Các nhà vật lý Bristol tìm ra «khẩu súng còn bốc khói» của bí ẩn siêu dẫn nhiệt độ cao

LUÂN ĐÔN, ngày 20 tháng 10. — Sau gần bốn thập niên đi tìm lời giải, các nhà vật lý tại Đại Học Bristol vừa xác định được cơ chế then chốt giải thích vì sao các điện tử trong chất siêu dẫn đồng–ôxít nhiệt độ cao lại kết đôi để dẫn điện mà không hao tổn năng lượng. Công trình được đăng trên tập san Nature Physics hôm 19 tháng 10.

Nhóm nghiên cứu đo điện trở của vật liệu lanthanum cerium copper oxide — một chất siêu dẫn đồng–ôxít được pha tạp điện tử bằng cách thay thế nguyên tố lanthanum bằng cerium — dưới những từ trường liên tục mạnh nhất Âu Châu, tại Phòng Thí Nghiệm Từ Trường Âu Châu ở Hòa Lan (Netherlands). Kết quả cho thấy nguồn cản trở dòng điện chủ yếu là sự tán xạ trên các «dao động spin» — những từ trường tí hon luôn dịch chuyển, do chính các điện tử mang theo. Cường độ của tương tác này lại tỉ lệ thuận với nhiệt độ tới hạn, tức nhiệt độ mà dưới đó vật liệu bước vào trạng thái siêu dẫn.

Mối tương quan ấy khép kín vòng luận chứng: chính tương tác giữa các điện tử dẫn và các dao động spin là «chất keo» gắn kết các cặp điện tử — chứ không phải dao động của mạng tinh thể như trong các chất siêu dẫn nhiệt độ thấp thông thường. Giáo Sư Nigel Hussey, đồng tác giả chính của công trình, phát biểu: «Siêu dẫn là một hiện tượng đáng kinh ngạc, gần như kỳ diệu, từ lâu đã mê hoặc các nhà vật lý lừng danh. [...] Qua các phép đo tại Phòng Thí Nghiệm Từ Trường Âu Châu ở Hòa Lan và phân tích kỹ lưỡng sau đó, chúng tôi đã tìm ra khẩu súng còn bốc khói, giải được một phần phương trình và lý giải trạng thái khó hiểu này.»

Tuy vậy, bài toán mới chỉ giải được một nửa. Có hai cách tạo ra siêu dẫn trong các hợp chất đồng–ôxít: pha tạp điện tử như trong nghiên cứu này, và pha tạp «lỗ trống» bằng cách rút bớt điện tử. Trớ trêu thay, những giá trị nhiệt độ tới hạn cao nhất chỉ xuất hiện ở phía lỗ trống. Tiến Sĩ Caitlin Duffy, nhà thí nghiệm chính của công trình và cựu nghiên cứu sinh của Giáo Sư Hussey, giải thích rằng «những mánh phân tích» áp dụng trên dữ liệu từ trường cao đã tách rõ tán xạ do dao động spin là thủ phạm chính, và mối tương quan của nó với nhiệt độ tới hạn đã khép lại vòng luận chứng.

Giáo Sư Hussey gợi mở một hướng đi đầy hứa hẹn: đã biết cơ chế siêu dẫn nảy sinh thế nào khi pha tạp điện tử, thì muốn nâng nhiệt độ tới hạn ở phía lỗ trống, có lẽ chỉ cần tăng cường độ ghép với các dao động spin, hoặc khiến chúng dao động ở tần số cao hơn. Hiểu được «chất keo» gắn kết các điện tử là bước đầu để một ngày chế tạo vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ gần nhiệt độ phòng — giấc mơ của giới vật lý từ giữa thập niên 1980, và là chìa khóa cho những ứng dụng như nam châm cực mạnh trong máy chụp cộng hưởng từ, truyền tải điện không hao tổn, hay các thiết bị đo siêu nhạy.