SIÊU DẪN

     Siêu dẫn là một hiện tượng vật lí xảy ra đối với một số vật liệu ở nhiệt độ đủ thấp và từ trường đủ nhỏ, đặc trưng bởi điện trở bằng 0 dẫn đến sự suy giảm nội từ trường (hiệu ứng Meissner). Siêu dẫn là một hiện tượng lượng tử. Trạng thái vật chất này không nên nhầm với mô hình lý tưởng dẫn điện hoàn hảo trong vật lý cổ điển, ví dụ từ thủy động lực học.

Hiệu ứng Meissner

Đường từ thông đi thẳng khi \(T>T_c\): nhiệt độ trên nhiệt độ chuyển tiếp.

Đường từ thông đi vòng khi \(T<T_c\): nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển tiếp.

Hiệu ứng Meissner hay hiệu ứng Meissner-Ochsenfeld là hiệu ứng từ thông hoàn toàn bị đẩy ra khỏi bên trong của vật siêu dẫn. Hiện tượng này là hiện tượng nghịch từ hoàn hảo. Từ thông sinh ra bởi vật siêu dẫn bù trừ hoàn toàn từ thông ở môi trường ngoài. Do đó, từ thông bên trong vật siêu dẫn bằng 0. Hiện tượng này được khám phá bởi hai nhà vật lý người Đức Walther Meissner và Robert Ochsenfeld vào năm 1933.

Trong chất siêu dẫn thông thường, sự siêu dẫn được tạo ra bằng cách tạo một lực hút giữa một số electron truyền dẫn nào đó nảy sinh từ việc trao đổi phonon, làm cho các electron dẫn trong chất siêu dẫn biểu hiện pha siêu lỏng tạo ra từ cặp electron tương quan. Ngoài ra còn tồn tại một lớp các vật chất, biết đến như là các chất siêu dẫn khác thường, phô bày tính chất siêu dẫn nhưng tính chất vật lý trái ngược lý thuyết của chất siêu dẫn đơn thuần. Đặc biệt, có chất siêu dẫn nhiệt độ cao có tính siêu dẫn tại nhiệt độ cao hơn lý thuyết thường biết (nhưng hiện vẫn thấp hơn nhiều so với nhiệt độ trong phòng). Hiện nay chưa có lý thuyết hoàn chỉnh về chất siêu dẫn nhiệt độ cao.

Sự khác biệt giữa vật siêu dẫn và vật dẫn điện hoàn hảo

Từ trường bên trong vật dẫn điện hoàn hảo và vật siêu dẫn dưới tác động của môi trường ngoài ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ thấp (nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ Curie). Từ trường bị đẩy ra khỏi vật siêu dẫn ở nhiệt độ thấp không phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Trạng thái của vật siêu dẫn ở nhiệt độ thấp là trạng thái không thuận nghịch.

Lý thuyết BCS

Lý thuyết BCS là mô hình lý thuyết vi mô được ba nhà vật lý John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer đưa ra vào năm 1957 để giải thích hiện tượng siêu dẫn. Lý thuyết này giải thích rất thành công những tính chất vi mô của hệ siêu dẫn và nhiệt động lực học của hệ. Lý thuyết này cũng rất tương thích với một mô hình định tính khác là "lý thuyết Ginzburg-Landau".

Ý tưởng cơ bản của mô hình này là khi trong hệ xuất hiện lực hút giữa các điện tử, trạng thái điện tử cơ bản của hệ chất rắn trở nên không bền so với trạng thái mà trong đó có xuất hiện cặp điện tử với spin và xung lượng trái ngược.

Lực hút giữa các điện tử này là do nguyên nhân tương tác giữa điện tử với các mode biến dạng của tinh thể mạng (phonon). Ta có thể hình dung, khi một điện tử chuyển động, tương tác của nó với mạng tinh thể làm biến dạng mạng tinh thể và điện tử đi theo sau đó sẽ dễ dàng chuyển động hơn trong tinh thể. Hai điện tử này tạo thành một cặp điện tử Cooper. Từ tương tác điện tử với các phonon ta có thể suy ra lực tương tác hút hiệu dụng giữa hai điện tử.

Với giả thiết trên về tương tác hút giữa các điện tử, bằng phương pháp trường trung bình ta có thể giải được mô hình và thu được những kết quả định lượng.

John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer đã nhận giải thưởng Nobel về vật lý năm 1972 nhờ công trình này. Tuy nhiên lý thuyết BCS chỉ áp dụng đúng cho các chất siêu dẫn cổ điển có nhiệt độ của trạng thái siêu dẫn rất thấp. Sau phát minh về các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, cho đến nay chưa có lý thuyết hoàn chỉnh nào giải thích các hiện tượng này.