29.8 Siêu dẫn

Khi một vật liệu được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ tới hạn $T_c$, điện trở của nó đột ngột biến mất. Tuy nhiên, không chỉ là trạng thái không có điện trở đo được. Vật liệu siêu dẫn còn có tính chất từ đặc biệt.

Ở mỗi vật liệu , nhiệt độ tới hạn thay đổi khi đặt vật liệu trong từ trường ngoài ${\overrightarrow{B}}_0$. Với thủy ngân, nguyên tố đầu tiên được quan sát có trạng thái siêu dẫn, trường ngoài càng mạnh thì chuyển pha siêu dẫn xảy ra ở nhiệt độ càng thấp. Khi $B_0$ lớn hơn $\mathrm{0,041}2\mathrm{T}$, không còn chuyển pha. Độ lớn từ trường nhỏ nhất cần để làm mất trạng thái siêu dẫn ở một nhiệt độ dưới $T_c$ được gọi là từ trường tới hạn $B_c$.

Hình 29.25: Giản đồ pha thủy ngân với từ trường tới hạn Bc giảm theo nhiệt độ, phân chia pha thường và pha siêu dẫn

Chú thích:

• Pha thường (Normal phase)
• Pha siêu dẫn (Superconducting phase)

Đồ thị có các vạch nhiệt độ từ $1$ đến $5\mathrm{K}$ và các vạch từ trường từ $0,01$ đến $0,05\mathrm{T}$. Trên $T_c$ không có . Các vật liệu khác có dạng đường tương tự nhưng giá trị số khác.

Hiệu ứng Meissner

Đặt một quả cầu đồng chất làm bằng vật liệu trong từ trường ngoài đều ${\overrightarrow{B}}_0$, khi nhiệt độ $T>T_c$. Vật liệu đang ở pha thường. Sau đó hạ nhiệt độ xuống dưới $T_c$, với giả thiết từ trường ngoài không đủ mạnh để ngăn chuyển pha. Các đường sức bên ngoài bị biến dạng và từ trường bên trong vật liệu biến mất, ngoại trừ khả năng còn một lớp bề mặt rất mỏng, dày cỡ một trăm nguyên tử.

Nếu quấn một cuộn dây quanh quả cầu, cảm ứng trong cuộn cho biết qua cuộn giảm từ giá trị ban đầu về không trong lúc chuyển pha. Sau đó, khi tắt từ trường ngoài mà vật liệu vẫn ở pha , cuộn không có suất điện động cảm ứng và đo được từ trường bên ngoài bằng không. Như vậy, trong quá trình chuyển pha khi có trường ngoài, từ thông bị đẩy khỏi phần khối của quả cầu và từ thông qua cuộn dây trở thành không. này gọi là hiệu ứng Meissner. Các đường sức dồn sát bên quả cầu, làm từ trường ở đó mạnh hơn.

Hình 29.26: Ba trạng thái của quả cầu siêu dẫn, từ trường trong gần bằng B0 trên Tc, từ thông bị đẩy dưới Tc và trường tắt khi mẫu vẫn siêu dẫn

Chú thích:

• Vật liệu siêu dẫn trong từ trường ngoài B₀ khi T > Tc (Superconducting material in an external magnetic field B₀ at T > Tc)
• Trường bên trong gần bằng B₀ (The field inside the material is very nearly equal to B₀.)
• Hạ nhiệt độ xuống T < Tc, vật liệu trở thành siêu dẫn (The temperature is lowered to T < Tc, so the material becomes superconducting.)
• Từ thông bị đẩy khỏi vật liệu, trường bên trong bằng không (hiệu ứng Meissner) (Magnetic flux is expelled from the material, and the field inside it is zero (Meissner effect).)
• Tắt trường ngoài khi T < Tc, trường bằng không ở mọi nơi (When the external field is turned off at T < Tc, the field is zero everywhere.)
• Từ thông trong vật liệu không thay đổi (There is no change in magnetic flux in the material.)

Lực đẩy và các ứng dụng

Tính nghịch từ của vật liệu tạo ra hệ quả cơ học. Trong từ trường không đều của nam châm, lưỡng cực từ trong vật liệu thuận từ hoặc sắt từ có xu hướng định hướng theo trường nên vật liệu bị hút. Ở vật liệu nghịch từ, độ từ hóa ngược chiều, nên nam châm bị đẩy khỏi vật liệu. Theo định luật III Newton, vật liệu cũng chịu lực đẩy ngược chiều.

Hình 29.27: Mẫu siêu dẫn đẩy nam châm và giữ nam châm lơ lửng phía trên bề mặt

Chú thích:

• Nam châm (Magnet)
• Chất siêu dẫn (Superconductor)

Vật liệu loại I có hành vi vừa mô tả. Ở vật liệu loại II, phần lớn vật liệu vẫn trong từ trường, nhưng các sợi mảnh song song với trường có thể trở về pha thường. Dòng điện chạy quanh biên các sợi ấy, còn đi vào bên trong. Vật liệu loại II được dùng làm nam châm điện vì thường có từ trường tới hạn lớn hơn vật liệu loại I. Chúng có hai giá trị tới hạn. Tại $B_{c1}$, từ thông bắt đầu vào vật liệu và các sợi thường hình thành. Tại $B_{c2}$, vật liệu chuyển sang pha thường.

Nam châm điện được dùng trong phòng thí nghiệm và máy chụp cộng hưởng từ MRI. MRI cần trường tĩnh ít nhất $1,5\mathrm{T}$ để định hướng lưỡng cực từ của hạt nhân nguyên tử trong cơ thể. Nam châm điện thông thường khó tạo trường ấy vì cần dòng lớn, dẫn đến tổn hao điện trở đáng kể trong cuộn dây. Nam châm siêu dẫn không có tổn hao điện trở và có thể tạo trường đến $10\mathrm{T}$.

Thiết bị giao thoa lượng tử , gọi tắt là SQUID, đo được biến thiên nhỏ hơn ${10}^{-14}\mathrm{Wb}$. Thiết bị được ứng dụng trong y học, địa chất và các lĩnh vực khác. Từ khi phát hiện vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao vào năm 1987, số ứng dụng tiềm năng tăng lên. Nhiệt độ tới hạn của chúng cao hơn nhiệt độ nitơ lỏng, khoảng $77\mathrm{K}$, nên tương đối thuận tiện để đạt điều kiện làm lạnh. Khoa học siêu dẫn mở ra nhiều khả năng ứng dụng công nghệ.

Tài liệu tham khảo

Young & Freedman, University Physics with Modern Physics, ấn bản 15, mục 29.8, trang 975–976.