Giao diện
42.8 Siêu dẫn
Điện trở của kim loại thường giảm khi làm lạnh, nhưng trong trạng thái siêu dẫn, điện trở một chiều biến mất hoàn toàn trong miền điều kiện thích hợp. Các tính chất điện đã được xét ở mục 25.2, còn tính chất từ và hai loại chất siêu dẫn đã được xét ở mục 29.8. Ta sẽ liên hệ hiện tượng này với cấu trúc trạng thái electron trong chất rắn.
Siêu dẫn được phát hiện năm 1911, nhưng đến năm 1957 mới có một lý thuyết giải thích cơ chế của nhiều chất siêu dẫn. John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer xây dựng lý thuyết mang tên viết tắt BCS. Công trình được trao giải Nobel Vật lý năm 1972. Đây là giải Nobel thứ hai của Bardeen, sau giải cho công trình về transistor.
Tương tác qua mạng ion và cặp Cooper
Một electron dẫn hút các ion dương ở gần, làm chúng dịch chuyển hơi sát nhau hơn. Sự tập trung điện tích dương này có thể hút một electron dẫn khác có động lượng ngược với electron thứ nhất. vì thế tạo ra một tương tác hút hiệu dụng giữa hai electron.
Các cặp electron tương quan theo cơ chế ấy được gọi là . Ở nhiệt độ thông thường, thang năng lượng của tương tác ghép cặp nhỏ so với năng lượng chuyển động nhiệt. Khi nhiệt độ đủ thấp, vai trò của tương tác này trở nên đáng kể.
Không nên hiểu lực hút hiệu dụng là lực đẩy Coulomb giữa electron đã biến mất. Mô tả đang xét bao gồm sự đáp ứng của môi trường ion, thay vì chỉ xét hai electron riêng rẽ trong chân không.
Khe năng lượng và trạng thái dẫn điện
Trong một dải dẫn điền một phần của kim loại bình thường, electron có thể thay đổi năng lượng bằng những lượng rất nhỏ. Sự ghép cặp tạo ra một khe trong phổ kích thích của trạng thái siêu dẫn. Muốn tạo những kích thích tương ứng, hệ phải nhận một lượng năng lượng đủ lớn.
Ở nhiệt độ thấp, các trao đổi năng lượng nhỏ qua va chạm không tạo được những kích thích ấy như trong kim loại thường. Trong mô tả BCS này, trạng thái tập thể có thể duy trì dòng điện mà không có quá trình tiêu tán điện trở một chiều thông thường.
Khe năng lượng không có nghĩa mọi chuyển động nhiệt hoặc mọi trạng thái kích thích đều bằng không ở mọi nhiệt độ dưới nhiệt độ tới hạn. Cần giữ điều kiện nhiệt độ, từ trường và dòng điện cho phép của trạng thái siêu dẫn.
Siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn
Từ năm 1987, nhiều hợp chất được phát hiện còn siêu dẫn ở nhiệt độ trên
Trong cách mô tả được xét ở đây, tương tác từ giữa spin electron có thể đóng vai trò trong sự ghép cặp ở các chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Không nên đồng nhất mô hình của các chất siêu dẫn thông thường với một lời giải thích đã khép kín cho mọi vật liệu siêu dẫn.
Tài liệu tham khảo
Young & Freedman, University Physics with Modern Physics, ấn bản 15, mục 42.8, trang 1433–1433.