Siêu dẫn và ứng dụng

Siêu dẫn và ứng dụng Sinh viên : Lê Văn Lợi K12 : Vật Lý Mục lục 1, Lịch sử 2, Tính chất điện của siêu dẫn 3, Tính chất từ của siêu dẫn 4, Tính chất nhiệt của siêu dẫn 5, Lý thuyết cơ bản về siêu dẫn 6, Lý thuyết vi mô về siêu dẫn 7, Sơ lược về siêu dẫn nhiệt độ cao 8, Ưngs dụng của siêu dẫn và vật liệu siêu dẫn Lịch sử Có thể nói việc hoá lỏng helium là tiền đề cho sự phát minh ra siêu dẫn. Năm 1908 Kamerlingh Onnes ( Hà Lan) đã hoá lỏng đc Nitơ đầu tiên trên thế giới, năm 1911 chính ông khi nghiên cứu điện trở của Hg đột ngột giảm về 0 khi nhiệt độ dưới 4,2K Những năm sau đó một vấn đề liên quan đến siêu dẫn được khám phá. Năm 1914 hiện tượng dòng điện phá vỡ trạng thái siêu dẫn đã được phát hiện và cùng năm đó Kamerlingh Onnes chế tạo được nam châm siêu dẫn. Năm 1930 hợp kim siêu dẫn được tìm ra. Năm 1933 Meissner và Ochsenfeld đã công bố chất siêu dẫn khi làm lạnh dưới nhiệt độ chuyển pha trong từ trường thì đường cảm ứng từ bị đẩy ra ngoài. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Meissner Về lý thuyết Năm 1957 Barden, Cooper và Shriffer đã đưa ra lý thuyết vi mô, được gọi là lý thuyết BCS đã giải thích được tất cả các tính chất cơ bản của chất siêu dẫn và lý thuyết này đã nhận được giải Nobel năm 1972. Tuy nhiên lý thuyết này chỉ giải thích được siêu dẫn nhiệt độ thấp, không còn đúng với siêu dẫn nhiệt độ cao có thể cần 1 lý thuyết mới hay mở rộng của BCS. Vấn đề này đang trở thành 1 đề tài đầy hấp dẫn với các nhà khoa học. Trong suốt khoảng thời gian từ năm 1911 đến 1985 các chất siêu dẫn tìm ra đều có nhiệt độ chuyển pha dưới 24K và chất lỏng Heli vẫn là môi trường duy nhất được dùng để nghiên cứu siêu dẫn. Năm 1986 J.G Bednorz và K.A. Muller ( Thụy Sĩ) đã tìm ra tính siêu dẫn trong hợp chất gốm La-Ba-Cu-O với nhiệt chuyển pha nằm trong vùng Nito lỏng. Với phát minh này 2 ông đã giành giải Nobel Vật Lý năm 1987. Từ đây ngành siêu dẫn đã mở ra 1 hướng mới đó là Vật Lý siêu dẫn nhiệt độ cao mở ra một kỷ nguyên mới, và cuộc chạy đua giữa các phòng thí nghiệm Vậy siêu dẫn là gì : là 1 trạng thái vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn, nó cho phép dòng điện chạy qua không có điện trở và khi đặt chất siêu dẫn trong từ trường từ trường bị đẩy ra khỏi nó Bảng các nguyên tố là chất siêu dẫn 2.Tính chất điện của siêu dẫn Điện trở của tất cả kim loại và hợp kim đều giảm xuống khi làm lạnh. Dòng điện chạy trong vật dẫn mang các điện tử dẫn những điện tử này chuyển động tự do dưới dạng sóng. Có thể biểu diễn qua trình truyền điện tử trong kim loại như các sóng phẳng truyền theo một hướng. Do kim loại có cấu trúc tinh thể với các nguyên tử nằm trong mạng tuần hoàn nên các sóng phẳng có thể truyền suốt cấu trúc tuần hoàn tinh thể mà không bị tán xạ vào các hướng khác. Nói cách khác vật dẫn có cấu trúc tinh thể hoàn hảo sẽ cho dòng điện qua mà không bị một cản trở nào cấu trúc tinh thể hoàn hảo Tuy nhiên trong mạnh tuần hoàn của tinh thể thường có những khuyết tật. Những khuyết tật này làm tán xạ sóng điện từ và do đó điện trở sinh ra. Ngoài ra còn 2 hiệu ứng nữa sinh ra điện trở đó là sự phá vỡ cấu trúc hoàn hảo do tạp chất và dao động nhiệt. Vậy điện trở của kim loại có 3 nguyên nhân -sự sai hỏng mạng -dao động nhiệt -tạp chất Những kim loại đáp ứng được cả 3 yếu tố trên chỉ là giả thuyết. Đối với kim loại hoàn toàn sạch điện trở chỉ do dao động nhiệt, và có giá trị xấp xỉ 0 khi nhiệt độ tiến tới 0K. Nhưng đây không phải là siêu dẫn mà là dẫn điện hoàn hảo Làm thế nào để chứng minh chất siêu dẫn khi làm lạnh dưới nhiệt độ chuyển pha thì sẽ có điện trở thực sự bằng 0. Điều này đối với thực nghiệm là không thể vì độ nhậy và chính xác của thiết bị đo luôn có sai số. Nhưng ta có thể kiểm tra bằng cách cho dòng điện vào ống dây siêu dẫn dưới nhiệt độ chuyển pha ta có công thức i(t) =i(0).exp(-R/L)t ta đo từ trường ở bên ngoài cuôn dây, phép đo từ tròng không lấy đi năng lượng của cuôn dây và ta có thể quan sát được sự biết thiên của dòng điện theo thời gian và ta xác định được điện trở của chất siêu dẫn Ic thì tính siêu dẫn bị phá vỡ. 3 năm sau Silsbee mới giải thích và làm sáng tỏ hiện tượng này. Ông cho rằng vai trò quyết định để đưa vật liệu từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thường trong hiệu ứng dòng tới hạn ko phải do dòng I lớn gây ra mà chính từ trường do dòng I sinh ra trong dây dẫn phá vỡ trạng thái siêu dẫn. Điều này có bản chất giống hệt hiệu ứng Meisser đã xét Với dây siêu dẫn tròn đường kính a ta có công thức Hc= 2Ic/a 4. Tính chất nhiệt Dưới nhiệt độ chuyển pha nhiệt dung của kim loại siêu dẫn là rất nhỏ nhỏ hơn rất nhiều so với kim loại Ce=a.exp(-b/kB.T) Tại điểm chuyển pha bước có bước nhảy nhiệt dung Điều này chứng tỏ trong trạng thái siêu dẫn có tồn tại của các khe năng lượng đó cũng chính là 1 đặc trưng cơ bản của siêu dẫn Độ dẫn nhiệt của các chất siêu dẫn thấp hơn nhiều so với trạng thái bình thường, có thể nói điện tử siêu dẫn ko đóng vai trò trong sự dẫn nhiệt. Tính chất này được áp dụng làm công tắc nhiệt siêu dẫn trong kĩ thuật nhiệt độ thấp. Ta còn thấy độ dẫn nhiệt tăng tại vugf chuyển pha rồi mới giảm theo nhiệt độ Hiệu ứng đồng vị Nhiệt độ tới hạn của các chất thay đổi theo khối lương đồng vị Maxwell , Regnols và các đồng nghiệp đã chứng minh vấn đề này với Hg M= 199,5 Tc=4,185 K M= 203,4 Tc=4,146 K Các kết quả thực nghiệm thỏa mãn công thức sau M^.5.Tc=const Sự giảm entropy Thực nghiệm cho thấy trong mọi chất siêu dẫn entropy giảm mạnh khi làm lạnh xuống dưới nhiệt độ chuyển pha. Sự giảm entropy chứng tỏ các điện tử sắp xếp trật tự hơn ở trạng thái siêu dẫn (vì entropy là đại lượng đo mức đọ trật tự của hệ) Van Laez và Keeson đã chứng minh rằng quá trinh chuyển từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thường theo quan điểm nhiệt dộng lực học là 1 quá trình thuận nghịch. Như vậy có thể áp dụng phương trình nhiệt động cho chuyển pha siêu dẫn. 5. Lý thuyết cơ bản về siêu dẫn Phương trinh Lodon Để giải thích hiệu ứng Meisser khi từ thông bị đẩy khỏi chất siêu dẫn người ta cần giả đinh siêu dẫn là chất nghịch từ lý tưởng. Lý thuyết London đã được thiết lập từ các phương trình biến đổi từ các pt điện động lực để nhận lại hiệu ứng Meisser. Như vậy lý thuyết London đã chứng minh cho sự tồn tại của hiệu ứng Meisser trong chất siêu dẫn Phương trình Ginzburg- Landau Ginzburg- Landau đã đưa ra lý thuyết về hiện tuwong chuyển pha của siêu dẫn. Gia thuyết của Ginzburg- Landau là trạng thái của siêu dẫn trật tự hơn trạng thái thường. Như vậy xuất phát từ vấn đề chuyển pha có thể diễn tả được thông số trật tự (si), đó là một đại lượng vật lý mô tả trạng thái khác nhau của hệ Mô hình hai chất lỏng Mô hình này được Gorter và Kazimir đưa ra năm 1934. Cơ sở của vấn đề này dựa trên suy giảm của entropy 6. Lý thuyết vi mô về siêu dẫn Lý thuyết BCS 1, Nhiều lý thuyết trước đây đều dựa trên cơ sở các điện tử tương tác trực tiếp lẫn nhau qua tương tác đẩy Coulomb Hiệu ứng đồng vị cho biết rằng nhiệt độ tới hạn Tc phụ thuộc và khối lượng hạt nhân. BCS ko dựa trên đặc trưng đẩy Coulomb mà dựa trên tương tác electron – phonon 2, Đặc trưng tương tác hút của điện tử - điện tử có thể dẫn đến sự xuất hiện các đôi điện tử liên kết. Tương tác giữa các điện tử dựa trên tương tác phonon nghĩa là 1 điện tử phát ra 1 phonon làm biến dạng mạnh còn điện tử kia bắt lấy nó để điều chỉnh sự biến dạng của nó Và như vậy 2 điện tử trao đổi năng lượng và xung lượng cho nhau qua phonon hay mạng tinh thể 7, Sơ lược về siêu dẫn nhiệt độ cao Năm 1974 vật liệu gốm siêu dẫn được phát hiện với hợp chất BaPb(1-x)Bi(x)O3 có Tc=13K dù nhiệt độ chuyển pha không cao nhưng mở ra 1 huống mới là có thể tìm vật liệu siêu dẫn trông gốm chứ ko chỉ ở kim loại hay hợp kim. Năm 1986 J.G Bednorz và K.A. Muller ( Thụy Sĩ) đã tìm ra tính siêu dẫn trong hợp chất gốm La-Ba-Cu-O với nhiệt chuyển pha nằm trong vùng Nito lỏng. Sau phát minh này bùng nổ việc nghiên cứu siêu dẫn nhieeth độ cao trên toàn cầu. Từ năm 1986 về trước đã tìm ra oxit siêu dẫn nhưng ko phải là oxit đồng Đồng thời với việc nhiều chất siêu dẫn được phát hiện thì nhiệt độ chuyển pha tăng theo. Cho đến nay 1 vài thông tin cho biết 1 số tác giả đã chế tạo được hợp chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng Đặc tính cơ bản chung của siêu dẫn nhiệt độ cao - điện trở giảm về 0 khi T < Tc -tồn tại hiệu ứng Meisser nhưng không hoàn toàn -nhiệt dung có bước nhảy -hiệu ứng xuyên ngầm xảy ra mạnh - cơ chế tương tác vẫn là tương tác gian tiếp của cặp cooper -hiệu ứng đồng vị vẫn chưa giải thích được vì alpha nằm trong 1 khoảng rộng chứ ko phải là ½ -tính dị hướng -tính phản sắt từ -độ dài kết hợp ngắn Cấu trúc tinh thể hợp chất siêu dẫn loại La-Sr-Cu-O 8, Ưng dụng siêu dẫn và vật liêu siêu dẫn Chỉ với 2 tính chất không mất mát trong quá trình truyền điện và đẩy từ trường ngoài vật liệu siêu dẫn đã được ứng dụng trong mọi lĩnh vực khoa học và công nghệ 1, máy chụp cộng hưởng từ MRI Có thể hiện chi tiết toàn bộ phần cơ thể nhờ lấy năng lượng từ trường sinh ra từ nam chân điện siêu dẫn. Các bức ảnh chụp được cho thấy được cả thành phần hóa học của các loại dây thần kinh trong từng bộ phận trên cơ sở đó dự đoán bệnh. 2, máy tính nhiệt độ thấp tốc độ cao Sử dụng linh kiện siêu dẫn có ưu điểm gọn nhẹ nhanh cấu hình mạnh các mạch điện dống mở nhanh. Ví dụ công tắc siêu dẫn chỉ đóng mở trong 6 pico giây (nhanh gấp 10 lần công tắc siêu dẫn) 3, cảm biến siêu nhạy Thiết bị là sự ghép nối của 2 lớp tiếp xúc Josephson và có thể đo được các từ trường chỉ bằng 1/10 tỉ từ trường của trái đất. Ưng dụng dò xung thần kinh thăm dò khoáng sản và dầu trong lòng đất và đại dương, phát hiện tàu ngầm… Giao thoa lượng tử siêu dẫn 4, angten mini Kích thước bằng 5% so với angten thông thường và làm việc trên nguyên lý mạch xuyên ngầm có đọ nhạy gấp 20 lần các loại ăng ten khác vd rất tốt để làm angten wif 5, công tắc quang học 6,truyền tải năng lượng Hiện nay các nước Mỹ Nhật.. đã xây dựng các đường dây tải diện siêu dẫn ưu điểm ko mất mát năng lương, ko phải làm biến thế, hệ thống cột đỡ ít 7, bình tích trữ năng lượng Năng lượng sinh ra trong từ trường của dây siêu dẫn rất lớn và được ứng dụng phóng nhanh các loại tên lửa năng lượng laze súng ray với tốc độ rất lớn , bình năng lượng này phóng ra nhanh cường độ lớn thay thê scho tụ điện 8, sự treo từ Tàu hỏa treo từ đã được sử dụng bằng nguồn nam châm siêu dẫn để nâng và hương cho tàu chạy. có thể làm sân bay nổi khi hạ cánh máy bay sẽ nổi trên đường băng tiết kiệm được nhiên liệu và giảm mài mòn cho máy bay … 9, bệ phóng điện từ Dùng trong các bệ phóng tàu vũ trụ 10, tách từ chiết 11, hệ thống từ thủy động học 12, máy lạnh từ Máy lạnh thường dùng chloroflourocarleon chất này pha shuyr tần ozon do đó các bơm nhiệt từ sẽ mau chong thay thế các máy lạnh sử dụng khí gas. Hệ thống này cũng sẽ gon nhẹ và sạch cho môi trường 13, biến thế siêu dẫn Tạo ra biến thế hiệu suât cao và nhỏ gọn 14, máy phát điện siêu dẫn Kích thước nhỏ công suất lớn 15, động cơ siêu dẫn Chế tạo dựa trên hiệu ứng Meisser các motor này có kích thước nhỏ mất mát =50% so với motor thường ứng dụng trong oto, máy bơm…. America 16,tàu thủy siêu dẫn 17, đệm từ Sử dụng trong máy tính siêu nhanh, máy quay phim siêu tốc và trong con quay hồi chuyển 18, thiết bị dò milimet Có thể định vị các bộ phận ung thư 3 chiều, sử dụng trong công nghệ thông tin ở vùng tần số cao. dò các mahj điện sai hỏng… 19, biến đổi anolog/ digital Đảm bảo độ ổn định hơn so với bán dẫn 20, màn chắn từ và thiết bị dẫn sóng 21, xử lý tín hiệu có độ chính xác cao 22, cảm biến đo từ thông 3 chiều 23,đầu dò bức xạ Đo bức xạ tia cục tím, sóng micro và có độ chính xác bậc nhất 24, oto điện Có lẽ trong tương lại ôt điện sẽ là phương tiện giao thông chính vì nó khi áp dụng ki thuật siêu dẫn sẽ có công suất lớn ko bị rung và ko ô nhiễm môi trường, giá thành giảm 25. thiết bị Synchrotrons 26, lò phản ứng nhiệt hạch từ Đơn giản hóa hệ thống làm lạnh 27, máy gia tốc hạt Tạo ra năng lượng lớn để va chạm các hạt và tiết kiêm được hàng triệu đô tiền điện 28, các băng siêu dẫn 9, các phát hiện mới Silicon siêu dẫn ở nhiệt độ phòng Các nhà khoa học Đức và Canada tuyên bố vượt qua siêu thử thách của ngành điện tử, đó là tạo ra chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng mà chỉ dùng các hợp chất thông thường. Với khí SiH4 ở áp suất cao, các nhà khoa học đã tạo ra được vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Phát hiện chất siêu dẫn nano ĐH Ohio, Mỹ vừa phát hiện ra chất siêu dẫn có kích thước nhỏ nhất trên thế giới: không đầy một nanomet . Phát hiện mở ra hướng đi mới cho các thiết bị điện nano và nhiều ứng dụng khác. Nghiên cứu trên của Đại học Ohio được công bố trên tạp chí Nature Nanoteachnology, cung cấp bằng chứng đầu tiên về những sợi dây siêu dẫn cấp phân tử có kích thước nano Trước đây, các nhà nghiên cứu vẫn cho rằng, gần như không thể tạo ra sợi dây dẫn kim loại có kích thước nano vì điện trở tăng lên khi kích thước của dây nhỏ đi. Khi đó, các dây dẫn sẽ nóng đến mức có thể chảy ra và bị phá hủy Chế tạo kim loại siêu dẫn mỏng nhất  Một dải chì siêu dẫn chỉ dày có hai phân tử, lớp kim loại siêu dẫn mỏng nhất được tạo ra từ trước tới nay, vừa được các nhà vật lý của trường Đại học Texas ở Austin, Mỹ, chế tạo ra.  Hiện tượng siêu dẫn ở mức độ phân tử mở ra chặng đường mới cho những nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực siêu máy tính, y học với thiết bị chụp hình não.  Các nhà Vật lý Đài Loan thuộc trường Đại học Tsing Hua (NTHU) và các nhà Vật lý Mỹ thuộc trường Đại học Duke Bắc Carolina đã khám phá ra một chất siêu dẫn mới trên cơ sở sắt, không độc hại và dễ điều chỉnh, nhiệt độ có thể đạt 30 Kelvin. Tuy nhiên các nhà nghiên cứu còn hy vọng có thể đạt được nhiệt độ kỷ lục của chất siêu dẫn này ở 138 Kelvin. Xin cảm ơn thầy giáo và các bạn ! Thank for watching!