Một đặc tính kỳ diệu của một số vật liệu là dưới một nhiệt độ nhất định (tùy theo từng chất) điện trở suất của vật liệu bằng không, độ dẫn điện trở nên vô cùng. Đó là hiện tượng siêu dẫn. Hiện tượng lý thú này được phát hiện lần đầu tiên ở thủy ngân cách đây gần một thế kỷ (năm 1911) ở vùng nhiệt độ gần không độ tuyệt đối (≤ 4,2 K). Sau này, tính chất siêu dẫn đã được tìm thấy ở hàng loạt kim loại, hợp kim và hợp chất. Ngoài đặc tính siêu dẫn, người ta còn phát hiện thấy, với chất siêu dẫn từ trường bên trong nó luôn luôn bằng không và hiện tượng xuyên ngầm lượng tử…
Mãi hơn 40 năm sau, hiện tượng kỳ lạ của chất siêu dẫn đã được lý giải bằng lý thuyết vi mô. Theo đó, khác với các chất dẫn điện thông thường, ở trạng thái siêu dẫn, hiện tượng dẫn điện là do các cặp điện tử kết hợp với nhau và khi chuyển động tạo nên dòng điện, các cặp không bị mất mát năng lượng và điện trở suất bằng không.
Với các đặc tính nêu trên, các chất siêu dẫn đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực điện, điện tử… Các thiết bị có độ nhạy, độ tin cậy cực cao đã được chế tạo. Một ví dụ: thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ dùng trong các bệnh viện để chuẩn đoán chính xác bệnh tật trong con người không thể không sử dụng cuộn dây tạo từ trường bằng dây siêu dẫn.
Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao được phát hiện cách đây hơn 20 năm đã mở ra triển vọng to lớn trong việc nghiên cứu, ứng dụng các chất siêu dẫn. Để sử dụng các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, chỉ cần dùng tới nitơ lỏng (nhiệt độ sôi là 77 K hay -196οC) với giá thành hạ hơn hàng trăm lần so với dùng chất siêu dẫn thông thường.

Tập tài liệu này cung cấp cho độc giả các nội dung sau:

  • Giới thiệu tổng quát về các chất siêu dẫn (nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao);
  • Các đặc tính đặc biệt của các chất siêu dẫn và các lý thuyết lý giải hiện tượng siêu dẫn;
  • Các ứng dụng của chất siêu dẫn.

Nội dung tài liệu này đã được dùng để giảng dạy nhiều năm (được cập nhập hàng năm) cho sinh viên các năm cuối và học viên cao học các ngành khoa học tự nhiên, khoa học kỹ thuật…

Tài liệu này có thể bổ ích cho các nghiên cứu sinh và những ai quan tâm, tìm hiểu về siêu dẫn.
Tác giả xin cảm ơn những ý kiến góp ý của các độc giả.

Hà Nội, tháng 9 năm 2008
Tác giả

Liên hệ tác giả GS.TSKH. Thân Đức Hiền

Email: hien@itims.edu.vn

MỤC LỤC

Trang

Lời nói đầu     – p3
Mục lục    – p5
Chương 1: Hiện tượng siêu dẫn và các vật liệu siêu dẫn    – p9
1.1. Hiện tượng siêu dẫn     – p9
1.1.1. Khái niệm    – p9
1.1.2. Điện trở không    – p9
1.1.3. Cảm ứng từ bên trong chất siêu dẫn B = 0    – p11
1.2. Các chất siêu dẫn    – p13
1.2.1. Các nguyên tố kim loại tinh khiết    – p14
1.2.2. Các hợp kim siêu dẫn    – p16
1.2.3. Các hợp chất siêu dẫn chứa oxy    – p18
1.2.4. Các hợp chất siêu dẫn carbit bo    – p18
1.2.5. Các tinh thể siêu dẫn dạng Fullerences C60     – p19
1.2.6. Các hợp chất siêu dẫn hữu cơ    – p20
1.2.7. Các hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao    – p20
1.3. Lịch sử phát hiện và nghiên cứu vật liệu siêu dẫn     – p21
Chương 2: Chất siêu dẫn loại I    – p23
2.1. Lý thuyết cổ điển về điện trở không     – p23
2.2. Phương pháp xác định điện trở không    – p24
2.3. Vòng dây không có điện trở     – p24
2.4. Sự phân bố dòng điện trong mạch siêu dẫn     – p25
2.5. Mẫu hai chất lỏng điện tử và ảnh hưởng của dòng xoay chiều lên tính chất siêu dẫn     – p26
2.6. Tính chất từ của dây dẫn lý tưởng    – p27
2.7. Hiệu ứng Meissner     – p29
2.8. Độ từ thẩm và độ cảm từ của chất siêu dẫn     – p30
2.9. Độ thấm sâu London (L)    – p31
2.10. Một số tính chất nhiệt của chất siêu dẫn    – p33
2.10.1. Nhiệt dung    – p33
2.10.2. Độ dẫn nhiệt    – p34
2.10.3. Các hiệu ứng (ảnh hưởng) cơ học    – p34
2.10.4. Các hiệu ứng nhiệt điện    – p34
Chương 3: Một số lý thuyết bán thực nghiệm về siêu dẫn    – p36
3.1. Lý thuyết nhiệt động học về chất siêu dẫn    – p36
3.1.1. Hệ quả liên quan tới điện trở không    – p36
3.1.2. Lý thuyết London    – p38
3.1.3. Ứng dụng lý thuyết London    – p41
3.2. Từ trường tới hạn của chất siêu dẫn     – p42
3.2.1. Năng lượng tự do của chất siêu dẫn    – p42
3.2.2. Sự thay đổi theo nhiệt độ của từ trường tới hạn    – p44
3.2.3. Độ từ hóa của các chất siêu dẫn    – p44
3.3. Nhiệt động học của sự chuyển sang trạng thái siêu dẫn     – p46
3.3.1. Entropi của trạng thái siêu dẫn    – p46
3.3.2. Chuyển pha loại I và chuyển pha loại II trong chất siêu dẫn    – p47
3.3.3. Nhiệt dung mạng tinh thể và nhiệt dung điện tử    – p48
Chương 4: Dòng điện trong chất siêu dẫn    – p51
4.1. Dòng tới hạn     – p51
4.2. Cường độ dòng điện trong dây dẫn     – p52
4.3. Phương pháp xác định dòng tới hạn (JC)     – p54
4.3.1. Phương pháp đo JC    – p54
4.3.2. Phương pháp mẫu Bean    – p55
4.4. Sự lan truyền nhiệt     – p56
4.5. Trạng thái trung gian tạo bởi dòng điện    – p58
Chương 5: Lý thuyết vi mô về siêu dẫn    – p59
5.1. Tổng hợp các tính chất của trạng thái siêu dẫn    – p59
5.1.1. Điện trở không    – p59
5.1.2. Cấu trúc tinh thể    – p60
5.1.3. Nhiệt dung điện tử    – p60
5.1.4. Trật tự xa    – p61
5.1.5. Hiệu ứng đồng vị    – p61
5.2. Khái niệm khe năng lượng     – p61
5.3. Lý thuyết Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS)    – p62
5.3.1. Các vấn đề cần giải thích    – p62
5.3.2. Tương tác điện tử – mạng tinh thể    – p62
5.3.3. Bài toán Fröhlich     – p63
5.3.4. Cặp Cooper    – p64
5.3.5. Trạng thái cơ bản của siêu dẫn    – p68
5.3.6. Các tính chất của trạng thái cơ bản BCS    – p70
5.3.7. Khe năng lượng và hệ quả    – p70
5.3.8. Lý thuyết BCS giải thích các tính chất vĩ mô của chất siêu dẫn    – p72
Chương 6: Chất siêu dẫn loại II    – p78
6.1. Các đặc tính của chất siêu dẫn loại II    – p78
6.2. Năng lượng mặt của các chất siêu dẫn     – p78
6.3. Trạng thái hỗn hợp (trung gian)    – p80
6.4. Mô tả chi tiết hơn về trạng thái trung gian của siêu dẫn loai II    – p81
6.5. Hằng số Ginzburg-Landau của kim loại và hợp kim    – p83
6.6. Từ trường tới hạn dưới và từ trường tới hạn trên của chất siêu dẫn loại II     – p84
6.6.1. Từ trường tới hạn dưới HC1    – p84
6.6.2. Từ trường tới hạn trên HC2    – p84
6.6.3. Từ trường tới hạn nhiệt động HC    – p85
6.6.4. Giá trị HC2    – p86
6.6.5. Giới hạn thuận từ    – p86
6.7. Từ độ của siêu dẫn loại II     – p86
6.8. Cách xác định κ    – p87
6.9. Hiện tượng trễ của đường cong từ độ và cảm ứng từ     – p88
6.10. Nhiệt dung của chất siêu dẫn loại II     – p88
Chương 7: Hiện tượng xuyên ngầm trong chất siêu dẫn    – p90
7.1. Các quá trình xuyên ngầm    – p90
7.2. Sơ đồ mức năng lượng của chất siêu dẫn    – p91
7.3. Xuyên ngầm giữa kim loại thường và chất siêu dẫn    – p92
7.4. Xuyên ngầm giữa hai chất siêu dẫn giống nhau    – p94
7.5. Xuyên ngầm giữa hai chất siêu dẫn khác loại    – p95
7.6. Hiệu ứng Josephson    – p96
7.6.1. Các dạng tiếp xúc Josephson    – p96
7.6.2. Hiệu ứng Josephson một chiều (dừng)    – p97
7.6.3. Hiệu ứng Josephson xoay chiều (không dừng)    – p99
7.6.4. Giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID)    – p101
7.6.5. Sơ đồ thực nghiệm của SQUID    – p103
Chương 8: Các chất siêu dẫn nhiệt độ cao    – p105
8.1. Mở đầu    – p105
8.2. Các nhận xét về vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS)    – p106
8.3. Các hợp chất siêu dẫn 5 thành phần    – p108
8.3.1. Cấu trúc tinh thể    – p109
8.3.2. Cấu trúc và nhiệt độ TC    – p111
8.4. Chất siêu dẫn nhiệt độ cao 4 thành phần YBa2Cu3O7- (YBCO)    – p112
8.4.1. Cấu trúc tinh thể    – p112
8.4.2. Sự thay đổi TC của YBCO theo nồng độ oxy    – p113
8.4.3. Các HTS chứa nguyên tố đất hiếm    – p115
8.5. Các hạt tải pha tạp trong HTS     – p116
8.5.1. Pha tạp lỗ trống trong La2CuO4 (2.1.4)    – p116
8.5.2. Pha tạp điện tử trong Nd2CuO4 (2.1.4)    – p117
8.5.3. Nhận xét chung    – p117
8.6. Trật tự từ trong HTS    – p119
8.7. Một số thông số vật lý cơ bản của HTS    – p121
8.8. Chất siêu dẫn MgB2     – p122
Chương 9: Các ứng dụng của vật liệu siêu dẫn    – p124
9.1. Mở đầu    – p124
9.2. Sử dụng hiệu ứng điện trở không    – p127
9.2.1. Chế tạo nam châm siêu dẫn có từ trường cao    – p127
9.2.2. Các nam châm siêu dẫn trong nghiên cứu cơ bản     – p129
9.2.3. Các nam châm siêu dẫn dùng trong lò phản ứng nhiệt hạch    – p130
9.2.4. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân và ảnh cộng hưởng (MRI)     – p130
9.2.5. Các máy tuyển từ siêu dẫn    – p132
9.2.6. Ứng dụng trong công nghiệp điện    – p133
9.3. Ứng dụng hiệu ứng Meissner: hiệu ứng nâng    – p136
9.3.1. Hệ vận tải nâng bằng từ    – p136
9.3.2. Các giá đỡ từ    – p137
9.3.3. Các màn chắn từ    – p137
9.3.4. Động cơ điện không tiếp xúc    – p138
9.4. Ứng dụng hiệu ứng lượng tử: điện tử học siêu dẫn    – p139
9.4.1. Cảm biến giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID)    – p139
9.4.2. Điện tử học lượng tử từ thông    – p141
9.4.3. Thiết bị thu phát sóng viba    – p141
9.5. Một số ví dụ về ứng dụng siêu dẫn nhiệt độ cao trong lĩnh vực công suất lớn    – p142
Phụ lục I. Các kí hiệu dùng trong sách    – p145
Phụ lục II. Định nghĩa một số từ và cụm từ liên quan đến siêu dẫn    – p149
Phụ lục III. Các hằng số vật lý thường dùng    – p157
Phụ lục IV. Một số đại lượng vật lý qui đổi    – p159
Tài liệu tham khảo    – p160