Các chất siêu dẫn

Mọi chất đều biểu hiện một số biến thiên về điện trở theo nhiệt độ (hiện tượng này được khai thác trong bộ ổn nhiệt làm nhiệt kế có thể tiếp xúc dễ dàng với một mạch điện). Kì lạ hơn nữa, người ta thấy đa số kim loại biểu hiện sự thay đổi đột ngột đến điện trở bằng không khi nhiệt độ lạnh tới một nhiệt độ tới hạn nhất định. Khi đó, người ta gọi chúng là chất siêu dẫn. Về mặt lí thuyết, các chất siêu dẫn sẽ cho phép chế tạo nhiều dụng cụ lớn, ví dụ như các cuộn dây nam châm dùng để lái đoàn xe lửa. Trong thực tế, nhiệt độ tới hạn của tất cả các kim loại rất thấp, và yêu cầu phải làm chúng thật lạnh khiến việc ứng dụng chúng không có tính kinh tế, ngoại trừ những ứng dụng chuyên biệt như trong máy gia tốc hạt cho nghiên cứu vật lí.

Nhưng gần đây các nhà khoa học đã có phát hiện thật ngạc nhiên rằng những chất ceramic nhất định là chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn một chút. Rào chắn kĩ thuật hiện nay là tìm kiếm phương pháp chế tạo dây dẫn từ những chất dễ vỡ này. Wall Street hiện đang đầu tư hàng tỉ đô la cho việc phát triển những dụng cụ siêu dẫn dùng cho điện thoại cầm tay dựa trên những chất liệu này. Năm 2001, thành phố Copenhagen đã thay thế một đoạn ngắn mạng lưới điện của mình bằng cáp siêu dẫn, và hiện nay chúng đang hoạt động và cấp điện cho người tiêu dùng.

Hiện nay, nói chung không có lí thuyết nào về siêu dẫn làm thỏa mãn được mọi người, mặc dù sự siêu dẫn trong kim loại đã được hiểu khá tốt. Thật không may, tôi chưa tìm ra lời giải thích cơ bản của sự siêu dẫn trong kim loại hoạt động ở quy mô công nghiệp.


/ Một đoạn siêu dẫn của máy gia tốc ATLAS tại Phòng thí nghiệm quốc gia Mĩ, gần Chicago. Nó được dùng để gia tốc chùm ion đến vài phần trăm của tốc độ ánh sáng, dùng cho nghiên cứu vật lí hạt nhân. Bề mặt màu bạc sáng bóng chế tạo từ nguyên tố niobium, một chất siêu dẫn ở nhiệt độ tương đối cao so với những kim loại khác – tương đối cao nhưng cũng ngang với nhiệt độ của helium lỏng! Chùm ion đi qua các lỗ trong hai hình trụ nhỏ ở hai đầu của thanh cong. Điện tích chạy tới lui giữa chúng ở tần số 12 triệu chu trình mỗi giây, nên chúng chuyển hóa thành dương và âm. Chùm tích điện dương gồm những phun trào ngắn mỗi lần khi chúng ở trong một trong các đoạn nó sẽ bị hút về phía trước bởi điện tích âm trên hình trụ ở phía trước và bị đẩy ra phía trước bởi điện tích dương ở đằng sau. Dòng điện khổng lồ này (xem ví dụ 9) sẽ nhanh chóng làm tan chảy bất kì kim loại nào không siêu dẫn, nhưng trong chất siêu dẫn chúng không hề tạo ra chút nhiệt nào.