VẬT LIỆU SIÊU DẪN-CÔNG NGHỆ NANO, chương 1

Siêu dẫn là hiệu ứng vật lý xảy ra đối với một số vật liệu ở nhiệt độ đủ thấp và từ trường đủ nhỏ, đặc trưng bởi điện trở bằng 0 dẫn đến sự suy giảm nội từ trường (hiệu ứng Meissner). Siêu dẫn là một hiện tượng lượng tử. Trạng thái vật chất này không nên nhầm với mô hình lý tưởng dẫn điện hoàn hảo trong vật lý cổ điển, ví dụ từ thủy động lực học Trong chất siêu dẫn thông thường, sự siêu dẫn được tạo ra bằng cách tạo một lực hút giữa một...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
VẬT LIỆU SIÊU DẪN-CÔNG NGHỆ NANO, chương 1 VẬT LIỆU SIÊU DẪN-CÔNG NGHỆ NANO VẬT LIỆU SIÊU DẪNChương 1: Định nghĩaSiêu dẫn là hiệu ứng vật lý xảy ra đối với một số vật liệu ở nhiệtđộ đủ thấp và từ trường đủ nhỏ, đặc trưng bởi điện trở bằng 0 dẫnđến sự suy giảm nội từ trường (hiệu ứng Meissner). Siêu dẫn làmột hiện tượng lượng tử. Trạng thái vật chất này không nên nhầmvới mô hình lý tưởng dẫn điện hoàn hảo trong vật lý cổ điển, ví dụtừ thủy động lực họcTrong chất siêu dẫn thông thường, sự siêu dẫn được tạo ra bằngcách tạo một lực hút giữa một số electron truyền dẫn nào đó nảysinh từ việc trao đổi phonon, làm cho các electron dẫn trong chấtsiêu dẫn biểu hiện pha siêu lỏng tạo ra từ cặp electron tương quan.Ngoài ra còn tồn tại một lớp các vật chất, biết đến như là các chấtsiêu dẫn khác thường, phô bày tính chất siêu dẫn nhưng tính chấtvật lý trái ngược lý thuyết của chất siêu dẫn đơn thuần. Đặc biệt,có chất siêu dẫn nhiệt độ cao có tính siêu dẫn tại nhiệt độ cao hơnlý thuyết thường biết (nhưng hiện vẫn thấp hơn nhiều so với nhiệtđộ trong phòng). Hiện nay chưa có lý thuyết hoàn chỉnh về chấtsiêu dẫn nhiệt độ cao.a. Siêu dẫn nhiệt độ caoSiêu dẫn nhiệt độ cao, trong vật lý học, nói đến hiện tượng siêudẫn có nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn từ vài chục Kelvin trở lên.Các hiện tượng này được khám phá từ thập kỷ 1980 và không thểgiải thích được bằng lý thuyết BCS vốn thành công với các chấtsiêu dẫn cổ điển được tìm thấy trước đó.Siêu dẫn ở nhiệt độ caob. Hiệu ứng MeissnerMột nam châm được nâng trên mặt một vật liệu siêu dẫn nhúngtrong nitơ lỏng lạnh tới −200°C, thể hiện hiệu ứng MeissnerHiệu ứng Meissner hay hiệu ứng Meissner-Ochsenfeld là hiệuứng từ thông bị đẩy ra hoàn toàn khỏi bên trong của vật siêu dẫn.Hiện tượng này là hiện tượng nghịch từ hoàn hảo. Từ thông sinh rabởi vật siêu dẫn bù trừ hoàn toàn từ thông ở môi trường ngoài. Dođó, từ thông bên trong vật siêu dẫn bằng 0. Hiện tượng này đượckhám phá bởi Walther Meissner và Robert Ochsenfeld vào năm1933.c. Lý thuyết BCSLý thuyết BCS là mô hình lý thuyết vi mô được ba nhà vật lý JohnBardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer đưa ra vào năm 1957để giải thích hiện tượng siêu dẫn. Lý thuyết này giải thích rất thànhcông những tính chất vi mô của hệ siêu dẫn và nhiệt động lực họccủa hệ. Lý thuyết này cũng rất tương thích với một mô hình địnhtính khác là lý thuyết Ginzburg-Landau.Ý tưởng cơ bản của mô hình này là khi trong hệ xuất hiện lực hútgiữa các điện tử, trạng thái điện tử cơ bản của hệ chất rắn trở nênkhông bền so với trạng thái mà trong đó có xuất hiện cặp điện tửvới spin và xung lượng trái ngược.Lực hút giữa các điện tử này là do nguyên nhân tương tác giữađiện tử với các mode biến dạng của tinh thể mạng (phonon). Ta cóthể hình dung, khi một điện tử chuyển động, tương tác của nó vớimạng tinh thể làm biến dạng mạng tinh thể và điện tử đi theo sauđó sẽ dễ dàng chuyển động hơn trong tinh thể. Hai điện tử này tạothành một cặp điện tử Cooper. Từ tương tác điện tử với các phononta có thể suy ra lực tương tác hút hiệu dụng giữa hai điện tử.Với giả thiết trên về tương tác hút giữa các điện tử, bằng phươngpháp trường trung bình ta có thể giải được mô hình và thu đượcnhững kết quả định lượng.John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer đã nhận giảithưởng Nobel về vật lý năm 1972 nhờ công trình này. Tuy nhiên lýthuyết BCS chỉ áp dụng đúng cho các chất siêu dẫn cổ điển cónhiệt độ của trạng thái siêu dẫn rất thấp. Sau phát minh về các chấtsiêu dẫn nhiệt độ cao, cho đến nay chưa có lý thuyết hoàn chỉnhnào giải thích các hiện tượng này.2.Lịch sửĐối với kim loại nói chung, ở nhiệt độ rất cao thì điện dẫn xuất λ tỉlệ với nhiệt độ T. Ở nhiệt độ thấp, λ tăng nhanh khi T giảm. Nếukim loại hoàn toàn tinh khiết, có thể nói rằng về nguyên tắc khiT=0 thì λ tiến tới vô cực, nghĩa là điện trở kim lọai dần tiến tới 0.Nếu kim lọai có lẫn tạp chất thì ở nhiệt độ rất thấp (khoảng vài độK) kim loại có điện trở dư không phụ thuộc nhiệt độ và tỉ lệ vớinồng độ tạp chất. Thực tế không thể đạt tới nhiệt độ T=0 độ K vàkhông thể có kim loại nguyên chất hoàn toàn, nên vật thể có điệntrở bằng 0 chỉ là vật dẫn lý tưởng.Năm 1911, Heike Kamerlingh Onnes làm thí nghiệm với thủy ngânnhận thấy rằng sự phụ thuộc của điện trở thủy ngân vào nhiệt độkhác hẳn sự phụ thuộc đối với kim lọai khác. Khi nhiệt độthấp,địên trở thủy ngân không phụ thuộc vào nhiệt độ nữa, chỉ phụthuộc vào nồng độ tạp chất. Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ xuống tớiTc=4,1 độ K, điện trở đột ngột hạ xuống 0 một cách nhảy vọt.Hiện tượng nói trên gọi là hiện tượng siêu dẫn, và Tc là nhiệt độtới hạn.Đến tháng 1 năm 1986 tại Zurich, hai nhà khoa học Alex Muller vàGeorg Bednorz tình cờ phát hiện ra một chất gốm mà các yếu tốcấu thành là: Lantan, Đồng, Bari, Oxit kim loại. Chất gốm này trởnên siêu dẫn ở nhiệt độ 35 độ K.Một thời ...