Siêu dẫn là gì? Siêu dẫn có tác dụng gì trong cuộc sống của con người?

Chúng ta đều biết dây điện thường được làm từ kim loại, vì kim loại dẫn điện rất tốt. Còn những vật liệu như gỗ, sứ, cao su trong điều kiện bình thường lại không dẫn điện, nên được gọi là vật cách điện. Tuy nhiên, ngay cả kim loại dẫn điện cũng vẫn có điện trở. Khi dòng điện chạy qua dây dẫn, các điện tích trong dòng điện phải chịu lực cản. Vì vậy, khi chạm tay vào dây điện hoặc vỏ một số thiết bị điện gia dụng đang hoạt động, ta có thể thấy chúng tỏa nhiệt; nhiệt đó sinh ra do điện trở.

Khi dòng điện chuyển động, nó bị lực cản tác động, làm tiêu hao năng lượng và gây lãng phí. Vì vậy, nếu có một vật liệu dẫn điện mà không có điện trở thì tổn thất này sẽ được giảm đi rất nhiều.

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật làm lạnh, giấc mơ ấy dần trở thành hiện thực. Các thí nghiệm cho thấy trong môi trường nhiệt độ càng thấp, khả năng dẫn điện của kim loại càng tăng, tức điện trở giảm xuống. Năm 1911, các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm Leiden ở Hà Lan đã quan sát sự thay đổi khả năng dẫn điện của thủy ngân ở nhiệt độ thấp. Khi nhiệt độ gần 4,2K, điện trở của thủy ngân đột nhiên biến mất. Điều đó có nghĩa là ở gần 4,2K, thủy ngân bước vào một trạng thái mới, trong đó điện trở bằng 0. Trạng thái vật chất đặc biệt này được gọi là trạng thái siêu dẫn; nhiệt độ làm điện trở đột ngột thay đổi được gọi là nhiệt độ tới hạn siêu dẫn. Sau đó, người ta tiếp tục phát hiện nhiều kim loại khác cũng có hiện tượng siêu dẫn, như thiếc và chì ở khoảng 3,8K. Những chất như vậy được gọi là chất siêu dẫn hoặc vật liệu siêu dẫn. Hai đặc tính quan trọng nhất của vật liệu siêu dẫn là điện trở bằng 0 và khả năng kháng từ hoàn toàn.

Trước đây, người ta từng cho rằng không thể biến vật liệu bán dẫn hoặc một số nguyên tố kim loại thành vật liệu siêu dẫn. Nhưng trong những điều kiện nhất định, các vật liệu ấy cũng có thể thể hiện tính siêu dẫn và được đưa vào nghiên cứu ứng dụng.

Trong trạng thái siêu dẫn, vì không có điện trở nên dòng điện đi qua vật dẫn gần như không bị suy hao. Điều này có thể giúp giải quyết vấn đề tổn thất điện năng trong truyền tải. Đồng thời, khi dùng trong các linh kiện và thiết bị điện, vật liệu siêu dẫn còn giúp giảm phát nhiệt và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Năm 1961, người ta chế tạo được vật liệu siêu dẫn từ, mở ra bước chuyển mới trong nghiên cứu siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Từ đó, nhờ sự phát triển liên tục của vật liệu siêu dẫn và kỹ thuật làm lạnh, vật liệu siêu dẫn từ được ứng dụng ngày càng rộng. Đặc biệt, các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao được phát hiện vào những năm 70 của thế kỷ XX, chủ yếu là vật liệu siêu dẫn oxit, đã tạo ra một làn sóng nghiên cứu ở nhiều nước. Hiện nay, người ta đã chế tạo được chất siêu dẫn nhiệt độ cao với nhiệt độ tới hạn khoảng 150K, tức khoảng -123°C. Trong tương lai, có thể con người sẽ chế tạo được vật liệu siêu dẫn hoạt động trong môi trường gần nhiệt độ thường.

Truyền tải điện năng là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của chất siêu dẫn. Do điện trở, điện năng bị tổn thất rất nhiều trên đường dây truyền tải. Trong điều kiện bình thường, muốn tăng dung lượng truyền tải, người ta thường phát triển hệ thống điện siêu cao áp. Nhưng ngay cả khi dùng điện siêu cao áp, tổn thất vẫn còn khá lớn. Nếu chế tạo được vật liệu siêu dẫn hoạt động ổn định ở nhiệt độ tương đối cao, đường dây siêu dẫn có thể được dùng để truyền điện đi xa với hiệu quả tốt hơn nhiều.

Do chất siêu dẫn giúp giảm tổn thất năng lượng và tạo được từ trường mạnh, nó còn được dùng trong máy phát điện, động cơ điện, máy điện siêu dẫn hiệu suất cao, máy tính siêu dẫn tốc độ cao, các hệ thống tàu đệm từ siêu tốc có thể đạt 500 km/giờ. Trong vật lý hạt nhân, đặc biệt là các thí nghiệm vật lý năng lượng cao, nghiên cứu cấu trúc vật chất và phân tích phân tử sinh học, vật liệu siêu dẫn cũng là bộ phận rất quan trọng, ví dụ trong máy gia tốc hạt hình tròn, kính hiển vi điện tử và thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân. Có thể thấy triển vọng ứng dụng của vật liệu siêu dẫn vô cùng rộng lớn.