08,12,2026 3xem
【Mạng lưới phát triển nhanhTính siêu dẫn nhiệt độ cao là một hướng quan trọng trong việc truyền tải điện hiệu quả cao và phát triển các thiết bị điện tử hiệu suất cao trong tương lai, nhưng cơ chế vi mô của nó luôn là "bí ẩn vương miện" của vật lý chất rắn.
Tối ngày 12/8 theo giờ Bắc Kinh, nhóm nghiên cứu của giáo sư Trương Viễn Ba thuộc khoa vật lý Đại học Phục Đán và các cộng tác viên với chủ đề "Superconducting 2D cuprate with a single CuO₂ plane" đã công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Nature, thành công trong việc gọt mỏng chất siêu dẫn nhiệt độ cao bằng đồng chỉ chứa một mặt phẳng siêu dẫn – tức là một mặt phẳng CuO₂ duy nhất.
"Hoạt động cực đoan" này không chỉ xác nhận bản chất hai chiều của siêu dẫn nhiệt độ cao, mà còn phát hiện ra "trạng thái kim loại bất thường" kỳ lạ và hiện tượng tới hạn lượng tử tại điểm tới hạn của quá trình chuyển đổi siêu dẫn-chất cách điện, cung cấp một nền tảng thí nghiệm lượng tử hoàn toàn mới để nghiên cứu cơ chế siêu dẫn nhiệt độ cao.
Tiếp cận giới hạn vật lý: Bước nhảy vọt từ "lớp kép" đến "lớp đơn"
Chất siêu dẫn, là một loại vật liệu có điện trở bằng không ở nhiệt độ chuyển đổi cụ thể và có khả năng chống từ tính hoàn toàn, có thể được sử dụng rộng rãi trong truyền tải điện và lưu trữ năng lượng, hình ảnh y tế, tàu maglev, máy tính lượng tử và các lĩnh vực khác, có giá trị nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ quan trọng.
Năm 1986, J. Georg Bednorz và K. Alex Müller đã phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao trong oxit đồng lanthanium barium (La-Ba-Cu-O) với nhiệt độ tới hạn lên tới 30 K ("K" là đơn vị nhiệt độ nhiệt động lực học "Kelvin", 30 K=-243,15 ° C), một kết quả đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1987. Kể từ đó, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu sâu về chất siêu dẫn nhiệt độ cao dựa trên đồng và hàng chục hệ thống vật liệu đã được phát triển. Mặc dù các chất siêu dẫn nhiệt độ cao dựa trên đồng này khác nhau về thành phần hóa học và nhiệt độ tới hạn siêu dẫn, nhưng tất cả đều có một đặc điểm chung - tính siêu dẫn được sinh ra từ một lớp cực mỏng của mặt phẳng oxy đồng hai chiều cấp nguyên tử.
Tuy nhiên, theo lý thuyết vật lý truyền thống, trong thế giới hai chiều, đạt được "trạng thái trật tự" như siêu dẫn là rất không ổn định và rất dễ bị phá hủy bởi dao động nhiệt. Tại sao siêu dẫn nhiệt độ cao có thể tồn tại ổn định trên bề mặt oxy đồng hai chiều? Đây là chìa khóa để hiểu cơ chế siêu dẫn nhiệt độ cao.
Để đối mặt với vấn đề này, chiến lược trực tiếp nhất là làm mỏng vật liệu đến mức tối đa, thậm chí giảm độ dày xuống mức nguyên tử, để quan sát sự thay đổi của tính siêu dẫn. Tuy nhiên, lớp nguyên tử oxit đồng cực kỳ mỏng manh, dễ bị ảnh hưởng bởi không khí và quá trình chế biến, hàm lượng oxy cũng khó kiểm soát chính xác ổn định, tạo ra thách thức lớn trong việc chuẩn bị và đo lường vật liệu để duy trì tính chất này.
Năm 2019, nhóm của Zhang Yuanbo và các cộng tác viên đã chuẩn bị một lớp Bi2Sr2CaCu2O8+δ và lần đầu tiên cung cấp bằng chứng thực nghiệm trực tiếp rằng một lớp siêu dẫn dựa trên đồng ở giới hạn hai chiều có các đặc tính siêu dẫn giống như một chất siêu dẫn dựa trên đồng khối, tiết lộ bản chất hai chiều của siêu dẫn nhiệt độ cao, nghiên cứu được công bố trên Nature. Lần này, nhóm nghiên cứu đã tiến thêm một bước nữa và trên cơ sở nghiên cứu trước đó, họ đã chuẩn bị thành công chất siêu dẫn oxit đồng hai chiều cực hạn chỉ chứa một mặt CuO₂ - Bi2Sr2CuO6+δ (Bi2201).
"Lần đầu tiên chúng tôi đẩy độ dày của oxit đồng từ hai lớp lên cấu trúc một lớp thực sự, đạt được xác minh giới hạn về tính siêu dẫn của oxit đồng. Dữ liệu thực nghiệm hỗ trợ mạnh mẽ quan điểm rằng'siêu dẫn nhiệt độ cao oxit đồng là hiện tượng hai chiều mạnh', cung cấp bằng chứng thực nghiệm quan trọng cho giả thuyết dài hạn này", Zhang nói.
Tự phát triển, tạo ra vũ khí nghiên cứu khoa học "Điều khiển tại chỗ".
Để chuẩn bị và đo lường mặt phẳng hai chiều cấp nguyên tử cực mỏng, cần phải vượt qua một số thử nghiệm khó khăn như vật liệu mỏng manh, dễ bị ảnh hưởng bởi quá trình xử lý và không khí, và hàm lượng oxy khó ổn định và kiểm soát chính xác. Đối mặt với hoàn cảnh khó khăn của việc thiếu thiết bị chuyên dụng trên thị trường, nhóm đề tài Zhang Yuanbo đã đi trên con đường nghiên cứu và phát triển thiết bị độc lập.
Nhóm nghiên cứu đã hoàn thành việc phân tích mẫu và chuẩn bị thiết bị trong môi trường nhiệt độ thấp của bầu không khí trơ, kết hợp với hàn lạnh vi điện cực, giải quyết vấn đề khó khăn của một lớp oxit đồng dễ bị phá hủy bởi không khí và hơi nước. Quan trọng hơn, nhóm nghiên cứu đã phát triển công nghệ điều chỉnh doping với độ chính xác cực cao, đạt được điều chỉnh đảo ngược hàm lượng oxy.
"Chúng tôi vừa đo vừa điều chỉnh chính xác hàm lượng oxy của vật liệu bằng cách kiểm soát nồng độ và nhiệt độ ozone", ông Nguyễn Uy, một trong những tác giả truyền thông, giáo sư khoa Vật lý Đại học Fudan, cho biết. Với công nghệ "quy định tại chỗ" này, nhóm nghiên cứu đã đạt được độ phân giải pha tạp lên tới δp ≈ 0,0005, cho phép quan sát một bản đồ pha vật lý hoàn chỉnh từ pha cách điện Mott đến toàn bộ mái vòm siêu dẫn.
Dựa trên các thiết bị thí nghiệm tiên tiến và công nghệ tiên tiến, họ phát hiện ra rằng nhiệt độ chuyển đổi siêu dẫn tối ưu cho vật liệu một lớp giảm khoảng 10% so với khối, điều này cho thấy độ dày thực sự ảnh hưởng đến nhiệt độ siêu dẫn. Nhưng đồng thời, vật liệu một lớp vẫn giữ nguyên các tính năng hệ thống liên kết của vật liệu khối, cho thấy rằng mặc dù độ dày giảm có thể ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển đổi siêu dẫn, các thuộc tính vật lý cốt lõi của oxit đồng vẫn được thể hiện tốt trong một mặt CuO₂ duy nhất, điều này cũng cung cấp xác minh quan trọng về các thuộc tính siêu dẫn ở giới hạn hai chiều.
Sử dụng khả năng điều chỉnh độ chính xác cao của vùng khử trùng cực thấp, nhóm nghiên cứu tiếp tục giảm nhiệt độ xuống khoảng 100 mK, khám phá sâu hơn khu vực tới hạn lượng tử của chất cách điện siêu dẫn với những khám phá bất ngờ. Nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy một hiện tượng tới hạn lượng tử kỳ lạ trong lớp đơn Bi-2201: khi nhiệt độ giảm, hành vi của thang đo phổ quát gần điểm tới hạn lượng tử thông thường bị hỏng, thay vào đó là chỉ số tới hạn hiệu quả của nó phân kỳ nhanh chóng khi nó tiếp cận vùng tới hạn, thể hiện sự kỳ dị lượng tử điển hình của Griffith.
Hơn nữa, ở giới hạn nhiệt độ bằng không, một trạng thái kim loại bất thường xuất hiện giữa siêu dẫn và cách nhiệt, với điện trở của nó là một giá trị hữu hạn khi bão hòa ở nhiệt độ thấp. Trạng thái kim loại bất thường này có thể thu được bằng cách giảm doping lỗ hoặc bằng cách cộng thêm từ trường thẳng đứng. Phát hiện này phù hợp với hình ảnh kim loại Bose: siêu dẫn nhiệt độ cao xuất hiện từ một hệ thống Bose hai chiều với khoảng cách bất lực, không siêu dòng thông qua sự thay đổi pha lượng tử.
Phát hiện này không chỉ tiết lộ các hiệu ứng chiều thực trong một mặt CuO₂ duy nhất, mà còn cung cấp một nền tảng thử nghiệm hai chiều có thể điều chỉnh cao và chất lượng cao để nghiên cứu các hiện tượng tới hạn lượng tử và các trạng thái kim loại bất thường.
Tiếp tục "đóng góp" vào lĩnh vực siêu dẫn nhiệt độ cao
Neo neo vấn đề cốt lõi, dùng thời gian vài năm công kiên khắc phục khó khăn, loại thăm dò vững bước mà đi sâu này là đặc sắc rõ nét của đoàn đội Trương Viễn Ba. Kết quả này không chỉ đẩy siêu dẫn nhiệt độ cao đến giới hạn một lớp thực sự, phát hiện ra các hiện tượng mới chưa được quan sát trước đây, mà còn đặt nền tảng vững chắc cho việc nghiên cứu cơ chế siêu dẫn nhiệt độ cao.
"Đóng góp của chúng tôi có thể được mô tả là'thêm một viên gạch'vào lĩnh vực này", nhóm nghiên cứu cho biết, nghiên cứu này lần đầu tiên đạt được cả "hệ thống sạch" và "điều chỉnh tinh vi" ở giới hạn bề mặt oxy đơn đồng, tương đương với việc cung cấp một nền tảng thử nghiệm "các biến có thể kiểm soát" cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi một cách có hệ thống con đường chuyển đổi hoàn chỉnh của siêu dẫn từ không có gì, từ yếu đến mạnh.
Đã gần bốn thập kỷ kể từ khi siêu dẫn nhiệt độ cao được phát hiện vào năm 1986, cơ chế vẫn chưa được giải mã hoàn toàn, nhưng mỗi lần tiếp cận "điều kiện giới hạn", vật liệu mỏng hơn, tinh khiết hơn và có thể kiểm soát được, là một bổ sung để đẩy ranh giới của câu trả lời sâu hơn một bước.
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục tập trung vào các vấn đề lớn trong lĩnh vực siêu dẫn nhiệt độ cao và khám phá các chất siêu dẫn nhiệt độ cao hiệu suất cao hơn; Khắc phục các vấn đề quan trọng trong quá trình chuẩn bị thiết bị vật liệu và đo lường vật chất, tiếp tục thúc đẩy nghiên cứu theo hướng vật liệu lượng tử hai chiều mới.
Giáo sư Zhang Yuanbo, Giáo sư Nguyễn Uy, Khoa Vật lý, Đại học Fudan và Giáo sư Chen Xianhui, Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, là đồng tác giả của bài báo. Các đơn vị hợp tác nghiên cứu bao gồm Đại học Fudan, Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, Đại học British Columbia, Đại học Chiết Giang, Đại học Nhân dân Trung Quốc, Đại học Giao thông Thượng Hải, Viện Vật lý Học viện Khoa học Trung Quốc, Viện Nghiên cứu Khoa học Weizmann, Đại học Thanh Hoa, v.v. Nghiên cứu này đã nhận được sự hỗ trợ của Chương trình Nghiên cứu và Phát triển Trọng điểm Quốc gia của Bộ Khoa học và Công nghệ, Chương trình Đột phá Khoa học Cơ bản và Liên ngành của Bộ Giáo dục, Chương trình Khám phá Ban đầu của Ủy ban Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia, các dự án lớn của Bộ Khoa học và Công nghệ, Ủy ban Khoa học và Công nghệ Thượng Hải, Quỹ Khoa học Nền tảng Mới và các dự án khác và vị trí đơn lẻ.
