Thế nào là vật liệu siêu dẫn?

Vật liệu siêu dẫn là loại vật liệu có tính chất đặc biệt: Chúng có điện trở bằng không. Vào năm 1911, một nhà vật lý Hà Lan là Onnes tìm thấy ở nhiệt độ -269°C, thuỷ ngân có điện trở bằng không, ông gọi đó là tính siêu dẫn. Việc phát hiện hiện tượng siêu dẫn kỳ lạ đó đã được giới khoa học kỹ thuật hết sức coi trọng. Người ta hy vọng có thể sử dụng các chất siêu dẫn để chế tạo các chất có từ tính mạnh để có thể ứng dụng vật liệu từ siêu dẫn này vào các lĩnh vực khoa học kỹ thuật và sản xuất khác nhau.

Thế nhưng việc sử dụng các kim loại thuần khiết như chì, thiếc làm vật liệu siêu dẫn đều cho từ trường rất nhỏ. Vì khi với cường độ dòng điện lớn thì tính siêu dẫn biến mất. Phải đến những năm 30 của thế kỷ XX, các nhà khoa học mới tìm thấy khi đưa một loại nguyên tố nào đó vào kim loại thuần khiết để tạo nên hợp kim thì giới hạn cường độ dòng điện và cường độ từ trường được tăng cao lên nhiều. Ví dụ, vào năm 1930, người ta đã chế tạo được hợp kim chì - bismuth giới hạn từ trường đạt đến 2 tesla. Các nhà khoa học Liên Xô trước đây đã nghiên cứu và có những cống hiến xuất sắc trong lĩnh vực siêu dẫn. Họ đã chế tạo được các hợp kim siêu dẫn có giá trị thực dụng được gọi là chất siêu dẫn loại hai như các hợp kim niobi - zirconi, hợp kim vanadi - gali; các oxyt kim loại kiểu cấu trúc A - 15; một số ít kim loại như niobi, vanadi, techneti... Dùng các chất siêu dẫn này làm vật liệu từ, do không có điện trở vừa có tính chất giảm tổn thất điện, không có tổn thất nhiệt, thể tích nhỏ nên thiết bị có thể tích nhỏ, công suất lớn. Đến những năm 60 của thế kỷ XX, các nhà khoa học đã chế tạo thành công vật liệu siêu dẫn có từ trường đạt đến 10 tesla, có thể ứng dụng rộng rãi trong cộng hưởng từ hạt nhân, máy gia tốc, buồng bọt, máy phát điện dòng từ và tàu chạy trên đệm từ quy mô lớn. Thế nhưng do vật liệu siêu dẫn chỉ làm việc được ở điều kiện nhiệt độ rất thấp mà việc tạo được nhiệt độ thấp này là một kỹ thuật phức tạp, tốn nhiều tiền của. Vì vậy kỹ thuật vật liệu siêu dẫn hiện còn đang ở giai đoạn thí nghiệm, khó đưa vào sử dụng rộng rãi.

Vào năm 1957, xuất hiện lý thuyết BCS giải thích hiện tượng siêu dẫn. Lý thuyết BCS cho rằng nguyên nhân gây ra hiện tượng siêu dẫn là do ở điều kiện nhiệt độ cực thấp, các electron tự do trong chất siêu dẫn song song nối tiếp nhau thành chuỗi dài. Khi có số lớn electron chuyển động định hướng thì bên trong chất siêu dẫn không còn lực cản trở chuyển động của dòng electron và hình thành dòng điện không có trở lực. Theo lý thuyết BCS rõ ràng đã tạo ra giới hạn cho việc sản xuất vật liệu siêu dẫn cao hơn - 243°C.

Vào năm 1986, ở công ty IBM Mỹ và Thụy Điển, Müller và Bednorz đã tìm thấy oxyt các kim loại lantan - bari - đồng đã có tính siêu dẫn ở nhiệt độ tương đối cao trong điều kiện phòng thí nghiệm, đã vượt qua giới hạn của lý thuyết BCS. Điều đó đã nhen nhóm tia hy vọng về tương lai của việc ứng dụng vật liệu siêu dẫn. Do các điều kiện thực hiện thí nghiệm vật liệu siêu dẫn loại này không đòi hỏi quá cao nên dễ thực hiện, điều đó đã khơi dậy nhiệt tình nghiên cứu vật liệu siêu dẫn trên toàn cầu. Nhiều nhà khoa học ở nhiều nước đều đi vào nghiên cứu cách nâng cao giới hạn nhiệt độ siêu dẫn. Một nhà khoa học quốc tịch Mỹ gốc Hoa là Chu Kinh Hòa và nhà khoa học Trung Quốc, Triệu Trung Hiền đã lập được các thành tựu được mọi người khâm phục. Để phân biệt loại vật liệu siêu dẫn mới với vật liệu siêu dẫn truyền thống nhiệt độ thấp, các nhà khoa học đã gọi đây là vật liệu siêu dẫn oxyt nhiệt độ cao.

Ngày nay người ta đã chế tạo được loại vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao trên cơ sở oxyt lantan - bari - đồng, oxyt bari - ytri - đồng, oxyt bismuth - chì - stronti canxi, gia công thành màng mỏng, dây làm linh kiện cảm biến, thiết bị electron, nguồn phát vi ba...