Thiết lập kỷ lục thế giới chất siêu dẫn mới

Một kỷ lục thế giới được giữ trong hơn một thập kỷ qua đã bị một nhóm nghiên cứu, do các kỹ sư tại Đại học Cambridge dẫn đầu, phá vỡ khi họ khai thác tương đương ba tấn lực bên trong một mẫu vật liệu có kích thước bằng quả bóng golf trong khi thông thường loại vật liệu này giòn như sứ nguyên chất.

Các nhà nghiên cứu Đại học Cambridge đã cố gắng để ‘bẫy’ một từ trường có cường độ 17,6 Tesla - cao hơn khoảng 100 lần so với trường được tạo ra bởi một nam châm gắn trên tủ lạnh điển hình - trong một chất siêu dẫn nhiệt độ cao gadolinium barium copper oxide (GdBCO), cao hơn kỷ lục được thiết lập trước đó 0,4 Tesla.

Công trình nghiên cứu này chứng minh tiềm năng của chất siêu dẫn nhiệt độ cao cho các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cả bánh đà cho tích trữ năng lượng, “bộ tách từ trường”, có thể được sử dụng trong kiểm soát ô nhiễm và tinh chế khoáng sản và trong các đường ray xe lửa tốc độ cao.

Chất siêu dẫn là vật liệu mang dòng điện có ít hoặc không có điện trở khi được làm lạnh xuống một nhiệt độ nhất định. Trong khi các chất siêu dẫn thông thường cần làm lạnh xuống gần độ không tuyệt đối (độ không tuyệt đối thuộc thang Kelvin (hoặc -273^oC) trước khi chúng siêu dẫn, các chất siêu dẫn nhiệt độ cao cần làm lạnh trên điểm sôi của nitơ lỏng (-196^oC) làm cho việc làm lạnh chúng tương đối dễ dàng và chi phí vận hành thấp hơn.

Chất siêu dẫn hiện đang được sử dụng trong các ứng dụng khoa học và y tế, chẳng hạn như máy quét MRI và trong tương lai có thể được sử dụng để bảo vệ lưới điện quốc gia và tăng hiệu quả năng lượng, do lượng điện năng chúng có thể tải mà không làm tổn thất năng lượng.

Dòng điện được tải bởi một chất siêu dẫn cũng tạo ra một từ trường, chất siêu dẫn càng chứa được từ trường mạnh, nó càng tải được nhiều dòng điện. Chất siêu dẫn thực tế, hiện đại có thể tải dòng điện thường lớn hơn 100 lần so với chất dẫn bằng đồng, mang đến cho chúng lợi thế hiệu suất đáng kể so với các chất dẫn thông thường và nam châm vĩnh cửu.

Kỷ lục mới được thiết lập sử dụng các mẫu chất siêu dẫn nhiệt độ cao GdBCO đường kính 25 mm được chế tạo dưới hình dạng một hạt ngũ cốc lớn bằng phương pháp xử lý nấu chảy đã được thiết lập và được gia cố bằng một kỹ thuật tương đối đơn giản. Kỷ lục trước đó được một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Masato Murakami từ Viện Công nghệ Shibaura Nhật Bản đứng đầu được thiết lập vào năm 2003 là 17,2 Tesla, sử dụng một loại chất siêu dẫn chuyên dụng tương tự nhưng có cấu trúc và thành phần hơi khác.

Thực tế là kỷ lục này đã được giữ vững một thời gian rất dài cho thấy lĩnh vực này đòi hỏi khắt khe như thế nào, GS David Cardwell từ Khoa Kỹ thuật Đại học Cambridge, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết. Tiềm năng thực sự có thể thu được thậm chí với một sự gia tăng nhỏ trong lĩnh vực này.

Để có thể chứa một trường lớn như vậy, nhóm nghiên cứu sử dụng một loại vật liệu được gọi là cuprate là những tấm mỏng oxit đồng được phân cách bằng các nguyên tử phức tạp hơn. Cuprate là chất siêu dẫn nhiệt độ cao đầu tiên được phát hiện và có tiềm năng sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khoa học và y tế. Mặc dù cuprate là các chất siêu dẫn chất lượng cao với tiềm năng nổi bật cho các ứng dụng thực tiễn, chúng có thể giòn như mì khô khi được chế tạo ở dạng sứ nung kết, vì vậy việc chứa một từ trường mạnh trong các dạng cuprate khối có xu hướng làm chúng phát nổ. Để giữ lại, hoặc bẫy, từ trường, các nhà nghiên cứu vừa phải sửa đổi vi cấu trúc của GdBCO để tăng hiệu suất tải dòng và hiệu suất nhiệt vừa gia cố nó bằng một vòng tròn thép không gỉ, được sử dụng để “bọc nén” (shrink-wrap) các mẫu hạt đơn lẻ. Đây là một bước quan trọng trong việc đạt được kết quả này, TS John Durrell, người đứng đầu thử nghiệm ở Florida, nói.

Các dòng từ chảy vào một chất siêu dẫn đẩy nhau mạnh mẽ, làm cho việc chứa một trường lớn như vậy gặp khó khăn. Nhưng bằng cách thay đổi vi cấu trúc khối, trường được giữ lại trong mẫu được gọi là “các trung tâm hãm dòng” được phân bổ trên toàn vật liệu. Sự phát triển của các điểm hãm hiệu quả trong GdBCO là chìa khóa của sự thành công này, TS Yun-Hua Shi cho biết.

Kết quả đạt được là trường lớn nhất từng có đã được giữ lại trong một vật liệu khối độc lập tại bất kỳ nhiệt độ nào. Công trình này có thể báo trước sự xuất hiện của các chất siêu dẫn trong các ứng dụng thực tế, GS Cardwell nói. Để các chất siêu dẫn khối được ứng dụng cho sử dụng hàng ngày, chúng ta cần các hạt lớn các vật liệu siêu dẫn với các thuộc tính cần thiết có thể được chế tạo bằng các quy trình tương đối tiêu chuẩn.

Một số ứng dụng thích hợp hiện đang được nhóm nghiên cứu Đại học Cambridge và các cộng sự phát triển và người ta dự đoán rằng các ứng dụng thương mại rộng rãi cho các chất siêu dẫn có thể được thực hiện trong vòng năm năm tới.