Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Luận văn ảnh hưởng của thăng giáng nhiệt lên độ từ hoá của vật liệu siêu dẫn nhi...

Tài liệu Luận văn ảnh hưởng của thăng giáng nhiệt lên độ từ hoá của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao

.PDF
58
735
100

Mô tả:

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam kết bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu và các tài liệu đƣợc trích dẫn trong luận văn là trung thực. Kết quả nghiên cứu này không trùng với bất cứ công trình nào đƣợc công bố trƣớc đó. Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Hà Nội, tháng 6 năm 2017. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Quỳnh Hoa LỜI CẢM ƠN Luận văn này đƣợc thực hiện và hoàn thành tại khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội, dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của TS. Bùi Đức Tĩnh. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS. Bùi Đức Tĩnh, ngƣời thầy đã nhiệt tình hƣớng dẫn và truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong công tác nghiên cứu khoa học từ những ngày tôi bắt đầu nhận đề tài nghiên cứu tại trƣờng đại học sƣ phạm Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội, Phòng sau Đại học, Ban chủ nhiệm khoa Vật lý, Tổ Vật lý lý thuyết, các thầy cô giáo trong trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội. Cảm ơn các thầy cô đã tham gia giảng dạy lớp cao học Vật lý lý thuyết K25 - Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội và các bạn đồng khóa đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi làm việc trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trƣờng . Qua đây tôi xin chân thành cảm ơn tới những ngƣời thân trong gia đình đã luôn động viên, chia sẻ, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập. Hà Nội, tháng 6 năm 2017. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Quỳnh Hoa MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 CHƢƠNG I: SƠ LƢỢC VỀ SIÊU DẪN ......................................................................... 5 1.1 Siêu dẫn.................................................................................................................. 5 1.1.1 Vài nét về sự phát triển của siêu dẫn .............................................................. 5 1.1.2 Các khái niệm về siêu dẫn .............................................................................. 6 1.1.3 Các giá trị tới hạn của siêu dẫn....................................................................... 7 1.1.4 Các tính chất quan trọng của siêu dẫn ............................................................ 9 1.1.5 Lý thuyết BCS .............................................................................................. 15 1.1.6 Phân loại siêu dẫn trên cơ sở tính chất từ ..................................................... 17 1.2. Siêu dẫn nhiệt độ cao .......................................................................................... 18 1.2.1 Khái niệm ..................................................................................................... 19 1.2.2. Tính chất ...................................................................................................... 19 1.2.3 Sơ lƣợc tiến trình phát triển của các siêu dẫn nhiệt độ cao .......................... 19 1.3. Một vài ứng dụng điển hình của siêu dẫn ........................................................... 20 1.3.1 Máy chụp ảnh cộng hƣởng từ (MRI) ............................................................ 20 1.3.2 Truyền tải điện năng ..................................................................................... 22 1.3.3 Nam châm lƣỡng cực.................................................................................... 24 1.3.4 Tàu chạy trên đệm từ .................................................................................... 24 1.3.5 Siêu máy tính ............................................................................................... 26 1.3.6 Phát hiện mới về siêu dẫn ............................................................................. 27 CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT GINZBURG-LANDAU ................................................... 29 2.1 Thông số trật tự .................................................................................................... 29 2.2 Năng lƣợng tự do ................................................................................................. 29 2.3 Các phƣơng trình Ginzburg-Landau và hệ quả ................................................... 30 2.3.1 Hai phƣơng trình Ginzburg-Landau ............................................................. 30 2.3.2 Hệ quả ........................................................................................................... 31 2.4 Xoáy từ (Vortex) và trạng thái hỗn hợp trong chất siêu dẫn ............................... 33 2.5 Thăng giáng nhiệt ................................................................................................ 35 CHƢƠNG 3: ĐỘ TỪ HÓA TRONG MÔ HÌNH GINZBURG – LANDAU HAI CHIỀU ............................................................................................................................ 38 3.1 Năng lƣợng tự do trong trƣờng hợp 2 chiều ........................................................ 38 3.2 Ảnh hƣởng của thăng giáng lên độ từ hóa ........................................................... 41 3.2.1 Lý thuyết gần đúng tự hợp ........................................................................... 41 3.2.2 Áp dụng tính độ từ hóa trong mô hình G-L 2 chiều ..................................... 42 3.3 Kết quả và thảo luận: ........................................................................................... 46 KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................................... 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 51 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. 1 :Sự mất điện trở của chất siêu dẫn nhiệt độ thấp ............................................. 7 Hình 1. 2: Sự phụ thuộc của từtrƣờngtới hạn vào nhiệt độ và đƣờng cong ngƣỡng....... 8 Hình 1. 3: Đƣờng cong ngƣỡng của một vài chất siêu dẫn thƣờng gặp ......................... 8 Hình 1. 4: Tính chất từ của chất siêu dẫn ......................................................................... 9 Hình 1. 5: Một vật lơ lửng trong không trung, biểu tƣợng của vật liệu siêu dẫn .......... 12 Hình 1. 6: Một con tàu có thể lơ lửng cả ở trên và dƣới đƣờng ray nhờ siêu dẫn ......... 13 Hình 1. 7: Cấu trúc vật liệu gốm đồng oxyt trong nghiên cứu ...................................... 14 Hình 1. 8: Đƣờng cong từ hóa của các chất siêu dẫn theo từ trƣờng ............................. 17 Hình 1. 9: Sự biến thiên của từ độ phụ thuộc từ trƣờng của siêu dẫn loại I (a) và loại II (b) ................................................................................................................................... 18 Hình 1. 10: Sự xuyên từ thông trong trạng thái hỗn hợp ............................................... 18 Hình 1. 11: Máy cộng hƣởng từ (MRI) và hình ảnh chụp qua máy đƣợc ghi nhận lại . 22 Hình 1. 12: Cáp siêu dẫn nhiệt độ cao (high-temperature superconductor) .................. 23 Hình 1. 13: Máy va chạm Hadron lớn ở CERN (Ảnh CERN) ...................................... 24 Hình 1. 14: Tàu magnev – Nhật Bản ............................................................................. 25 Hình 1. 15: Siêu máy tính Tianhe-2 (Thiên hà 2) có tốc độ đạt 33,86 petaflop mỗi giây ........................................................................................................................................ 27 Hình 2. 1:Xoáy từ Abrikosov ......................................................................................... 34 Hình 2. 2: Các nhân xoáy trong vùng hỗn hợp sắp xếp theo mạng tam giác................. 35 Hình 2. 3: Cấu trúc một Vortex ...................................................................................... 35 Hình 2. 4: Giản đồ pha của chất siêu dẫn nhiệt độ cao khi xét đến thăng giáng nhiệt .. 36 Hình 3. 1: Sự phụ thuộc của độ từ hóa vào từ trƣờng ứng với các nhiệt độ khác nhau của vật liệu siêu dẫn LSCO ............................................................................................ 47 Hình 3. 2: Sự phụ thuộc của độ từ hóa vào từ trƣờng ứng với các nhiệt độ khác nhau trên Tc ............................................................................................................................ 48 Hình 3. 3: Sự phụ thuộc của độ từ hóa vào nhiệt độ ứng với các từ trƣờng nhỏ khác nhau ................................................................................................................................ 49 Hình 3. 4: Sự phụ thuộc của độ từ hóa vào nhiệt độ ứng với các từ trƣờng lớn khác nhau ................................................................................................................................ 49 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Siêu dẫn là hiện tƣợng đƣợc Heike Kamerling Ones phát hiện năm 1911 – ông là nhà vật lý nổi tiếng ngƣời Hà Lan đã đƣợc tặng giải thƣởng Nobel vật lý năm 1913. Khi một vật dẫn đƣợc làm lạnh đến một nhiệt độ gọi là nhiệt độ tới hạn sẽ xuất hiện trạng thái siêu dẫn, trong đó điện trở của kim loại bằng không. Cho đến nay, vật liệu siêu dẫn đóng một vai trò rất quan trọng trong cuộc sống của con ngƣời c ng nhƣ đối với sự phát triển của khoa học k thuật. Vật liệu này đã đƣợc ứng dụng sâu rộng trong cuộc sống nhƣ chuyển tải điện năng, tầu chạy trên đệm từ, máy quét Magnetic Resonance Imaging (MRI) dùng trong y học, siêu máy tính, tiềm năng cho các ứng dụng thƣơng mại rộng rãi…... Các ứng dụng này đều dựa vào tính chất từ và tính chất dẫn của vật liệu siêu dẫn. Điều đó cho thấy rằng tiềm năng của siêu dẫn là rất lớn mà con ngƣời còn chƣa thể khám phá hết. C ng bởi thế, các vấn đề về siêu dẫn luôn là chủ đề thu hút đƣợc giới khoa học quan tâm cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm [6,7,12]. Do đó việc tìm hiểu vật liệu siêu dẫn cần phải đƣợc các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu và phát triển, đặc biệt là các nhà vật lý lý thuyết. Việc xây dựng một mô hình lý thuyết về vật liệu siêu dẫn hoàn chỉnh sẽ là cơ sở quan trọng giúp cho con ngƣời hiểu rõ hơn về loại vật liệu tƣơng lai này, nó c ng là nền tảng để đƣa loại vật liệu này vào các ứng dụng thực tiễn trong khoa học và k thuật. Lý thuyết Ginzburg-Landau (GL) rất thành công trong việc miêu tả nhiều tính chất nhiệt động và tính chất truyền dẫn của siêu dẫn nhiệt độ cao. Lý thuyết của sự dẫn điện và nhiệt (bao gồm hiệu ứng Nernst) dựa trên cơ sở là phƣơng trình GL phụ thuộc thời gian có tính đến thăng giáng nhiệt mạnh của siêu dẫn đã đƣợc phát triển từ lâu bởi S.Ullah và A.T.Dorsey [10]. Trong các nghiên cứu đó, chỉ thu đƣợc kết quả tƣờng minh với mức Landau thấp nhất. Biểu thức tổng quát cho tất cả các mức Landau rất 1 phức tạp. Gần đây hơn, I.Ussishkinet al.[11] đã tính toán hiệu ứng Nernst cho nhiệt độ trên nhiệt độ tới hạn Tc do đóng góp của thăng giáng Gaussian (bỏ qua số hạng tƣơng tác bậc 4 trong biểu thức năng lƣợng tự do GL), tuy nhiên kết quả tính toán của họ chỉ mới xét đóng góp của mức Landau thấp nhất. Các tính chất truyền dẫn và tính chất nhiệt động của vật liệu này có thể thay đổi lớn trong lân cận của nhiệt độ chuyển pha do đóng góp của thăng giáng. Nghiên cứu ảnh hƣởng của thăng giáng nhiệt lên độ từ hóa trong vật siêu dẫn ở nhiệt độ cao là một vấn đề nhận đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong thời gian qua. Trong khi kết quả thực nghiệm về tính chất truyền dẫn ví dụ nhƣ hiệu ứng Nernst đang có những vấn đề tranh luận nóng và những tính toán lí thuyết đã làm, thì dữ liệu thực nghiệm rõ ràng nhất đến từ việc đo độ từ hóa gần đây trong Bi2Sr2CaCu2 O8+ (BSCCO) và YBa2Cu3O7 (YBCO). Trong tất cả các tính toán này (ngoại trừ trƣờng hợp từ trƣờng lớn mà cho phép sử dụng gần đúng mức Landau thấp nhất) thì thăng giáng giả sử là đủ nhỏ, vì vậy có thể sử dụng lí thuyết nhiễu loạn để tính toán ảnh hƣởng của thăng giáng. Trong lí thuyết Ginzburg-Landau, đóng góp nhiễu loạn quan trọng nhất gọi là lí thuyết thăng giáng Gaussian (bỏ qua ảnh hƣởng của số hạng bậc 4 trong biểu thức năng lƣợng tự do Ginzburg-Landau). So sánh kết quả tính toán độ từ hóa theo lí thuyết thăng giáng Gaussian với dữ liệu thực nghiệm cho thấy chỉ phù hợp với một đƣờng đơn lẻ mà không phù hợp với đồng thời một số đƣờng quan trọng gần TC trong giản đồ pha. Do đó để tính toán lí thuyết độ từ hóa nói riêng và các đại lƣợng nhiệt động nói chung c ng nhƣ các hệ số truyền dẫn đối với thăng giáng nhiệt mạnh, chúng ta phải vƣợt ra ngoài lí thuyết thăng giáng Gaussian. Ảnh hƣởng của số hạng bậc 4 trong biểu thức năng lƣợng tự do Ginzburg-Landau phải đƣợc tính đến gọi là lí thuyết thăng giáng tự hợp, đƣợc sử dụng rộng rãi trong vật lí về các quá trình chuyển pha và c ng đã đƣợc áp dụng để nghiên cứu các tính chất truyền dẫn trong từ trƣờng. 2 Vì vậy chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu “Ảnh hƣởng của thăng giáng nhiệt lên độ từ hóa của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao” (thăng giáng nhiệt của tham số trật tự mô tả quá trình chuyển pha siêu dẫn) bằng lí thuyết vĩ mô Ginzburg-Landau. 2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng biểu thức giải thích bao gồm ảnh hƣởng của thăng giáng nhiệt lên độ từ hóa của vật liệu siêu dẫn, tính toán kết quả và so sánh với dữ liệu thực nghiệm gần đây. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Trong luận văn này chúng tôi sẽ nghiên cứu và tính toán sự đóng góp của thăng giáng nhiệt lên độ từ hóa có xét đến số hạng bậc 4 trong biểu thức năng lƣợng tự do Ginzburg-Landau, so sánh với các dữ liệu thực nghiệm xung quanh nhiệt độ chuyển pha TC. 4. Giới hạn phạm vi nghiên cứu Các nghiên cứu tính toán đƣợc thực hiện trong trong phạm vi của vật lý lý thuyết. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Ngoài sử dụng phƣơng pháp hàm Green để giải phƣơng trình Ginzburg-Landau phụ thuộc thời gian, chúng tôi còn sử dụng phần mềm chuyên dụng Mathematica để tính số và vẽ đồ thị. 6. Cấu trúc luận văn Với mục tiêu nhƣ vậy, luận văn gồm 3 chƣơng đƣợc trình bày theo thứ tự sau : Chƣơng 1: Tóm tắt sơ lƣợc về siêu dẫn: khái niệm cơ bản, một số lý thuyết quan trọng áp dụng cho siêu dẫn, ứng dụng của các vật liệu siêu dẫn. Chƣơng 2: Trình bày lý thuyết Ginzburg-Landau. 3 Chƣơng 3: Tính toán sự đóng góp của thăng giáng nhiệt lên độ từ hóa của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao trong mô hình GL hai chiều. 4 CHƢƠNG I: SƠ LƢỢC VỀ SIÊU DẪN 1.1 Siêu dẫn 1.1.1 Vài nét về sự phát triển của siêu dẫn [5,13] Hiện tƣợng siêu dẫn đầu tiên đƣợc tìm ra bởi Kamerling Onnes vào năm 1911 khi ông hóa lỏng đƣợc khí trơ cuối cùng là Heli. Việc hóa lỏng Heli đã tạo điều kiện cho việc nghiên cứu kim loại ở nhiệt độ rất thấp. Nhờ đó, khi làm thí nghiệm với thủy ngân ông nhận thấy sự phụ thuộc của điện trở thủy ngân vào nhiệt độ khác hẳn so với các kim loại khác. Khi ông hạ nhiệt độ của thủy ngân xuống dƣới TC = 4,15K, thì điện trở của nó thay đổi một cách đột ngột và biến mất. Hiện tƣợng nói trên đƣợc gọi là hiện tƣợng siêu dẫn và TC đƣợc gọi là nhiệt độ tới hạn. Một năm sau đó, ông đã khám phá ra rằng khi đặt mẫu siêu dẫn trong từ trƣờng đủ lớn thì mẫu sẽ trở lại trạng thái thông thƣờng. Đến năm 1914, ông tiếp tục phát hiện ra dòng điện phá vỡ tính siêu dẫn. Cách đó 12 năm ông tiếp tục công bố hiện tƣợng mất điện trở tƣơng tự ở Thiếc và Chì. Đến năm 1930, hợp kim siêu dẫn đầu tiên đƣợc tìm ra. Sau khi hiện tƣợng siêu dẫn đầu tiên đƣợc tìm ra thì các lý thuyết hiện tƣợng luận của siêu dẫn lần lƣợt đƣợc ra đời có thể kể đến nhƣ: “Hiệu ứng Meissener (1933)”, cho biết hiện tƣợng các đƣờng sức điện bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn khi làm lạnh siêu dẫn trong từ trƣờng; “Lý thuyết Ginzburg-Landau (1950)”, mô tả hiện tƣợng siêu dẫn thông qua tham số trật tự và cho ta một cách rút ra phƣơng trình London”; “Lý thuyết BCS (1957)… Đến năm 1985, hầu hết các chất siêu dẫn đƣợc tìm ra đều có nhiệt độ tới hạn không vƣợt quá 24K và chất lỏng He vẫn là môi trƣờng duy nhất để nghiên cứu hiện tƣợng siêu dẫn. Vào năm 1986, J.G.Bednorz và K.A.Muller tìm thấy hiện tƣợng siêu dẫn trong La-Ba-CuO, nó có điện trở giảm mạnh trong vùng 30K – 35K và giảm về không ở 5 12K. Từ đây ngành vật lý siêu dẫn nhiệt độ cao ra đời, đánh dấu sự phát triển vƣợt bậc của khoa học trong lĩnh vực siêu dẫn. Một điều bất ngờ là vào năm 1991 ngƣời ta đã tìm thấy hiện tƣợng siêu dẫn trong hợp chất Kxc60 với nhiệt độ chuyển pha cỡ 30K. Điều đó có nghĩa là khi siêu dẫn thực sự tồn tại trong chất hữu cơ mà cơ chế siêu dẫn nhiệt độ cao gây bởi lớp Cu-O trong vật liệu mới này đã trở nên không còn ý nghĩa nữa. Năm 1994, nhóm tác giả R.J.Cava đã tìm thấy siêu dẫn trong chất Intermatellic – LnNi2B2C (Ln=Y, Tm, Er, Ho, Lu) có nhiệt độ chuyển pha cỡ 13K – 17K. Tuy loại vật liệu này có TC không cao nhƣng đây là một phát minh quan trọng vì nó mở ra con đƣờng tìm kiếm vật liệu siêu dẫn trong các hợp kim liên kim loại (Intermetallic) và các vật liệu từ, cái mà trƣớc nay ngƣời ta vẫn cho rằng không có khả năng tồn tại siêu dẫn. Nhƣ vậy, cho đến nay đã có rất nhiều hợp chất siêu dẫn mới đƣợc phát hiện và nhiệt độ chuyển pha của chúng không ngừng đƣợc nâng cao. Hiện nay ngƣời ta đang cố gắng tổng hợp đƣợc chất siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha ở nhiệt độ phòng. 1.1.2 Các khái niệm về siêu dẫn [13] Siêu dẫn là một trạng thái vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn mà ở đó nó cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở và khi đặt siêu dẫn vào trong từ trƣờng thì từ trƣờng bị đẩy ra khỏi nó. Hiện tượng siêu dẫn là hiện tƣợng mà điện trở của một chất nào đó đột ngột giảm về 0 ở một nhiệt độ xác định. 6 Hình 1. 1 :Sự mất điện trở của chất siêu dẫn nhiệt độ thấp Trạng thái siêu dẫn là trạng thái mà điện trở của một chất đột ngột biến mất, nghĩa là chất đó có thể cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở ở một nhiệt độ xác định. 1.1.3 Các giá trị tới hạn của siêu dẫn Một vật liệu siêu dẫn luôn đƣợc xác định bởi 3 tham số là nhiệt độ tới hạn, từ trƣờng tới hạn và mật độ dòng tới hạn. Nhiệt độ tới hạn (hay nhiệt độ chuyển pha) là nhiệt độ mà tại đó điện trở hoàn toàn biến mất. Khi hạ nhiệt độ của vật liệu tới nhiệt độ này thì vật liệu chuyển từ trạng thái thƣờng sang trạng thái siêu dẫn, kí hiệu là TC. Từ trường tới hạn là giá trị của từ trƣờng khi mà tăng từ trƣờng ngoài đến giá trị này thì vật ở trạng thái siêu dẫn chuyển sang trạng thái thƣờng, kí hiệu là HC. Từ trƣờng tới hạn là hàm nhiệt độ tuân theo quy luật: ( ) Ở đây, đó, tại ( )* ( ) là từ trƣờng tại nhiệt độ thì ( ) ( ) + , ( ) ( ) là từ trƣờng tại nhiệt độ T nào . 7 Hình 1. 2: Sự phụ thuộc của từtrƣờngtới hạn vào nhiệt độ và đƣờng cong ngƣỡng Hình 1. 3: Đƣờng cong ngƣỡng của một vài chất siêu dẫn thƣờng gặp Ta thấy khi từ nhiệt độ giảm thì từ trƣờng tới hạn tăng và khi thì ( ) . Mật độ dòng tới hạn (kí hiệu là JC) là giá trị của mật độ dòng điện mà khi mật độ dòng điện chạy qua chất siêu dẫn đạt đến giá trị này thì chất siêu dẫn chuyển sang trạng thái thƣờng mặc dù T< TC và H< HC. Hay nói ngắn gọn, dòng tới hạn là dòng điện lớn nhất khi điện trở của chất siêu dẫn xem nhƣ bằng không. 8 1.1.4 Các tính chất quan trọng của siêu dẫn [3,13,14] 1.1.4.1 Tính chất từ Tính nghịch từ của vật dẫn lý tưởng: Ở phần trên cho thấy, chất siêu dẫn ở dƣới nhiệt độ chuyển pha của nó biểu hiện không có điện trở. Những vật dẫn nhƣ vậy đƣợc gọi là vật dẫn lý tƣởng (hoặc vật dẫn hoàn hảo). Giả thiết rằng: Khi siêu dẫn đƣợc làm lạnh trong một từ trƣờng xuống dƣới TC thì các đƣờng sức từ bên trong mẫu bị đẩy ra ngoài, đồng thời từ trƣờng bên trong mẫu bằng không. Khi giảm từ trƣờng về 0 thì mật độ từ thông bên trong kim loại có độ dẫn lý tƣởng không thể thay đổi và dòng bề mặt sẽ xuất hiện để duy trì từ thông bên trong nó. Hiện tƣợng này đƣợc phát hiện bởi Meissener và Ochosenfied năm 1933 và đƣợc gọi là hiệu ứng Meissner. Hiệu ứng Meissner cho thấy nếu mẫu ở trong trạng thái siêu dẫn mà đặt vào từ trƣờng thì các đƣờng sức từ bị đẩy ra không thể đi sâu vào trong mẫu. Điều đó có nghĩa là trong một từ trƣờng yếu, vật siêu dẫn là một nghịch từ lý tƣởng. Hình 1. 4: Tính chất từ của chất siêu dẫn 9 (a)-(b) Làm lạnh mẫu khi không có từ trƣờng ngoài (c) Mẫu siêu dẫn đƣợc đặt trong từ trƣờng (d) Từ trƣờng bị khử (e)-(f) Mẫu đƣợc làm lạnh trong từ trƣờng trở thành siêu dẫn (g) Từ trƣờng bị khử bỏ Xét mẫu siêu dẫn hình trụ dài đặt song song từ trƣờng . Khi đó, với một mẫu siêu dẫn đủ dài thì tác dụng khử từ khối ở hai đầu của mẫu không đáng kể, nên từ trƣờng tổng hợp trong mẫu là (xét trong hệ SI): Hay ( ) ( ) trong đó: là hệ số từ hóa, M là độ từ hóa( từ độ). Mặt khác, xuất phát từ trƣờng cơ bản của điện động lực học thì định luật Ohm đƣợc biểu diễn trong điện trƣờng theo mật độ dòng điện và điện trở suất là: ⃗ (1.4) Trong trạng thái siêu dẫn   0 nên ta có: ⃗ (1.5) Theo phƣơng trình Maxwell: ⃗ ⃗ (1.6) Nhƣ vậy, vectơ cảm ứng từ B phải là một hằng số: 10 ⃗ Khi thì ⃗ (1.7) nghĩa là ngay cả khi làm lạnh chất siêu dẫn xuống dƣới nhiệt độ Tc thì phƣơng trình (1.7) vẫn đúng. Vì thế, hiệu ứng Meissner cho biết cảm ứng từ B trong lòng chất siêu dẫn xuống bằng 0 là hiệu ứng thực nghiệm quan sát đƣợc. Về phƣơng diện lý thuyết xét ở đây chỉ là chấp nhận ⃗ trạng thái siêu dẫn có điện trở không ( một chất nghịch từ lý tƣởng ( . Nhƣ vậy, ) và theo hiệu ứng Meissner, chất siêu dẫn là ). Hai tính chất độc lập này có đặc trƣng cơ bản riêng biệt nhƣng cả hai đều đồng thời là tiêu chuẩn quan trọng để xem xét một chất có phải là siêu dẫn hay không. 1.1.4.2 Tính chất điện Tính dẫn điện lý tưởng: Những vật dẫn có điện trở bằng 0 đƣợc gọi là vật dẫn lý tƣởng hay vật dẫn hoàn hảo. Khi một chất đƣợc làm lạnh đến một nhiệt độ TC nhất định thì chất có điện trở bằng 0. Ở trạng thái siêu dẫn chất có tính dẫn điện lý tƣởng. Đây là một trong những đặc tính quan trọng của siêu dẫn. Tất nhiên, không thể chứng minh đƣợc bằng thực nghiệm rằng điện trở trong thực tế là 0, bởi vì điện trở của nhiều chất trong trạng thái siêu dẫn có thể nhỏ hơn độ nhạy mà các thiết bị đo cho phép có thể ghi nhận đƣợc. Trong trƣờng hợp nhạy hơn, cho dòng điện chạy xung quanh một xuyến siêu dẫn khép kín, khi đó nhận thấy dòng điện hầu nhƣ không suy giảm sau một thời gian rất dài. Giả thiết rằng tự cảm của ta bắt đầu cho dòng ( ) chạy vòng quanh xuyến là L, khi đó nếu ở thời điểm xuyến, tại thời điểm , cƣờng độ dòng điện chạy qua xuyến tuân theo công thức: ( ) ( ) ( ) 11 Ở đây, R là điện trở của xuyến. Chúng ta có thể đo từ trƣờng tạo ra dòng điện bao quanh xuyến. Phép đo từ trƣờng không lấy năng lƣợng từ mạch điện mà vẫn cho ta khả năng quan sát dòng điện luân chuyển không thay đổi theo thời gian và có thể xác định đƣợc điện trở của kim loại siêu dẫn cỡ < 10-26 m . Giá trị thỏa mãn kết luận điện trở của kim loại siêu dẫn bằng 0. 1.1.4.3 Tính chất mới “electronic nematicity” [16] Khi nói về chất siêu dẫn, các nhà khoa học thƣờng ví nó là vật liệu của tƣơng lai, thứ tạo nên một cuộc cách mạng mới trong công nghiệp và thay đổi cả thế giới. Điều này chỉ đạt đƣợc khi trạng thái siêu dẫn của vật chất tồn tại ở nhiệt độ phòng. Trong nhiều thập kỷ các nhà khoa học không ngừng suy nghĩ về điều này, tuy nhiên, nhiệt độ cao nhất mà họ đạt đƣợc chỉ là -140oC. Mới đây, một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Waterloo, Canada tuyên bố họ đã tìm ra chìa khóa của vấn đề, giúp chúng ta tiến nhanh đến siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Hình 1. 5: Một vật lơ lửng trong không trung, biểu tƣợng của vật liệu siêu dẫn Tại sao chất siêu dẫn có thể tạo nên một cuộc cách mạng mới? Lí do đến từ những tính chất tuyệt vời của nó. Siêu dẫn giảm điện trở của vật liệu xuống bằng 0. 12 Điều đó có nghĩa là hệ thống truyền tải điện và tất cả các cỗ máy có thể hoạt động vô cùng hiệu quả với thất thoát năng lƣợng giảm đáng kể. Bên cạnh đó, tính chất từ của siêu dẫn sẽ hiện thực hóa những giấc mơ nhƣ tàu siêu tốc 1.200 km/h của Tesla hay đơn giản là những ván trƣợt lơ lửng của Lexus. Mặc dù đã tạo ra đƣợc chất siêu dẫn và ứng dụng chúng vào cuộc sống trong hơn một thế kỷ, tính kinh tế của chất siêu dẫn còn rất hạn chế. Điều đó đến từ việc trạng thái siêu dẫn của vật chất thông thƣờng chỉ đạt đƣợc khi hạ nhiệt độ của nó xuống sát ngƣỡng 0K, tƣơng đƣơng -273oC. Quá trình này thậm chí tiêu tốn nhiều hơn rất nhiều năng lƣợng chúng ta tiết kiệm đƣợc khi ứng dụng chất siêu dẫn. Nó sử dụng Nitơ hoặc Heli lỏng để làm lạnh. Điều này đội giá của tất cả các thiết bị và hoạt động sử dụng siêu dẫn ngày nay, từ máy móc y tế hàng ngày cho đến máy gia tốc hạt khổng lồ và các thí nghiệm vật lý của CERN. Hình 1. 6: Một con tàu có thể lơ lửng cả ở trên và dƣới đƣờng ray nhờ siêu dẫn Trong nhiều thập kỷ qua, nhiệt độ đạt đƣợc trạng thái siêu dẫn của vật chất đang đƣợc các nhà khoa học tăng dần lên. Năm 2014, lần đầu tiên trạng thái siêu dẫn có thể đạt đƣợc ở nhiệt độ cao kỷ lục: -140oC với áp suất khí quyển. Thậm chí, họ có thể khiến một chất trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ phòng trong vài phần tỷ giây. 13 Tuy nhiên, chính các nhà khoa học trong nhóm nghiên cứu thực hiện điều này c ng không hiểu tại sao nó xảy ra nên không thể dự đoán nó. Lần đạt siêu dẫn ở nhiệt độ phòng năm 2014 đƣợc tính là là không đáng tin cậy. Chính vì vậy, nhóm các nhà vật lý tại Đại học Waterloo, Canada, dẫn đầu bởi tiến sĩ David Hawthorn, quyết định tiếp tục nghiên cứu vấn đề này. Họ muốn tìm hiểu xem chính xác những gì xảy ra khi một chất đạt trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Khi đó, chúng ta có thể tinh chỉnh quá trình để khiến điều này xảy ra thƣờng xuyên ở nhiệt độ cao nhất có thể. Hawthorn và nhóm của ông sử dụng những tia X mềm tán xạ để nhìn sâu vào điều xảy ra bên trong các vật liệu gốm đồng oxyt. Đây là vật liệu tốt nhất mà chúng ta có thể tạo ra để đạt trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Khi nhìn vào sâu các lớp nguyên tử, nhóm nhiên cứu phát hiện một cấu trúc đặc biệt. Họ tin rằng đây chính là chiếc công tắc để "bật tắt" trạng thái siêu dẫn của vật chất ở nhiệt độ cao, giải thích cho việc đôi khi nhóm nghiên cứu trƣớc đạt đƣợc siêu dẫn còn đôi khi thì không. Hình 1. 7: Cấu trúc vật liệu gốm đồng oxyt trong nghiên cứu 14
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan