THỤY ĐIỂN – Vật liệu siêu dẫn (superconducting material) (*) có thể đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng tiết kiệm năng lượng của tương lai. Tuy nhiên, việc đưa chúng vào sử dụng thực tiễn vẫn đã gặp phải một số vấn đề kỹ thuật.
(*) Superconducting material: là loại vật liệu đặc biệt có điện trở bằng 0 và khả năng loại bỏ hoàn toàn từ trường (hiệu ứng Meissner) khi được làm lạnh xuống dưới một nhiệt độ tới hạn (Tc) nhất định. Dòng điện có thể chạy trong các vật liệu này vô thời hạn mà không gây tổn hao năng lượng hay tỏa nhiệt.

Hình ảnh minh họa cách thiết kế các gờ và rãnh nhỏ li ti của các nhà nghiên cứu, chúng mỏng hơn một phần triệu sợi tóc, trên lớp đế (MgO, ở dưới) sẽ dẫn dắt cách các nguyên tử trong vật liệu siêu dẫn (YBCO, ở trên) lắng đọng. Tại vùng tiếp diện giữa hai lớp, một “địa hình điện tử” cho phép tính siêu dẫn xảy ra ở nhiệt độ cao hơn so với trước đây, ngay cả khi chịu tác động của từ trường mạnh.

Các nhà nghiên cứu tại đại học Công nghệ Chalmers (Chalmers university of technology) đã phát triển một thiết kế vật liệu mới nhằm giải quyết trở ngại lớn trong lĩnh vực này: cho phép trạng thái siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, đồng thời chịu đựng được từ trường mạnh. Bước đột phá này có thể mở đường cho các thiết bị điện tử và công nghệ lượng tử tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn so với hiện nay.

Các thiết bị kỹ thuật số, trung tâm dữ liệu cùng mạng lưới công nghệ thông tin và truyền thông (ICT – information and communications technology) hiện chiếm gần 6% đến 12% lượng điện tiêu thụ toàn cầu. Nhu cầu về các thiết bị điện tử tiết kiệm điện ngày càng tăng cao, và đây chính là lúc vật liệu siêu dẫn nổi lên như một giải pháp đầy triển vọng. Khác với các thiết bị điện tử truyền thống vốn gây thất thoát năng lượng dưới dạng nhiệt, vật liệu siêu dẫn có khả năng truyền dẫn điện năng mà không gây ra bất kỳ tổn thất nào. Do đó, chất siêu dẫn có tiềm năng giúp các lưới điện, thiết bị điện tử và công nghệ lượng tử đạt hiệu suất năng lượng cao gấp hàng trăm lần.

Tuy nhiên, con đường đưa công nghệ này vào ứng dụng thực tế vẫn đang bị cản trở bởi một vài thách thức cốt lõi. Một trở ngại lớn là trạng thái siêu dẫn thường đòi hỏi nhiệt độ cực thấp, xuống gần -200°C. Việc làm mát xuống mức nhiệt độ này rất phức tạp và tiêu tốn nhiều năng lượng. Một thách thức lớn khác là tính siêu dẫn có thể bị suy giảm hoặc triệt tiêu bởi từ trường mạnh. Đây là một hạn chế nghiêm trọng, vì từ trường thường xuyên xuất hiện trong các thiết bị điện tử tiên tiến và là yếu tố thiết yếu đối với nhiều công nghệ lượng tử. Vì vậy, để đưa công nghệ siêu dẫn ra khỏi phòng thí nghiệm và đi vào đời sống, cần những loại vật liệu có thể duy trì trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn (lý tưởng nhất là gần với nhiệt độ phòng), đồng thời vẫn giữ được độ bền vững dưới tác động của từ trường mạnh.

Khả năng siêu dẫn bền vững thông qua phương pháp tiếp cận mới
Trong nỗ lực tìm kiếm các loại chất siêu dẫn bền vững này, giới nghiên cứu đã thử nghiệm biến đổi thành phần hóa học của nhiều loại vật liệu khác nhau nhưng chỉ đạt được những thành công hạn chế. Hiện nay, các nhà nghiên cứu tại đại học Chalmers đã thử nghiệm một hướng đi khác, và đạt được một bước tiến quan trọng.

Bà Floriana Lombardi, Giáo sư vật lý thiết bị lượng tử tại đại học Chalmers và là tác giả chính của nghiên cứu (được công bố trên tạp chí Nature Communications), chia sẻ: “Bằng cách tạo hình bề mặt nơi vật liệu siêu dẫn hiện hữu, nhóm nghiên cứu đã có thể kích hoạt tính siêu dẫn ở mức nhiệt độ cao hơn đáng kể so với trước đây. Nhóm cũng nhận thấy rằng vật liệu này vẫn duy trì được trạng thái siêu dẫn ngay cả khi tiếp xúc với từ trường mạnh”. 

Chi tiết nhỏ tạo nên khác biệt lớn
Các nhà nghiên cứu tại đại học Chalmers đã sử dụng một loại vật liệu gốc đồng – oxit thuộc nhóm cuprate. Cuprate là nhóm chất siêu dẫn nổi tiếng với khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, cấu trúc hóa học của chúng rất khó điều chỉnh sau khi chế tạo thành phẩm.

Bản thân vật liệu siêu dẫn được sử dụng trong nghiên cứu này chỉ dày vài nanomet, mỏng hơn một phần triệu sợi tóc. Để ứng dụng vào các thiết bị điện tử thực tế, những màng siêu mỏng như vậy phải được lắng đọng trên một đế đỡ (substrate), nhằm tạo khuôn mẫu cần thiết cho quá trình tăng trưởng vật liệu. Nhóm nghiên cứu của đại họa Chalmers đã thực hiện bước đột phá các điều chỉnh ở quy mô nanomet ngay trên chính bề mặt của lớp đế này.

Ông Eric Walhberg, nhà nghiên cứu tại viện nghiên cứu RISE (RISE research institutes) của Thụy Điển, nói rằng: “Do các nguyên tử trong lớp đế được sắp xếp theo một mô hình cụ thể, chúng có thể ‘dẫn dắt’ cách các nguyên tử trong lớp siêu dẫn lắng đọng. Bằng cách thay đổi thiết kế bề mặt của lớp đế, nhóm nghiên cứu đã có thể tác động đến các đặc tính siêu dẫn và đảm bảo chúng được duy trì ngay cả ở nhiệt độ cao hơn và khi chịu tác động của từ trường mạnh”.

Khi các nhà nghiên cứu tiền xử lý lớp đế trong môi trường chân không và ở nhiệt độ cao, một mô hình bề mặt có quy tắc đã hình thành, bao gồm các gờ và rãnh nhỏ li ti. Mô hình này tạo ra một dạng “địa hình điện tử” tại vùng tiếp diện giữa lớp đế và vật liệu siêu dẫn, một cấu trúc tạo điều kiện thuận lợi cho tính siêu dẫn mạnh mẽ hơn.

Giáo sư Lombardi nói tiếp: “Nhóm nghiên cứu có thể quan sát thấy các đặc tính của electron bắt đầu có một hướng ưu tiên trong vùng tiếp diện này và hoạt động theo cách giúp ổn định cũng như củng cố trạng thái siêu dẫn”.

Nguyên tắc thiết kế mới cho các chất siêu dẫn tương lai
Với bước đột phá này, các nhà nghiên cứu đã giới thiệu một nguyên tắc thiết kế mới để phát triển các vật liệu siêu dẫn, vốn có thể đạt được các tính năng ở nhiệt độ cao hơn trong tương lai, thậm chí có thể tiến gần đến nhiệt độ phòng.

Giáo sư Lombardi nói thêm: “Thay vì tìm kiếm các vật liệu hoàn toàn mới hoặc tác động vào đặc tính hóa học của những vật liệu hiện có, hiện nay nhóm nghiên cứu đang chứng minh cách thức tăng cường tính siêu dẫn thông qua việc tạo hình lớp đế”.

Những kết quả này mở ra tiềm năng cho các ứng dụng thực tiễn của chất siêu dẫn trong các thiết bị điện tử tiết kiệm năng lượng, các thành phần lượng tử thế hệ mới và các công nghệ yêu cầu từ trường mạnh.

Giáo sư Lombardi chia sẻ: “Điều này cho thấy những thay đổi rất nhỏ ở quy mô nanomet có thể tạo ra những tác động quyết định, và thậm chí có thể khai phá toàn bộ tiềm năng của tính siêu dẫn trong các thiết bị điện tử tương lai”.

Để xem các tin bài khác về “Vật liệu siêu dẫn”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online