kim cương.  Thiết  bị này có thể nằm gọn trong lòng  bàn tay và tạo áp lực bằng cách  nén  mẫu,  trong  đó  mẫu  được  nằm trong một lá kim loại mỏng,  giữa hai viên kim cương có hình  dạng dẹt. Tuy nhiên cần  lưu  ý  rằng,  với  cấu  tạo  này  chỉ  một  số  phép  đo  là  có  thể  thực  hiện được,  vì mẫu có kích thước  rất nhỏ (~0,01 mm) và được bao  quanh bởi các lá kim loại và kim  cương  có  kích  thước  tương  đối  lớn.    Hơn nữa, để có thể đo được  độ  dẫn  điện,  các  dây  dẫn  điện  cần phải tiếp xúc với mẫu, nhưng  phải cách ly điện bằng giấy bạc.

    (6) Các  tác  giả  đã  vượt  qua  được  những  thách  thức  trong  việc  thiết  kế thí nghiệm  siêu dẫn với áp suất  cực cao và đã báo cáo những kết  quả  quan  trọng  về  tính  chất  siêu  dẫn tại nhiệt độ cao của lanthanum  hydride.  Để chứng minh rằng một  vật liệu là siêu dẫn, các nhà nghiên  cứu  thường  kiểm  tra  3  tính  chất  của vật liệu như sau: điện trở bằng  không, sự  giảm nhiệt độ tới hạn dưới  một từ trường  và từ thông bị đẩy ra  khỏi  bên  trong  vật  liệu  (một  hiện  tượng  vật  lý  được  gọi  là  hiệu  ứng  Meissner).  Drozdov  và  các  cộng  sự đã phát hiện ra 2 đặc tính đầu  tiên của chất siêu dẫn.  Đặc tính cuối  cùng - hiệu ứng Meissner đã không  thể quan sát được vì các mẫu quá  nhỏ.

    (7) Việc tìm kiếm tính chất siêu dẫn  nhiệt độ cao trong các vật liệu giàu  hydro có thể được liên kết với các  dự đoán trước đó vào năm 2004. Dự  đoán này dựa trên một lý thuyết cho  rằng các nguyên tố với khối lượng  nguyên tử thấp có thể đóng góp vào  giá trị nhiệt độ tới hạn cao.  Hydro  là nguyên tố nhẹ nhất trong bảng  tuần hoàn, do đó tối ưu cho nhiệt  độ tới hạn cao.  Dựa trên logic này,  việc thay thế hydro bằng một đồng  vị  deuterium  nặng  hơn  sẽ  dẫn  tới  giảm nhiệt độ tới hạn.  Drozdov và  các cộng sự đã quan sát tính chất  siêu  dẫn  với  đồng  vị  này  và  thấy  rằng nhiệt độ tới hạn của lanthanum  deuteride thấp hơn so với lanthanum  hydride. Kết luận này gần như chính  xác theo dự đoán của lý thuyết.

    (8) Từ quan điểm khoa học, những  kết quả này cho thấy chúng ta đang  bước  vào  giai  đoạn  chuyển  đổi  từ  tìm  kiếm  chất  siêu  dẫn  bằng  thực  nghiệm,  trực  giác  hoặc  may  mắn  sang tìm kiếm chất siêu dẫn dựa trên  các hướng dẫn được dự đoán bởi lý  thuyết. Nhiệt độ tới hạn của vật liệu  siêu dẫn từ lâu đã được coi là một  trong  những  tính  chất  khó  có  thể  tính toán chính xác.  Tuy nhiên, các  thực nghiệm trên hydrogen sulfide  và lanthanum hydride đã được thúc  đẩy bởi các kết quả từ tính toán lý  thuyết.  Những thành công đáng chú  ý này dường như được thúc đẩy bởi  các tiến bộ trong các phương pháp  tính toán gần đây.

    (9) Tầm quan trọng thực tế của tính  chất  siêu  dẫn  trong  các  vật  liệu  được tổng hợp với số lượng cực nhỏ  tại một áp suất lớn hơn áp suất khí  quyển một triệu lần là gì?  Câu trả  lời phụ thuộc vào việc các trạng thái  siêu dẫn có thể được phục hồi tại  áp suất khí quyển hay không.  Bản  thân kim cương là một ví dụ về vật  liệu  được  hình  thành  tại  áp  suất  cao nhưng có thể tồn tại trong áp  suất  khí  quyển.  Nỗ  lực  sản  xuất  kim cương tổng hợp cung cấp động  lực đáng kể cho sự phát triển của  các phương pháp thực nghiệm với  áp  suất  cao.  Tuy  nhiên,  ngày  nay  kim cương tổng hợp được phát triển  bằng cách sử dụng một kỹ thuật với  áp  suất  thấp  gọi  là  lắng  đọng  hơi  hóa học.  Về mặt lạc quan, cuối cùng  có thể sử dụng các phương pháp với  áp suất thấp tương tự để tạo ra các  chất siêu dẫn siêu bền được phát  hiện ban đầu tại áp suất cao.

    (10) Trong vài năm tới, các thí nghiệm  có  thể  sẽ  tập  trung  vào  việc  tìm  kiếm tính siêu dẫn trong các vật liệu  giàu hydro có áp suất thấp hơn.  Do  đó dường như nhiều khả năng giấc  mơ  siêu  dẫn  nhiệt  độ  phòng  có  thể được thực hiện trong tương lai  gần.  Tại  thời  điểm  đó,  thách  thức  lớn  sẽ  chuyển  từ  đẩy  nhiệt  độ  tới  hạn lên cao hơn sang đẩy áp suất  cần thiết xuống thấp hơn.

(Nguồn: “Nghiên cứu mới về siêu dẫn gần nhiệt độ phòng”, Nguyễn Tuấn Hưng, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 9, năm 2019)

Vật liệu được coi là chất siêu dẫn khi nào?