Trong những bài viết trước [1-3], chúng tôi đã trình bày cơ cấu, những thành phần quan trọng và đặc tính của những thành phần này trong máy chụp cộng hưởng từ MRI. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ trình bày một số đặc tính khác về tính siêu dẫn của thỏi nam châm.

Tính siêu dẫn là một đặc tính không bình thường của một số kim loại, hợp chất, và ceramics với điện trở biến mất hoàn toàn ở một nhiệt độ tới hạn Tc (critical temperature) và ở một áp suất khác nhau. Trong Bảng tuần hoàn (Bảng 1), những chất có màu xanh dương co thể có tính siêu dẫn ở áp suất không khí tiêu chuẩn; trong khi những chất với màu xanh lá cây có tình siêu dẫn ở một áp suất cao [4].

Bảng 1. Những chất có màu xanh dương có thể có tính siêu dẫn ở áp suất không khí tiêu chuẩn; trong khi những chất với màu xanh lá cây có tình siêu dẫn ở một áp suất cao [4]

Đặc tính của chất có tính siêu dẫn là điện trở giảm một cách đột ngột xuống còn zero (điện trở hoàn toàn biến mất!) khi ở một nhiệt độ tới hạn Tc. Với những chất dẫn điện thông thường, điện trở giảm khi nhiệt độ giảm tuy nhiên điện trở không biến mất hoàn toàn (Hình 1a)

Năm 1933, hai nhà khoa học gia người Đức Walther Meissner và Robert Ochsenfeld đã khàm phá ra một hiện tượng xác định rằng từ thông (hay từ trường xuyên qua) hoàn toàn bị đẩy ra khỏi vật siêu dần (được biết như đặc tính thứ hai hay hiệu ứng Meissner của chất siêu dẫn, và sẽ được trình bày ở phần dưới). Và từ trường từ vật siêu dẫn bù trừ từ trường bên ngoài. Thành ra từ trường không thông qua được vật siêu dẫn (Hình 1b). Hiện tượng này có thể cắt nghĩa như sau: Chất siêu dẫn có độ nghịch từ. Có nghĩa là chất siêu dẫn bị đẩy lùi mạnh vì có xu hướng đẩy từ trường ra. Khi từ trường được áp đặt trên một vật thể, dòng điện xoáy (eddy current) sẽ giảm nhanh chóng do điện trở của vật thể. Đồng thời, theo định luật Lenz, dòng Foucault (hay eddy current) có khuynh hướng chống lại sự chuyển động tạo ra nó. Nhưng trong trường hợp chất siêu dẫn vì điện trở không có, nên dòng điện không suy giảm. Thế nên, lực kháng cự của vật siêu dẫn (nam châm) không suy giảm và đẩy tử trường ra, đưa đến tình trạng nam châm bị treo lơ lửng (Hình 1b, c và d). Trong trường hợp với một từ trường mạnh thì sức đẩy này sẽ bị yếu thế và các đặc tính của chất siêu dẫn bị phá hủy đi [5-7].

(a) Đặc tính của chất có tính siêu dẫn là điện trở hạ một cách đột ngột xuống còn zero (điện trở hoàn toàn biến mất) khi ở một nhiệt độ tới hạn Tc (critical temperature). Trong trường hợp của YBa₂Cu₃O₇,Tc=93K. Với những chất dẫn điện thông thường, điện trở giảm khi nhiệt độ giảm tuy nhiên điện trở không biến mất hoàn toàn.

(b) Lực kháng cự của vật siêu dẫn không suy giảm và đẩy tử trường ra, đưa đến tình trạng nam châm treo lơ lửng.

(c) và (d) Trong trường hợp chất siêu dẫn, vì điện trở không có, nên dòng điện xoáy (eddy current) không suy giảm. Thế nên, lực kháng cự của vật siêu dẫn không suy giảm. Nói một cách khác, khi T<Tc, lực đặt trên thỏi nam châm là do dòng điện xoáy.

Chất siêu dẫn loại I thường được làm bằng kim loại nguyên chất. Những chất này có tính nghịch từ (diamagnetism). Tính nghịch từ là từ trường phản ứng (reaction magnetic field) tạo bởi chất kim loại nguyên chất (pure metal) nằm nghịch hướng với từ trường áp đặt (Hình 2a & 2c).

Khi được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ tới hạn (nhiệt độ đưa đến trạng thái siêu dẫn), điện trở trở thành zero và chúng ta có thể đạt được một độ từ tính hoàn hảo. Và theo hiệu ứng Meissner, từ trường xuyên qua (hay từ thông) sẽ bằng không. Chỉ có một từ trường tới hạn mà thôi (từ trường tới hạn là từ trường giới hạn biểu hiện sự biến đổi giữa trạng thái siêu dẫn và trạng thái không siêu dẫn)!

Chất siêu dẫn loại II thường làm bằng hợp kim, hoạt động giống như chất siêu dẫn loại I, tuy nhiên tính nghịch từ hoạt động khác hơn. Có hai từ trường tới hạn. Có nghĩa là có hai lần biến đổi trạng thái siêu dẫn. Chất siêu dẫn loại II này sẽ vào ở trạng thái pha siêu dẫn (the superconducting phase) ở một nhiệt độ tới hạn đặc biệt giống như chất siêu dẫn loại 1; ngoại trừ sự kiện là khi nhiệt độ hạ xuống thấp thêm nữa, chất liệu này sẽ rơi vào trạng thái pha bán siêu dẫn (semi-superconducting phase) (Hình 2b & 2d). Khi nhiệt độ tăng thêm trở lại, vật chất sẽ trở lại trạng thái siêu dẫn ban đầu [8].

Hình 2. Sự biến đổi của từ trường với nhiệt độ trong trường hợp của chất siêu dẫn loại I (Hình 2a) và chất siêu dẫn loại II (Hình 2b).

Chất siêu dẫn loại I có một từ trường tới hạn (Hình 2c); trong khi đó chất siêu dẫn loại II có hai từ trường tới hạn (Hình 2d)[8].

Để xác định thể loại của chất siêu dẫn, cách tốt nhất là áp đặt từ trường lên chất siêu dẫn. Đối với hai loại siêu đẫn, áp đặt từ trường sẽ tạo ra lực đẩy (expulsion) như dự đoán. Đối với chất siêu dẫn thuộc loại I, gia tăng từ trường áp đặt sẽ gia tăng sức đầy gây ra bởi chất siêu dẫn theo dạng tuyến tính. Đối với chất siêu dẫn loại II, sự liên quan giữa từ trường áp đặt và lực đẩy cũng sẽ giống nhau; tuy nhiên ở một từ trường tới hạn (critical field) có một giá trị riêng biệt, sức đẩy sẽ bị phá vỡ và sẽ rơi vào vùng vortex (vortex region) nơi mà lực đẩy trở thành hỗn loạn và không ổn định. Giống như trường hợp của nhiệt độ, chất siêu dẫn loại II sẽ đi vào pha siêu dẫn bình thường (normal superconducting phase) nếu có đủ lượng từ trường áp đặt. Bảng 2 tóm tắt sự khác nhau giữa chất siêu dẫn thuộc loại I và loại II.

Bảng 2. Tóm tắt sự khác nhau về đặc tính giữa chất siêu dẫn thuộc loại I và loại II [9]

Nếu cho một dòng điện chạy vào mạch điện làm bằng chất siêu dẫn, năng lượng điện sẽ không bị tiêu hao trong quá trình truyền tải do không có sự trở kháng.

Những chất siêu dẫn nhiệt độ thấp có thể tạo ra những từ trường rất mạnh.

Đặc tính thứ ba của chất siêu dẫn là: Nếu hai chất siêu dẫn được đặt gần nhau (nhưng

không va chạm vào nhau), các điện tử có thể nhảy qua như thể hai chất dẫn điện ấy tiếp xúc với nhau. Chỗ mà dòng điện chạy qua được gọi là "khớp nối Josephson". Hiện tượng này được khám phá ra bởi TS Brian D. Josephson thuộc Đại học Cambridge vào năm 1962. Ông này lãnh giải Nobel Vật lý vào năm 1973 về hiện tượng này [3].

Chúng tôi đã trình bày hiệu ứng Meissner, sự khác nhau giữa loại I và loại II và ba đặc tình của chất siêu dẫn. Cặp Cooper trong lý thuyết BCS chỉ có thể dùng để cắt nghĩa chất siêu dẫn loại I. Hiện tại vẫn chưa có một lý thuyết nào có thể cắt nghĩa chính xác cơ cấu vận hành của chất siêu dẫn loại II.

[1] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part%2012-09012021.htm

[2] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part%2015-12222021.htm

[3] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part%2016-02042022.htm