Các nhà vật lý thiết lập “giới hạn tốc độ” cho từ trường siêu dẫn trong tương lai

Một nhóm nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi các nhà vật lý trường Đại Học Northwestern đã xác định được một chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao – Bi-2212, một hợp chất chứa bitmut – chất siêu dẫn này có thể thích hợp cho các loại dây từ mới, cần thiết để tạo nên nam châm siêu dẫn mạnh nhất trên thế giới, một nam châm có cường độ từ trường 30 tesla (đơn vị cảm ứng từ, 1 tesla = 20.000 lần đơn vị từ trường Trái Đất).

Chất liệu hiện đang được sử dụng trong máy chụp ảnh cộng hưởng từ trường trong các bệnh viện và phòng nghiên cứu – một thỏi nguyên tố kim loại niobi siêu dẫn ở nhiệt độ thấp – đã được phát triển đến mức tốt nhất, đạt khoảng 21 tesla. Không có sợi dây nam châm siêu dẫn nào hiện tại có thể tạo ra được cường độ từ trường đạt đến 30 tesla

(Ảnh minh họa: scientificmagnetics)

“Công nghệ chất liệu mới – như công nghệ dựa trên chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao – đòi hỏi phải có một bước nhảy vọt từ 21 tesla lên đến 30 tesla,” Ông William P. Halperin, giáo sư vật lý và thiên văn học trường cao đẳng khoa học và nghệ thuật Weinberg ở Northwestern, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh được là Bi-2212 có thể hoạt động ở cùng một nhiệt độ với nhiệt độ hiện tại cho các nam châm làm bằng niobi – 4 độ Kelvin – và còn đạt được trạng thái ổn định cần thiết để tạo nên một nam châm có cường độ từ trường 30 tesla".

“Chúng tôi đang khám phá các giới hạn của thiên nhiên, và khám phá của chúng tôi đã có những ý nghĩ rất cơ bản cho việc nghiên cứu những chất siêu dẫn và cho các ứng dụng trong chụp ảnh công hưởng từ trường,” ông Halperin nói. “Giấn mơ là sẽ có được những nam châm cực mạnh mà không đòi hỏi phải có heli để làm nguội. Một ngày nào đó, những chất liệu mới có thể được khám phá tại mức vượt qua giới hạn, nhưng dĩ nhiên chưa thể thực hiện được điều này ở hiện tại.”

Một chất siêu dẫn, khi nguội đến nhiệt độ thích hợp của nó, sẽ dẫn điện mà không cần đến điện trở. Tính siêu dẫn lần đầu tiên xuất hiện trong chất Bi-2212 ở 90 độ Kelvin, nhưng ông Halperin và các đồng sự phát hiện ra rằng, trạng thái ổn định đòi hỏi phải có trong từ trường lớn chỉ có thể được tạo ra khi nhiệt độ thấp hơn 12 độ Kelvin. Nhóm nghiên cứu của ông Halperin là nhóm nghiên cứu đầu tiên thiết lập nên giới hạn này cho chất Bi-2212

“Đôi khi những gì có vẻ xấu lại có thể là tốt,” Ông Bo Chen, tác giả bài viết nói. “Các phát hiện của chúng tôi đã đặt ra giới hạn tốc độ. Nếu bạn vượt quá tốc độ này, bạn có thể sẽ gặp vấn đề. Biết được giới hạn nhiệt độ trên là một cách để có được sự an toàn.”

“Để tạo ra một nam châm có cường độ từ trường 30 tesla, chúng tôi cần một chất liệu siêu dẫn có khả năng mang một lượng điện cần thiết mà không nổ tung,” ông Halperin nói. “Chúng tôi phát hiện ra rằng, nhiệt độ vận hành cho chất chất Bi-2213 phải ở dưới 12 độ Kelvin. Tin tốt lành là có thể đạt được nhiệt độ này bằng cách làm nguội nam châm bằng chất lỏng heli. Nếu trước đó chúng tôi tìm ra giới hạn trên là 2 độ Kelvin thì rất khó để xử lý các yêu cầu về đông lạnh.”

Chụp ảnh cộng hưởng từ trường được sử dụng rộng rãi trong các bệnh viện để chuẩn đoán y khoa và các nhà khoa học tại các trường đại học, phòng thí nghiệm quốc gia và các công ty dược thậm chí còn sử dụng những công nghệ cộng hưởng từ trường mạnh hơn để nghiên cứu DNA, protein và các phân tử phức tạp khác

Khoảng một chục các phòng thí nghiệm ở Mỹ đang tận dụng từ trường lớn nhất đã được đưa vào sử dụng có cường độ 21.1 tesla, cường độ này tạo ra một từ trường mạnh gấp 10 lần chiếc máy trung bình ở bệnh viện. Chỉ cần tăng trường của nam châm lên một lượng rất nhỏ, từ 21.12 lên 22.2, cũng sẽ làm tăng chi phí của chiếc máy lên đến 2 triệu đôla.

“Trong kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ trường thì từ trường càng lớn, độ phân giải càng cao, và có thể cung cấp cho các nhà khoa học những phân tích chi tiết hơn. Nam châm có cường độ từ trường 30 tesla có thể đẩy nhanh các tiến bộ to lớn trong hóa học, sinh học và y học.” Ông Helperin nói

Bằng cách Sử dụng kỹ thuật cộng hưởng từ trường tại Phòng Thí Nghiệm Từ Trường Cao Quốc Gia ở Tallahassee (Florida), ông Halperin và nhóm nghiên cứu của mình đã nghiên cứu Bi-2212, một trong những “người yêu” của tính siêu dẫu. Để đo được tính chất của nó, họ đã đưa một đồng vị oxy 17 rất hiếm – vào trong tinh thể Bi-2212, đồng vị này hoạt động như một máy dò, rất giống chất nhuộm huỳnh quang. Sau đó, họ quyết định biểu đồ pha của chất liệu, vị trí mà ở đó chất liệu đạt được sự ổ định, điều này chứng tỏ là, không thể đạt được nhiệt độ cao và từ trường lớn cùng một lúc với nhau

“Vì bây giờ chúng ta đã có thông tin về Bi-2212 nên câu hỏi đặt ra là “Có thể thật sự tạo ra một nam châm như thế được hay không ?” Ông Halperin nói. “Tôi thật sự cũng không biết – điều này tùy thuộc vào việc xây dựng và chế tạo vật liệu để biến chúng thành các sợi dây từ. Những nhà khoa học và kỹ sư đồng nghiệp của tôi sẽ giải quyết các vấn đề chất liệu này và họ không hề thích chấp nhận trả lời “không” cho câu hỏi này.”

Thanh Vân