Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Houston ở Hoa Kỳ gần đây đã công bố rằng họ đã nâng nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn của một loại vật liệu oxit đồng lên 151 Kelvin (khoảng âm 122 độ C) trong điều kiện áp suất bình thường, lập kỷ lục về nhiệt độ tới hạn cao nhất của chất siêu dẫn được biết là hoạt động dưới áp suất bình thường. Nó được coi là một bước quan trọng hướng tới “tính siêu dẫn thực tế”. Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng bước đột phá này dự kiến ​​sẽ giảm đáng kể tổn thất truyền tải điện và chi phí làm lạnh trong tương lai, mở đường cho việc nâng cấp công nghệ trong các lĩnh vực như lưới điện, hình ảnh y tế và năng lượng nhiệt hạch.

Kết quả này đến từ nhóm Trung tâm siêu dẫn Texas tại Đại học Houston (TcSUH), dẫn đầu bởi các nhà vật lý Ching‑Wu Chu và Liangzi Deng Deng), và các bài báo liên quan đã được xuất bản trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS) của Hoa Kỳ. Các thí nghiệm cho thấy rằng sau khi xử lý đặc biệt, vật liệu có thể đạt được khả năng vận chuyển không có điện trở ở nhiệt độ dưới 151 Kelvin. Nhiệt độ tới hạn này cao hơn khoảng 18 độ C so với chất siêu dẫn oxit đồng gốc thủy ngân Hg1223 (nhiệt độ tới hạn 133 Kelvin) trước đây giữ kỷ lục áp suất bình thường.

Hiện tượng siêu dẫn đề cập đến trạng thái lượng tử trong đó điện trở của một số vật liệu nhất định đột nhiên giảm xuống 0 sau khi thấp hơn nhiệt độ cụ thể và đẩy từ trường bên ngoài. Nó có ý nghĩa to lớn trong việc truyền tải điện đi đường dài, tạo ra từ trường mạnh và phát hiện có độ nhạy cao. Hiện nay, công nghệ siêu dẫn đã được sử dụng rộng rãi trong chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI), máy gia tốc hạt và các thiết bị khác, đồng thời cũng được coi là một trong những công nghệ cốt lõi không thể thiếu cho các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai, các thiết bị điện tử hiệu suất cao và các hệ thống khác. Tuy nhiên, hầu hết các chất siêu dẫn truyền thống đều yêu cầu nhiệt độ cực thấp gần độ không tuyệt đối và thường dựa vào việc làm lạnh helium lỏng đắt tiền, điều này hạn chế rất nhiều các ứng dụng kỹ thuật quy mô lớn.

Để thúc đẩy nhiệt độ siêu dẫn tăng liên tục, cộng đồng nghiên cứu khoa học đã khám phá trong nhiều thập kỷ. Ngay từ năm 1987, Zhu Jingwu và các đồng nghiệp đã phát hiện ra chất siêu dẫn nhiệt độ cao YBCO, chất này biến thành chất siêu dẫn ở nhiệt độ khoảng 93 Kelvin (âm 180 độ C), gây ra sự bùng nổ nghiên cứu toàn cầu về chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Năm 1993, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra oxit đồng Hg1223 gốc thủy ngân, chất này đã đẩy kỷ lục nhiệt độ tới hạn của áp suất khí quyển lên 133 Kelvin, nhiệt độ này vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay. Kỷ lục mới 151 Kelvin này một lần nữa làm tăng đáng kể giới hạn trên, thu hẹp chênh lệch nhiệt độ bằng chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng.

Chìa khóa của bước đột phá này nằm ở một quá trình gọi là "dập tắt áp suất". Phương pháp này từ lâu đã trưởng thành trong các lĩnh vực xử lý vật liệu khác (chẳng hạn như điều chế kim cương nhân tạo), nhưng trước đây nó chưa thực sự được sử dụng trong các hệ thống siêu dẫn. Nhóm nghiên cứu lần đầu tiên tác dụng áp lực lên vật liệu trong môi trường áp suất thủy tĩnh cực cao để thay đổi cấu trúc tinh thể và trạng thái điện tử của nó, từ đó nâng cao nhiệt độ tới hạn. Sau đó, trong khi duy trì áp suất, nó nguội đi đến nhiệt độ cài đặt, rồi nhanh chóng giải phóng áp suất bên ngoài, cho phép vật liệu “khóa” cấu trúc siêu bền và các đặc tính siêu dẫn của nó được hình thành dưới áp suất cao ở áp suất bình thường. Thông qua quá trình này, vật liệu có thể duy trì nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn cao hơn dưới áp suất môi trường hàng ngày mà không cần phải liên tục chịu được áp suất cao.

“Lưới điện mất khoảng 8% năng lượng điện trong quá trình truyền tải,” như Zhu Jingwu, một trong những tác giả tương ứng của bài báo, cho biết rằng nếu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao và áp suất bình thường có thể được sử dụng để giảm đáng kể tổn thất truyền tải điện, điều đó có nghĩa là sẽ tốn hàng tỷ đô la chi phí năng lượng có thể được tiết kiệm hàng năm, đồng thời giảm nhu cầu phát điện và áp lực môi trường. Đặng Liangzi chỉ ra rằng một khi vật liệu có thể hoạt động ổn định dưới áp suất bình thường, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng nhiều phương pháp thử nghiệm hoàn thiện khác nhau để nghiên cứu sâu cơ chế của nó và trên cơ sở đó, phát triển các thiết bị và hệ thống phù hợp với điều kiện thực tế, điều này rất quan trọng để thúc đẩy kỹ thuật công nghệ siêu dẫn.

Trong những năm gần đây, cộng đồng khoa học đã nhiều lần báo cáo về hiện tượng siêu dẫn gần hoặc đạt tới nhiệt độ phòng trong điều kiện áp suất cao. Tuy nhiên, các hệ thống này thường yêu cầu hàng trăm nghìn đến hàng triệu bầu khí quyển để duy trì, gây khó khăn cho việc chuyển đổi sang các ứng dụng kỹ thuật. Zhu Jingwu cho biết nghiên cứu liên quan đã chứng minh rằng về mặt vật lý có thể đạt được tính siêu dẫn ở nhiệt độ phòng dưới áp suất cực cao, và công trình này cho thấy một hướng khác: thông qua quá trình làm nguội bằng áp suất và các phương pháp khác, trạng thái siêu dẫn thu được dưới áp suất cao sẽ bị "đóng băng" trong môi trường áp suất bình thường, cung cấp một minh chứng lộ trình cho việc hiện thực hóa tính siêu dẫn ở áp suất bình thường và nhiệt độ phòng trong tương lai.

Tuy nhiên, vẫn có khoảng cách khoảng 140 độ C từ mức 151 Kelvin hiện tại đến nhiệt độ phòng thực (khoảng 300 Kelvin). Các nhà nghiên cứu tin rằng để lấp đầy "khoảng trống" này, các nhà vật lý, nhà khoa học vật liệu, nhà hóa học và kỹ sư cần phải làm việc cùng nhau để tiến bộ một cách có hệ thống từ nhiều hướng như thiết kế vật liệu, điều khiển cấu trúc và kỹ thuật cấu trúc điện tử. Được dẫn dắt bởi Intellect Ventures, nhà tài trợ chính của nghiên cứu này, Zhu Jingwu, Deng Liangzi và những người khác cũng tham gia viết một bài báo hỗ trợ quan điểm của PNAS, đề xuất một cách có hệ thống sáu chiến lược sửa đổi vật liệu chính bao gồm giảm áp suất, đưa ra "lộ trình" để đạt được nhiệt độ tới hạn cao hơn.

Rohit Prasankumar, người đứng đầu bộ phận nghiên cứu siêu dẫn tại Intellect Ventures, đã chỉ ra trong nhận xét rằng siêu dẫn ở nhiệt độ phòng đã được coi là "Chén thánh" của vật lý vật chất ngưng tụ trong hơn một thế kỷ và kết quả của nhóm Đại học Houston cho thấy mục tiêu này gần với thực tế hơn bao giờ hết. Ông cũng nhấn mạnh rằng vẫn còn một chặng đường dài để đạt được nhiệt độ phòng thực sự từ 151 Kelvin, điều này đòi hỏi cộng đồng nghiên cứu khoa học toàn cầu phải tiếp tục đầu tư và hợp tác theo kế hoạch. Zhu Jingwu cho rằng điều quan trọng là phải duy trì sự kiên nhẫn và niềm tin lâu dài trong lĩnh vực này. “Chỉ cần có đủ người đầu tư trong thời gian dài và tiếp tục đi đúng hướng, cuối cùng chúng tôi sẽ hy vọng biến tiềm năng này thành hiện thực.”