Các nhà vật lý tìm ra chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao mới

Một nhóm các nhà khoa học vật lý đã tìm ra một vật liệu siêu dẫn mới ở nhiệt độ rất cao, đạt kỷ lục từ trước tới nay. Kết quả nghiên cứu của họ, được hỗ trợ bởi một khoản tài trợ của Quỹ Khoa học Nga, đã được công bố trên tạp chí Vật liệu ngày nay (Material Today).

Nhóm các nhà khoa học dẫn đầu bởi Artem Oganov của Skoltech (Học viện Khoa học và kỹ thuật Skolkovo) và Viện Vật lý và Công nghệ Moscow (MIPT), và Ivan Troyan thuộc Viện Tinh thể học thuộc Viện Hàn lâm Nga (RAS) đã thành công trong việc tổng hợp thorium decahydride (ThH10), một vật liệu siêu dẫn mới ở nhiệt độ rất cao, 161 độ Kelvins, tức -112 độ C.

Cấu trúc tinh thể của thorium decahydride (ThH10).

Một tính chất thực sự đáng chú ý của vật liệu lượng tử siêu dẫn là sự mất hoàn toàn điện trở trong các điều kiện khá cụ thể và đôi khi rất khắc nghiệt. Mặc dù có tiềm năng to lớn cho máy tính lượng tử và máy dò có độ nhạy cao, việc ứng dụng chất siêu dẫn bị cản trở bởi các đặc tính có giá trị của chúng thường chỉ có ở điều kiện nhiệt độ rất thấp hoặc áp suất cực cao.

Cho đến gần đây, danh sách các chất siêu dẫn đã đứng đầu bởi một chất siêu dẫn cuprate chứa thủy ngân (cuprate chỉ phức hợp đồng với nhiều nguyên tố khác, cuprate bắt nguồn từ tên la-tinh của đồng, cuprum), trở thành siêu dẫn ở 135 độ K, hay −138 độ C.

Năm nay, lanthanum decahydride, LaH10, đã lập kỷ lục mới −13 độ C, rất gần với nhiệt độ phòng. Thật không may, chất siêu dẫn này đòi hỏi áp lực tiếp cận tới 2 triệu atm (atmospheres – đơn vị đo áp suất), khó có thể duy trì trong các ứng dụng thực tế. Do đó, các nhà khoa học tiếp tục hành trình tìm kiếm chất siêu dẫn giữ lại các thuộc tính của nó ở điều kiện tiêu chuẩn.

Vào năm 2018, Alexander Kvashnin, một nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Oganov, đã dự đoán một vật liệu mới là thorium polyhydride, hay ThH10, đạt siêu dẫn với nhiệt độ tới −32 độ C, ổn định với áp suất dưới 1 triệu atm. Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu từ Skoltech, MIPT, Viện tinh thể và Viện Vật lý Lebedev của Viện Hàn lâm Khoa học Nga (RAS) đã thu được thành công ThH10 và nghiên cứu tính chất truyền dẫn và siêu dẫn của nó.

Phát hiện của nhóm đã chứng thực các dự đoán lý thuyết, chứng minh rằng ThH10 tồn tại ở áp suất trên 0,85 triệu atm và thể hiện tính siêu dẫn nhiệt độ cao đáng kinh ngạc. Các nhà khoa học chỉ có thể xác định nhiệt độ tới hạn ở 0,7 triệu atm và thấy nó ở nhiệt độ -112 độ C, phù hợp với dự đoán lý thuyết cho giá trị áp suất đó. Điều này làm cho ThH10 trở thành một trong những chất siêu dẫn nhiệt độ cao kỷ lục.

Giáo sư Artem Oganov từ Skoltech và MIPT, người cùng chỉ đạo nghiên cứu cho biết: "Lý thuyết hiện đại, và đặc biệt là phương pháp USPEX được phát triển bởi chính tôi và các sinh viên của tôi, một lần nữa cho thấy sức mạnh dự đoán đáng kinh ngạc của nó. ThH10 mở rộng các ranh giới của hóa học cổ điển và sở hữu các tính chất độc đáo được dự đoán về mặt lý thuyết và gần đây đã được xác nhận bằng thí nghiệm. Đáng chú ý nhất là các kết quả thí nghiệm thu được từ phòng thí nghiệm của Ivan Troyan có chất lượng rất cao."

Còn đồng chỉ đạo nghiên cứu Ivan Troyan nói thêm: "Chúng tôi đã phát hiện ra rằng, tính siêu dẫn dự đoán trong lý thuyết tồn tại được ở nhiệt độ -112 C và áp suất 0,7 triệu atm. Với sự thống nhất mạnh mẽ giữa lý thuyết và thử nghiệm, sẽ rất thú vị khi kiểm tra liệu ThH10 có thể hiện tính siêu dẫn ở nhiệt độ lên đến −30 độ C, −40 độ C và áp suất thấp hơn như dự đoán hay không".

Theo Dmitry Semenok, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Skoltech: “Thorium hydride chỉ là một trong những thành phần trong lớp siêu dẫn hydride lớn và đang phát triển nhanh chóng. Tôi tin rằng trong những năm tới, tính siêu dẫn hydride sẽ mở rộng ra ngoài phạm vi bị đông lạnh để tìm cách ứng dụng trong thiết kế các thiết bị điện tử”.

• Chất siêu dẫn và khả năng ứng dụng
• Tương lai sẽ có chất siêu dẫn hoạt động trong điều kiện nhiệt độ phòng