"Chúng tôi tin rằng đây là một kỷ nguyên siêu dẫn mới", Russell Hemley, một nhà khoa học vật liệu tại Đại học George Washington ở Washington, D.C., nói với đám đông các nhà nghiên cứu vào ngày 4 tháng 3 tại cuộc họp tháng 3 của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ.
Hình ảnh thắp sáng màn hình phía sau anh ta: sơ đồ của một thiết bị để nghiền nát những vật nhỏ bé giữa các điểm siêu kim cương đối nghịch, đồ thị nhiệt độ và điện trở, một quả bóng phát sáng với chữ "X" màu đen xù xì xuyên qua tâm của nó.
Hình ảnh cuối cùng đó là hiện thân của kỷ nguyên mới: một mẫu nhỏ lanthanum superhydride (hay LaH10) bị ép với áp lực tương tự như những gì được tìm thấy giữa lõi Trái đất và đốt nóng bằng tia laser với nhiệt độ đến gần một ngày cuối đông ở New England . (Đó là nhiệt lượng theo tiêu chuẩn của nghiên cứu siêu dẫn, thường được tiến hành trong phòng thí nghiệm cực lạnh.) Trong những điều kiện đó, Hemley và nhóm của ông đã tìm thấy, LaH10 dường như ngừng chống lại sự chuyển động của các electron giữa các nguyên tử của nó. Nó dường như trở thành, khi Hemley gọi nó trong bài nói chuyện APS của mình và trong một bài báo xuất bản vào ngày 14 tháng 1 trên tạp chí Phys Review Letters, một "chất siêu dẫn nhiệt độ phòng".
Khoa học đông lạnh
Trở lại năm 1911, nhà vật lý người Hà Lan Heike Kam Muffh Onnes phát hiện ra rằng ở nhiệt độ cực thấp, một số chất thể hiện tính chất điện bất thường.
Trong trường hợp bình thường, một dòng điện đi qua vật liệu dẫn điện (như dây đồng) sẽ mất một số cường độ trên đường đi. Ngay cả các dây dẫn rất tốt mà chúng ta sử dụng trong lưới điện của chúng ta cũng không hoàn hảo và không thể vận chuyển tất cả năng lượng từ một nhà máy điện đến ổ cắm trên tường của bạn. Một số điện tử bị lạc trên đường đi.
Nhưng chất siêu dẫn thì khác. Một dòng điện được đưa vào một vòng dây siêu dẫn sẽ tiếp tục vòng tròn mãi mãi mà không bị mất. Các chất siêu dẫn trục xuất các từ trường, và do đó mạnh mẽ đẩy các nam châm đi. Họ có các ứng dụng trong điện toán tốc độ cao và các công nghệ khác. Vấn đề là các loại nhiệt độ cực thấp mà các chất siêu dẫn thường hoạt động làm cho chúng không thực tế để sử dụng chung.
Săn bắn mà không có bản đồ
Trong hơn một thế kỷ, các nhà vật lý đã săn lùng tính siêu dẫn trong các vật liệu ấm hơn. Nhưng việc tìm kiếm tính siêu dẫn giống như vàng nổi bật: Kinh nghiệm và lý thuyết trong quá khứ có thể cho bạn biết nơi rộng rãi để tìm nó, nhưng bạn sẽ không thực sự biết nó ở đâu cho đến khi bạn thực hiện công việc kiểm tra tốn kém, tốn thời gian.
"Bạn có rất nhiều vật liệu. Bạn có một không gian rộng lớn để khám phá", Lilia Boeri, nhà vật lý tại Đại học Sapienza của Rome, người đã trình bày công việc sau khi Hemley khám phá khả năng của chất siêu dẫn thậm chí còn ấm hơn LaH10, và giải thích tại sao vật liệu như thế này siêu dẫn ở áp suất cực cao.
Năm 1986, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra đồ gốm siêu dẫn ở nhiệt độ cao tới 30 độ trên độ không tuyệt đối, hoặc âm 406 độ F (âm 243 độ C). Sau đó, vào những năm 1990, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên nhìn một cách nghiêm túc với áp lực rất cao, để xem liệu họ có thể tiết lộ các loại chất siêu dẫn mới hay không.
Nhưng vào thời điểm đó, Boeri nói với Live Science, vẫn chưa có cách nào tốt để xác định liệu một vật liệu sẽ trở nên siêu dẫn hay ở nhiệt độ nào nó sẽ làm như vậy, cho đến khi nó được thử nghiệm. Kết quả là, các bản ghi nhiệt độ tới hạn - nhiệt độ xuất hiện tính siêu dẫn - ở mức rất thấp.
"Khung lý thuyết đã có, nhưng họ không có khả năng sử dụng nó", Boeri nói.
Bước đột phá lớn tiếp theo đến vào năm 2001, khi các nhà nghiên cứu cho thấy magiê diboride (MgB2) có tính siêu dẫn ở 39 độ trên độ không tuyệt đối, hoặc âm 389 F (âm 234 C).
"là khá thấp", cô nói, "nhưng tại thời điểm đó là một bước đột phá lớn, bởi vì nó cho thấy bạn có thể có tính siêu dẫn với nhiệt độ tới hạn cao gấp đôi so với những gì trước đây có thể nghĩ."
Nghiền hydro
Kể từ đó, việc săn lùng các chất siêu dẫn ấm đã thay đổi theo hai cách chính: Các nhà khoa học vật liệu nhận ra rằng các nguyên tố nhẹ hơn mang lại khả năng trêu ngươi cho siêu dẫn. Trong khi đó, các mô hình máy tính tiến đến điểm mà các nhà lý thuyết có thể dự đoán trước chính xác cách thức các vật liệu có thể hành xử trong hoàn cảnh khắc nghiệt.
Các nhà vật lý bắt đầu ở nơi rõ ràng.
"Vì vậy, bạn muốn sử dụng các nguyên tố ánh sáng và nguyên tố nhẹ nhất là hydro", Boeri nói. "Nhưng vấn đề là chính hydro - điều này không thể được tạo ra siêu dẫn, bởi vì nó là chất cách điện. Vì vậy, để có chất siêu dẫn, trước tiên bạn phải biến nó thành kim loại. Bạn phải làm gì đó với nó, và điều tốt nhất bạn có thể làm đang bóp nó. "
Trong hóa học, một kim loại gần như là bất kỳ tập hợp các nguyên tử nào liên kết với nhau vì chúng ngồi trong một súp điện tử chảy tự do. Hầu hết các vật liệu mà chúng ta gọi là kim loại, như đồng hoặc sắt, là kim loại ở nhiệt độ phòng và ở áp suất khí quyển thoải mái. Nhưng các vật liệu khác có thể trở thành kim loại trong môi trường khắc nghiệt hơn.
Về lý thuyết, hydro là một trong số đó. Nhưng có một vấn đề.
"Điều đó đòi hỏi áp lực cao hơn nhiều so với có thể được thực hiện bằng cách sử dụng công nghệ hiện có," Hemley nói trong bài nói chuyện của mình.
Điều đó khiến các nhà nghiên cứu săn lùng các vật liệu chứa nhiều hydro sẽ tạo thành kim loại - và, hy vọng, trở nên siêu dẫn, ở áp suất có thể đạt được.
Ngay bây giờ, Boeri cho biết, các nhà lý thuyết làm việc với các mô hình máy tính cung cấp các vật liệu thí nghiệm có thể là chất siêu dẫn. Và các nhà thực nghiệm chọn các tùy chọn tốt nhất để kiểm tra.
Mặc dù vậy, có những giới hạn đối với giá trị của những mô hình đó, Hemley nói. Không phải mọi dự đoán đều có trong phòng thí nghiệm.
"Người ta có thể sử dụng các tính toán rất hiệu quả trong công việc này, nhưng người ta cần phải làm điều đó một cách nghiêm túc và cung cấp các thử nghiệm cuối cùng," ông nói với đám đông lắp ráp.
"Siêu dẫn nhiệt độ phòng" của Hemley và nhóm của ông, LaH10, dường như là kết quả thú vị nhất từ thời đại nghiên cứu mới này. Bị nghiền nát tới khoảng 1 triệu lần áp suất của khí quyển Trái đất (200 gigapascal) giữa các điểm của hai viên kim cương đối diện, một mẫu LaH10 dường như trở nên siêu dẫn ở 260 độ trên độ không tuyệt đối, hoặc 8 F (âm 13 C).
Một thí nghiệm khác được mô tả trong cùng một bài báo dường như cho thấy tính siêu dẫn ở 280 độ trên độ không tuyệt đối, hoặc 44 F (7 C). Đó là nhiệt độ phòng lạnh, nhưng nhiệt độ không quá khó để đạt được.
Hemley kết thúc bài nói chuyện của mình bằng cách gợi ý rằng, trên đường, công việc áp suất cao này có thể dẫn đến các vật liệu là chất siêu dẫn ở cả nhiệt độ ấm áp và áp suất bình thường. Có lẽ một vật liệu, một khi được điều áp, có thể vẫn là chất siêu dẫn sau khi áp suất được giải phóng, ông nói. Hoặc có lẽ những bài học về cấu trúc hóa học học được ở nhiệt độ cao có thể chỉ đường cho các cấu trúc áp suất thấp siêu dẫn.
Đó sẽ là một người thay đổi cuộc chơi, Boeri nói.
"Điều này về cơ bản là nghiên cứu cơ bản. Nó không có ứng dụng", cô nói. "Nhưng giả sử bạn nghĩ ra thứ gì đó có áp lực, giả sử, thấp hơn 10 lần so với bây giờ. Điều này mở ra cánh cửa cho dây dẫn siêu dẫn, những thứ khác."
Khi được hỏi liệu cô có mong đợi được nhìn thấy một chất siêu dẫn áp suất phòng, nhiệt độ phòng trong đời hay không, cô nhiệt tình gật đầu.
"Chắc chắn," cô nói.
