Cơn sốt do LK-99 gây ra vào cuối tháng 7 giảm dần vào giữa tháng 8. Sau khi nhiều tổ chức có thẩm quyền liên tiếp làm sai lệch tính siêu dẫn của LK-99, Nature đã chính thức ban hành văn bản vào ngày 16 tháng 8 phủ nhận LK-99 là chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Nhưng vẫn còn một câu hỏi: Liệu chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng thực sự có mang tính cách mạng hay không?
Câu trả lời phụ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng và liệu vật liệu giả định có những phẩm chất quan trọng khác hay không. Nhưng ít nhất trong một số lĩnh vực khoa học, đặc biệt là những lĩnh vực sử dụng từ trường mạnh, chất siêu dẫn tốt hơn có thể có tác động rất lớn.
Chất siêu dẫn là vật liệu có thể truyền dòng điện không có điện trở ở một nhiệt độ nhất định, do đó không tạo ra nhiệt thải.
Nhưng tất cả các chất siêu dẫn đã được xác nhận chỉ thể hiện đặc tính này trong điều kiện nhiệt độ thấp hoặc áp suất cực cao hoặc cả hai.
Dòng nhiệt dung (c(v), xanh lam) và điện trở suất (ρ, xanh lục) trong quá trình chuyển pha siêu dẫn
Những vật liệu như vậy đã có sẵn rộng rãi trong phòng thí nghiệm vì các nhà nghiên cứu có thể sử dụng một công nghệ nhiều kỹ thuật để giảm nhiệt độ, mặc dù điều này làm tăng chi phí và độ phức tạp của thí nghiệm.
Nhưng trong các ứng dụng hàng ngày, yêu cầu về nhiệt độ thấp của chất siêu dẫn là một ngưỡng khó vượt qua.
Một ví dụ điển hình là Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC), một máy gia tốc tại CERN.
Để di chuyển các proton trong một vòng tròn dài 27 km, Máy Va chạm Hadron Lớn sử dụng cuộn dây siêu dẫn có nhiệt độ chỉ 1,9 Kelvin (-271,25 CC) để tạo ra từ trường mạnh.
Để làm được điều này, trước tiên bạn cần một hệ thống đông lạnh chứa 96 tấn helium lỏng. Đây là hệ thống lớn nhất thuộc loại này trên thế giới.
Luca Bottura, nhà nghiên cứu nam châm và kỹ sư hạt nhân tại CERN, đã từng nói: "Nếu chúng ta không cần nhiệt độ khắc nghiệt, thiết kế kỹ thuật sẽ được đơn giản hóa rất nhiều."
Do đó, chất siêu dẫn có thể hoạt động ở nhiệt độ bằng hoặc gần nhiệt độ phòng sẽ nhanh chóng cách mạng hóa nhiều lĩnh vực khoa học.
Nhưng khoa học không đạt được điều đó nhanh chóng như vậy.
Vấn đề lượng tử
Lấy máy tính lượng tử làm ví dụ. Công nghệ mới nổi này được kỳ vọng sẽ giải quyết được một số nhiệm vụ nhất định mà máy tính cổ điển không thể hoàn thành.
Một trong những cách chính để chế tạo máy tính lượng tử là lưu trữ thông tin trong một vòng vật liệu siêu dẫn.
Máy tính lượng tử
TAGPH 94Những vật liệu siêu dẫn này được làm lạnh đến gần độ không tuyệt đối (-273,15 CC) và sau đó được đặt trong các thiết bị đắt tiền giống búp bê Nga gọi là pha loãng tủ lạnh.Tủ lạnh pha loãng
Trong máy tính lượng tử dựa trên chất siêu dẫn, hiệu suất sẽ giảm nhanh chóng khi nhiệt độ tăng dù chỉ vài phần mười độ và lý do không liên quan gì đến tính siêu dẫn.
Yasunobu Nakamura, người đồng phát minh ra điện toán lượng tử siêu dẫn, tin rằng điện toán lượng tử cực kỳ nhạy cảm với bất kỳ loại nhiễu nào và dao động nhiệt là kẻ thù chính, có thể tạo ra các "quasiparticles" giả.
Ông đã đề cập rằng tác dụng đối kháng của các quasiparticle bị kích thích nhiệt có thể được nhìn thấy ở khoảng 100-150 millikelvin.
Trong các trường hợp khác, bản thân thí nghiệm có thể không yêu cầu nhiệt độ cực thấp nhưng chất siêu dẫn vẫn cần được duy trì ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với khi nó chuyển sang chất siêu dẫn (tức là Tc).
Chất siêu dẫn có nhiều đặc tính vật lý khác nhau. Nhưng trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong nam châm trường cao, có hai đặc tính rất quan trọng: dòng điện tới hạn và từ trường tới hạn.
Đó là vì tính siêu dẫn bị mất không chỉ khi nhiệt độ tăng mà còn khi vật liệu bị đẩy để mang nhiều hơn một dòng điện nhất định hoặc tiếp xúc với từ trường đủ cao.
Hệ thống đông lạnh của MIT được bọc bằng Chất siêu dẫn có tốc độ quay cao với nhiệt độ thay đổi. Tín dụng: DavidL.Ryan/TheBostonGlobeviaGetty
Quan trọng nhất, cả từ trường tới hạn và dòng điện tới hạn đều phụ thuộc vào nhiệt độ: nhiệt độ càng thấp thì dòng điện và từ trường mà vật liệu có thể chịu được càng lớn.
Vì vậy, mặc dù chất siêu dẫn có Tc cao nhưng không có nghĩa là nó có thể được sử dụng ở bất kỳ nhiệt độ nào dưới Tc.
Trong nhiều ứng dụng, hiệu suất của chất siêu dẫn được cải thiện khi nhiệt độ hệ thống giảm.
May mắn thay, các chất siêu dẫn tốt nhất được phát hiện cho đến nay, bao gồm một loại chất siêu dẫn được gọi là chất siêu dẫn cuprate (hoặc cuprate), cũng có thể chịu được từ trường rất cao miễn là chúng được giữ ở mức đủ thấp.
Trong lĩnh vực này
Bốn năm trước, Phòng thí nghiệm Từ trường Cao Quốc gia (NHMFL) ở Tallahassee, Florida, đã sử dụng oxit đồng để thu được kỷ lục về cường độ từ trường ổn định (không tạo xung).
Các cuộn dây siêu dẫn của NHMFL có thể tạo ra từ trường 45,5 Tesla, nhưng chỉ khi chúng được giữ trong helium lỏng, nhiệt độ dưới 4,2 Kelvin.
Nhà vật lý Laura Greene, nhà khoa học trưởng tại NHMFL, cho biết: “Chúng tôi sử dụng chất siêu dẫn Tc cao không phải vì giá trị Tc cao mà vì từ trường tới hạn cao của chúng. .”
Một phòng thí nghiệm quốc gia khác ở Hoa Kỳ, Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton ở New Jersey "Nếu bạn muốn một nam châm trường cao, chạy nó ở nhiệt độ thấp nhất có thể, bởi vì đó là nơi bạn có được sức mạnh thực sự của chất siêu dẫn”, Yuhu Zhai, kỹ sư cơ và điện tại PPPL cho biết.
6
CERN đang khám phá các lựa chọn cho máy va chạm hạt trong tương lai mà cuối cùng có thể đập vỡ các proton với năng lượng gấp bảy lần so với Máy Va chạm Hadron Lớn, một phạm vi mà các nhà vật lý hy vọng sẽ khám phá ra các hạt cơ bản mới.
Bản đồ xử lý đồng bộ máy gia tốc và máy va chạm Hadron lớn và siêu Proton của CERN
Để đạt được những năng lượng cao hơn này, các hạt phải được tăng tốc bằng trường cao hơn hoặc dọc theo máy gia tốc dài hơn vòng lặp, hoặc cả hai.
Để chế tạo một cỗ máy như vậy, các nhà vật lý mơ ước đào một đường hầm vòng dài 100 km bên cạnh Máy Va chạm Hadron Lớn.
Nhưng ngay cả với đường hầm vòng lớn như vậy, một nam châm siêu dẫn giống như nam châm ở Máy Va chạm Hadron Lớn, một con quái vật 8 Tesla với cuộn dây niobium-titan, sẽ không thể tạo ra từ trường cần thiết, ước tính ít nhất là 16 đến 18 Tesla.
Đáp lại, Bottura tin rằng, "Tại thời điểm này, rõ ràng chúng tôi phải chuyển sang các vật liệu khác."
Các chất siêu dẫn Tc cao hiện tại có thể đạt được mục tiêu này, nhưng chúng có thể cần được giữ ở nhiệt độ helium lỏng.
Một máy gia tốc tương tự do Trung Quốc đề xuất: Máy Va chạm Electron-Positron Vòng, cũng sẽ sử dụng nam châm siêu dẫn Tc cao.
Wang Yifang, giám đốc Viện Vật lý Năng lượng Cao Bắc Kinh, cho biết họ đã xem xét các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao trong một thời gian, chủ yếu là vật liệu cuprate và sắt.
Dòng tới hạn
Tuy nhiên, chất siêu dẫn cuprate cũng có những nhược điểm khác: Chúng là vật liệu gốm giòn, đắt tiền để sản xuất và khó chế tạo thành dây cáp.
Ngoài ra, Wang Yifang cũng đề cập rằng dòng điện tới hạn của vật liệu này quá thấp. Một loại chất siêu dẫn gốc sắt khác về nguyên tắc có hiệu suất tốt hơn và giá thành chỉ bằng một nửa oxit đồng.
Bottura và những người khác đang nghiên cứu tính khả thi của máy gia tốc mới.
Bằng cách thay thế proton bằng muon, các hạt tương tự như electron nhưng nặng hơn 207 lần, máy va chạm có thể nghiên cứu loại vật lý tương tự như Máy va chạm Proton-Proton dài 100 km.
Nhưng vòng của máy va chạm nghiên cứu nhỏ hơn nhiều và thậm chí có thể được đưa vào đường hầm Máy Va chạm Hadron Lớn hiện có. Để muon chuyển động tròn không liên quan đến từ trường có cường độ đặc biệt cao.
Nhưng vấn đề là tạo ra chùm muon có đặc tính phù hợp, có thể cần nam châm cao tới 40 Tesla.
Ở cường độ này, câu hỏi không còn là chất siêu dẫn nữa mà là làm thế nào để giữ cuộn dây ở đúng vị trí, vì dòng điện trong cuộn dây điện từ có xu hướng đẩy các nam châm ra xa nhau.
Ở 40 Tesla, ngay cả loại thép mạnh nhất cũng không thể chịu được ứng suất cơ học.
Thay vào đó, nam châm có thể cần được làm bằng vật liệu bền hơn như sợi carbon. (Nam châm NHMFL có yêu cầu về độ bền ít nghiêm ngặt hơn vì chúng cần tạo ra từ trường cao trong không gian chỉ rộng vài cm).
Vì vậy, chất siêu dẫn sẽ đóng một vai trò rất lớn trong máy va chạm proton và muon, nhưng những thách thức kỹ thuật khác cũng có thể nảy sinh.
Hành trình đến sự hợp nhất
Tuy nhiên, trong một loại máy khác được thiết kế để khai thác năng lượng nhiệt hạch hạt nhân, độ bền kết cấu đã trở thành một hạn chế nghiêm trọng.
Một phương pháp nhiệt hạch đã được thiết lập từ lâu là sử dụng các nam châm được sắp xếp theo hình bánh rán, còn được gọi là tokamak, để giam giữ plasma, làm nóng plasma đến hàng triệu độ và cho các đồng vị khác nhau của hydro va chạm với nhau.
Tokamak thử nghiệm lớn nhất thế giới, được gọi là ITER, đang được xây dựng ở miền nam nước Pháp và sẽ sử dụng helium lỏng lớn để làm mát nam châm và tạo ra từ trường gần 12 Tesla.
Nhưng theo Zhai, ngành công nghiệp và các phòng thí nghiệm được nhà nước tài trợ đang nỗ lực thiết kế nam châm tokamak dựa trên chất siêu dẫn Tc cao.
Có nhiều lý do, chẳng hạn như từ trường cao hơn có thể làm tăng đáng kể tốc độ đốt cháy nhiên liệu của lò phản ứng nhiệt hạch, do đó về nguyên tắc làm tăng năng lượng có thể được tạo ra, nhưng nhiều bước quan trọng để khai thác năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch vẫn chưa được chứng minh.
Một kết quả tích cực của những nỗ lực của ngành nhằm tăng cường sản xuất vật liệu từ tính Tc cao là làm cho chúng rẻ hơn, nhưng chúng vẫn đắt hơn nhiều so với vật liệu niobi-titan.
Ngoài ra, Zhai cũng nói rằng tokamak cuối cùng sẽ từ bỏ khả năng làm mát bằng helium lỏng. Một mặt, điều này là do hệ thống làm mát phức tạp và khó xây dựng, mặt khác, do helium là nguồn tài nguyên khan hiếm nên rất khó để xây dựng hàng trăm lò phản ứng cỡ ITER sử dụng helium lỏng.
Greene tin rằng việc tìm ra vật liệu siêu dẫn tốt hơn là một công việc có rủi ro cao và cho đến nay có rất ít câu chuyện thành công.
Tuy nhiên, cô nói: “Đó là công việc khó khăn nhưng cũng thú vị, công việc có thể thay đổi thế giới”.
Thông tin tham khảo:
https://www.nature.com/articles/d41586-023-02681-8