by Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng điện trở của một số vật rắn đột ngột giảm về 0 khi nhiệt độ của chúng giảm xuống dưới một nhiệt độ ngưỡng nhất định gọi nhiệt độ tới hạn.
Hiện tượng siêu dẫn có ý nghĩa thực tiễn vô cùng to lớn đối với khoa học và công nghiệp hiện đại. Có thể nêu ra những ví dụ như: truyền tải điện năng và dữ liệu không có tổn hao; nam châm siêu dẫn với từ trường siêu mạnh; sensor siêu nhạy dựa trên hiện tượng giao thoa lượng tử; máy chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân MRI - Magnetic Resonance Imaging. Một trong những ứng dụng gây ấn tượng nhất của hiện tượng siêu dẫn đó những tàu hoả siêu tốc chạy trên đệm từ hoạt động dựa trên hiệu ứng Meissner, còn gọi hiệu ứng bay lơ lửng trong từ trường. Cho đến ngày nay, người ta đã phát hiện nhiều vật liệu siêu dẫn ở dạng hợp kim hoặc dạng gốm có nhiệt độ tới hạn khác nhau.
Hiện tượng siêu chảy là hiện tượng độ nhớt của một số chất lỏng giảm đột ngột về 0 ở nhiệt độ rất thấp. Kết quả là chất lỏng đó có thể chảy hoàn toàn tự do mà không hề chịu một sức cản nào. Việc khảo sát hiện tượng siêu chảy cho phép đi sâu nghiên cứu những quá trình xảy bên trong vật chất khi nó ở trạng thái năng lượng thấp nhất và có trật tự cao nhất.
Heli lỏng đang trong pha siêu chảy
Các chất siêu dẫn được chia làm hai loại: loại I và loại II.
Ở trạng thái siêu dẫn, các siêu dẫn loại I hoàn toàn không cho từ trường thấm vào sâu qua bề mặt của nó vào bên trong và là một chất nghịch từ lý tưởng. Chất siêu dẫn loại II chấp nhận sự hiện diện đồng thời trạng thái siêu dẫn và từ trường mạnh và là loại chất siêu dẫn có nhiều ứng dụng kỹ thuật quan trọng.
Lý thuyết giải thích hiện tượng siêu dẫn của chất siêu dẫn loại I được ba nhà vật lý người Mỹ là J. Bardeen, L.N. Cooper, R.J. Schrieffer đưa ra năm 1957. Theo lý thuyết BCS (gọi theo ba chữ đầu của tên các tác giả ) thì nguyên nhân làm xuất hiện hiệu ứng siêu dẫn là do hiện tượng tạo cặp electron trong chất siêu dẫn loại I ở nhiệt độ thấp. Sự tạo cặp electron này xảy ra được là nhờ tương tác của các electron với mạng tinh thể (còn gọi là thông qua tương tác electron - phonon), vi các electron mang điện cùng dấu nên bình thường không thể kết thành một đôi được. Cặp electron đó sẽ có spin nguyên (hạt bôzôn), có khả năng ngưng kết ở trạng thái lượng tử có mức năng lượng thấp nhất. Trong trạng thái siêu dẫn, các electron ghép đôi khi di chuyển bên trong tinh thể sẽ không tương tác các nút mạng, nghĩa là chất siêu dẫn khi đó chuyển tải dòng điện mà không có điện trở.
Năm 1972, J. Bardeen, L.N. Cooper, R.J. Schrieffer đã được trao giải thưởng Nobel về vật lý. Tuy nhiên lý thuyết BCS không giải thích được cơ chế hiệu ứng siêu dẫn trong các chất siêu dẫn loại II, vì các electron ghép đôi bắt buộc sẽ đẩy từ trường ra khỏi khối chất siêu dẫn.
Hiện tượng siêu chảy của hêli được nhà vật lý Xô viết P.L. Kapitsa phát minh năm 1938, Khi hạ nhiệt độ của hêli (He) lỏng đến dưới 2,2 K, trong chất Hêli lỏng xuất hiện một pha mới gọi là pha Heli siêu chảy, hay Hêli II (để phân biệt với Hêli là Hêli lỏng ở trạng thái bình thường, không siêu chảy). Đặc điểm nối bật của Hêli II là độ nhớt của nó bằng không, nghĩa là nó hoàn toàn không chịu ma sát với thành ống mà nó chảy qua.
Người ta đã làm thi nghiệm đo độ nhớt của Hêli II bằng cách cho nó chảy qua một khe hẹp có chiều rộng chỉ bằng 0,5um được tạo bởi hai tấm thuỷ tinh phẳng đã mài nhẵn, nhưng ngay cả trong điều kiện đó cũng không hề phát hiện thấy Hêli II có một chút độ nhớt nào, tức là hêli siêu chảy có thể chảy qua khe hẹp đó một cách hoàn toàn tự do. Hiện tượng siêu chảy được giải thích dựa trên những tính chất đặc biệt của Hêli ở trạng thái lỏng: hêli lỏng là một chất lỏng đặc biệt, chất lỏng lượng tử mà mỗi hạt của nó, nguyên tử đồng vị He-4, là một hạt có spin nguyên (trong tự nhiên, đồng vị He-4 chiếm hầu như 100% thành phần của hêli; đồng vị He-3 chỉ chiếm có 0,0001%). Trong những điều kiện nhất định, các hạt có spin nguyên (gọi là hạt bôzôn) có thể bị ngưng kết ở trạng thái với năng lượng thấp nhất và khi đó chúng sẽ không trao đổi năng, xung lượng với bên ngoài, có nghĩa là sẽ không chịu ma sát và ở vào trạng thái siêu chảy. Theo lý thuyết này, He-3 ở trạng thái lỏng không thể là một chất siêu chảy, vì nguyên tử đồng vị He-3 có spin bán nguyên, không phải là một hạt bôzôn.
0 Comments: