Tại sao phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?


Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng điện trở của một vật đột ngột giảm xuống tới 0. Thậm chí chất dẫn điện tốt nhất cũng có điện trở nhưng chất siêu dẫn thì lại không có. Nhưng một điều đáng tiếc là chất siêu dẫn chỉ tồn tại trong nhiệt độ cực thấp (độ 0 tuyệt đối).


Tuy phát hiện này không được áp dụng trực tiếp trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta nhưng nó lại có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với việc nghiên cứu động cơ nam châm hiệu suất cao, truyền tải điện năng đi xa hàng ngàn dặm mà không tiêu hao năng lượng và thực hiện được giấc mơ bấy lâu của con người đó là “chi phí thấp nhưng hiệu quả cao”. Nhờ có hiện tượng siêu dẫn, con người có thể tìm ra một lĩnh vực hoàn toàn mới và phương pháp mới cho công nghệ phát điện, xử lý điện và truyền tải điện năng. Tuy nhiên, trong tương lai có thể thực hiện điều đó hay không thì lại hoàn toàn phụ thuộc vào chúng ta.


Hiện tượng siêu dẫn đã được thực hiện như thế nào?


Heike Onnes sinh năm 1853 ở Groningen, Hà Lan, trong một gia đình giàu có và sở hữu một xưởng sản xuất gạch. Trong khoảng thời gian học đại học và nghiên cứu sinh, Heike Onnes đã làm cho mọi người chú ý bởi khả năng giải thích các vấn đề khoa học của mình. Đến năm 18 tuổi, Onnes đã rất tin vào những giá trị của thí nghiệm và tỏ thái độ nghi ngờ đối với những học thuyết chưa được chứng minh bởi thí nghiệm thực tiễn.


Năm 25 tuổi, Onnes chủ yếu nghiên cứu đặc trưng của vật chất trong môi trường nhiệt độ thấp nhất (-269 độ C ). Lord Kelvin là người đã phát hiện ra nhiệt độ thấp nhất hay còn được gọi là 0 độ Kelvin hoặc nhiệt độ 0 tuyệt đối. Trong môi trường nhiệt độ này thì tất cả nhiệt năng và hoạt động của vật chất (bao gồm hoạt động của bên trong của các nguyên tử) đều bị đình trệ.


Trong thời điểm ấy cũng tồn tại một vài lý luận nói về hiện tượng gì sẽ xảy ra khi vật chất trong khoảng gần đạt đến nhiệt độ 0 tuyệt đối. Lord Kelvin tin rằng các electron sẽ ngừng hoạt động trong môi trường nhiệt độ 0 tuyệt đối, điện trở tăng lên vô hạn, dòng điện ngừng lưu thông. Trong khi những người khác thì có ý kiến hoàn toàn trái ngược lại khi cho rằng điện trở bằng 0 thì dòng điện sẽ lưu thông mãi mãi.


Các nhà khoa học đều kiên trì bảo vệ ý kiến của mình và cuối cùng Onnes quyết định tiến hành thí nghiệm để chứng minh lý luận này. Trong quá trình thí nghiệm, ông đã gặp phải một khó khăn đó là không thể hạ nhiệt độ của vật thí nghiệm xuống tới -269 độ C.


Năm 1907, Onnes đã phát minh ra một loạt nhiệt kế có thể đo được nhiệt độ 0 tuyệt đối. Năm 1908, ông đã tìm ra được phương pháp hạ nhiệt độ của khí heli xuống tới mức nó có thể biến thành thể lỏng. Ông tiếp tục hạ nhiệt độ chất lỏng ấy. Quá trình này kéo dài cho đến cuối năm đó và kết quả là ông có thể hạ nhiệt độ của chất lỏng xuống tới 0,9 độ K (chỉ cao hơn 1 độ C so với nhiệt độ 0 tuyệt đối). Onnes nghĩ có thể dùng chất lỏng này để hạ nhiệt độ của các vật chất khác rồi sau đó tiến hành đo điện trở của chúng.


Năm 1911, Onnes đã phát minh ra một loại hộp đặc biệt chuyên dụng để đựng và bảo quản chất lỏng heli, đồng thời ông cũng thiết lập một dây chuyền sản xuất với quy mô nhỏ loại hộp này. Ông bắt đầu thí nghiệm với bạch kim và vàng, ông đem hạ nhiệt độ của chúng tới nhiệt độ 0 tuyệt đối. Tuy nhiên dòng điện mà ông đo được không ổn định nên thật khó có thể đưa ra kết quả chính xác. Không hề nản chí, Onnes quyết định thử nghiệm với chất lỏng thủy ngân. Ông đổ đầy thủy ngân vào một ống thủy tinh hình chữ U và được nối với dây điện, một đầu kia của dây gắn với máy đo điện trở, sau đó dùng chất lỏng heli để hạ nhiệt độ của thủy ngân xuống 0,9 độ K.


Khi nhiệt độ xuống tới dưới 40 độ K (tương đương với -229 độ C), điện trở đã bắt đầu giảm, nhiệt độ hạ tới 20 độ K thì điện trở giảm tương ứng với nó. Cuối cùng nhiệt độ xuống tới 4,19 độ K thì điện trở đột nhiên biến mất - điện trở bằng 0.


Một vài tháng sau đó, Onnes đã làm thí nghiệm của mình rất nhiều lần và đều thu lại kết quả như ban đầu: dưới 4,19 độ K vật sẽ không có điện trở, dòng điện có thể tự do lưu thông vĩnh viễn. Ông gọi hiện tượng này là hiện tượng siêu dẫn.


Tuy Onnes phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn nhưng ông không thể dùng lý luận để giải thích nó. Ông chỉ ngh ngờ hiện tượng này có liên quan gì đó đến thuyết lượng tử (học thuyết mới nhất được phát hiện lúc đó). Mãi đến năm 1951, John Bardeen mới dùng toán học để giải thích về hiện tượng siêu dẫn.


Sau này, các nhà khoa học đã tích cực nghiên cứu phương pháp để tạo ra tính siêu dẫn dưới điều kiện nhiệt độ cao hơn (dễ thực hiện) và ghi chép mới đây nhất đạt được là 138 độ K (tức là -131 độ C). Tuy nhiên, một điều đáng tiếc là chỉ thực hiện được các thí nghiệm này với hợp chất rất độc hại (làm bằng thủy ngân và đồng). Nếu con người có thể tạo ra chất siêu dẫn một cách đơn giản và không độc hại thì phát hiện của Heike Kamerlingh Onnes sẽ vô cùng có giá trị.

schoolnet@