Tìm hiểu về tính siêu dẫn và ứng dụng của nó

Siêu dẫn là hiện tượng một số vật liệu nhất định có thể dẫn điện với điện trở bằng 0 khi được làm lạnh đến nhiệt độ rất thấp. Điều này có nghĩa là vật liệu có thể mang dòng điện mà không bị mất năng lượng, điều này khiến nó cực kỳ hữu ích cho nhiều ứng dụng, chẳng hạn như các thí nghiệm vật lý năng lượng cao, hình ảnh y tế và điện toán tốc độ cao.

Khái niệm siêu dẫn lần đầu tiên xuất hiện được phát hiện vào năm 1911 bởi nhà vật lý người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes, người đã quan sát thấy điện trở suất của thủy ngân đột ngột giảm xuống bằng 0 khi nó được làm lạnh đến nhiệt độ 4,2 K (-269°C). Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng nhiều vật liệu khác cũng có thể thể hiện tính siêu dẫn trong những điều kiện nhất định. Cơ chế chính xác đằng sau tính siêu dẫn vẫn chưa được hiểu đầy đủ, nhưng người ta tin rằng nó liên quan đến sự hình thành các cặp Cooper, là các cặp electron liên kết với nhau. bằng cách trao đổi phonon (sóng âm lượng tử hóa). Khi một vật liệu được làm lạnh đến nhiệt độ dưới nhiệt độ tới hạn (Tc), các cặp Cooper ngưng tụ thành một trạng thái lượng tử duy nhất, dẫn đến sự biến mất của điện trở.

Có một số loại chất siêu dẫn, bao gồm:

1. Chất siêu dẫn nhiệt độ thấp: Đây là những vật liệu thể hiện tính siêu dẫn ở nhiệt độ dưới khoảng 30 K (-243°C). Các ví dụ bao gồm niobium nitride (NbN), niobi thiếc (Nb3Sn) và yttri bari đồng oxit (YBCO).
2. Chất siêu dẫn nhiệt độ cao: Đây là những vật liệu thể hiện tính siêu dẫn ở nhiệt độ trên khoảng 30 K. Ví dụ bao gồm cuprate, chẳng hạn như oxit đồng yttri bari (YBCO) và oxit đồng canxi bari thủy ngân (HgBa2Ca2Cu3O8+x).
3. Chất siêu dẫn hữu cơ: Đây là những vật liệu có chứa các nguyên tử carbon và thể hiện tính siêu dẫn. Ví dụ bao gồm polyparaphenylene sulfide (PPS) và polyfluorene vinylene (PFV).
4. Dây nano siêu dẫn: Đây là những dây cực mỏng thể hiện tính siêu dẫn. Chúng có những ứng dụng tiềm năng trong điện toán lượng tử và các công nghệ mới nổi khác.

Chất siêu dẫn có nhiều ứng dụng tiềm năng, bao gồm:

1. Thí nghiệm vật lý năng lượng cao: Nam châm siêu dẫn được sử dụng để điều khiển và tập trung các chùm hạt trong máy gia tốc như Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC).
2. Hình ảnh y tế: Nam châm siêu dẫn được sử dụng trong máy MRI để tạo ra từ trường mạnh có thể phát hiện những thay đổi tinh vi trong các mô của cơ thể.
3. Điện toán tốc độ cao: Mạch siêu dẫn có thể được sử dụng để tạo ra các máy tính cực nhanh có thể thực hiện các phép tính phức tạp ở tốc độ lên tới 100 GHz.
4. Lưu trữ và truyền tải năng lượng: Chất siêu dẫn có thể được sử dụng để tạo ra lưới điện và hệ thống lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn.
5. Điện toán lượng tử: Qubit siêu dẫn (bit lượng tử) đang được khám phá như một giải pháp tiềm năng để xây dựng máy tính lượng tử có thể mở rộng.