Cấu trúc và tính chất của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao

Năm 1987, Chu và cộng sự công bố vật liệu Y-Ba-Cu-O (YBCO) có nhiệt độ chuyển pha vượt ngưỡng nitơ lỏng (77K). Vật liệu này, thường được gọi là vật liệu 1:2:3, đã thu hút sự chú ý lớn của cộng đồng khoa học. Tiếp theo đó, Maeda tìm ra vật liệu Tl-Ba-Ca-Cu-O với nhiệt độ điện trở bằng không ở 140K. Năm 1993, vật liệu HgBa2CuO4+y đạt kỷ lục 120K. Các nghiên cứu vẫn tiếp tục tìm kiếm vật liệu mới với nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (Tc) cao hơn và giải thích cơ chế siêu dẫn.

Siêu dẫn là hiện tượng vật chất có điện trở bằng không khi được làm lạnh dưới một nhiệt độ tới hạn. Hiệu ứng Meissner, đẩy hoàn toàn từ trường ra khỏi vật liệu, là một tính chất đặc trưng khác. Vật liệu siêu dẫn có khả năng dẫn điện với dòng điện không suy giảm, mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong các lĩnh vực như truyền tải điện, điện tử và y tế. Các ứng dụng của vật liệu siêu dẫn bao gồm: truyền tải điện không tổn hao, nam châm siêu dẫn trong máy MRI, và các thiết bị điện tử tốc độ cao.

Độ lấp đầy của oxy ở vị trí O(1) ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc tinh thể và tính siêu dẫn. Khi nồng độ oxy giảm, hằng số mạng thay đổi và chuyển pha cấu trúc orthorhombic sang tetragonal xảy ra. Nhiệt độ chuyển pha giảm khi giảm áp suất môi trường oxy. Sự thiếu hụt oxy chủ yếu xảy ra ở vị trí O(1), dẫn đến giảm trật tự trong các chuỗi CuO.

Chuyển pha cấu trúc orthorhombic - tetragonal xảy ra ở nhiệt độ cao (500-700°C), phụ thuộc vào áp suất môi trường oxy. Chuyển pha liên quan đến sự mất oxy, bắt đầu ở 300-400°C. Các ion Cu và oxy đóng vai trò quyết định giá trị Te. Các ion Y và Ba là các ion liên kết trong cấu trúc, nhưng không phải ion hóa trị 3+ và 2+ nào cũng có thể thay thế vào vị trí Y và Ba mà không ảnh hưởng đến giá trị Te.

Mô hình lý thuyết siêu dẫn nhiệt độ cao vẫn còn là một chủ đề nghiên cứu tích cực. Lý thuyết BCS không thể giải thích đầy đủ các tính chất của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao, đặc biệt là cơ chế hình thành cặp Cooper. Các lý thuyết thay thế như lý thuyết RVB (Resonating Valence Bond) và lý thuyết spin fluctuation đang được nghiên cứu để giải thích cơ chế siêu dẫn trong vật liệu này.

Điện trở suất của vật liệu siêu dẫn giảm tuyến tính theo nhiệt độ ở trạng thái thường. Khi đạt đến nhiệt độ Ts, điện trở bắt đầu giảm đột ngột. Nhiệt độ Tc là nhiệt độ mà tại đó điện trở bằng không. Với các mẫu đơn pha 1:2:3, ΔTc ≈ 1-3 K. Kết quả đo điện trở suất phụ thuộc vào nhiệt độ theo các hướng tinh thể khác nhau (trục a, b, c).

Mật độ dòng tới hạn Jc là giá trị mật độ dòng cực đại mà vật liệu có thể mang mà không mất tính siêu dẫn. Giá trị Jc phụ thuộc vào kích thước hạt siêu dẫn và các biên hạt. Các mẫu gốm có Jc thấp hơn so với mẫu màng mỏng do các biên hạt. Mô hình Bean được sử dụng để tính Jc từ các phép đo mô men từ.

Kỹ thuật phổ quang điện tử (ARPES) là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu cấu trúc dải năng lượng của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao. ARPES cho phép xác định các trạng thái điện tử gần mức Fermi và cung cấp thông tin về khe năng lượng siêu dẫn và sự hình thành cặp Cooper. Kết quả ARPES đã đóng góp quan trọng vào việc hiểu cơ chế siêu dẫn trong vật liệu cuprates.

Phần ảo (χ''ac) của hệ số từ hóa xoay chiều có hai cực đại liên quan đến liên kết yếu giữa các hạt siêu dẫn và vùng chuyển pha. Các cực đại liên quan đến liên kết yếu giữa các hạt siêu dẫn được bao bọc bởi biên hạt không siêu dẫn. Các cực đại liên quan đến liên kết yếu vùng chuyển pha.

Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao loại II có hai giá trị từ trường tới hạn, Hc1 và Hc2. Giá trị Hc1 được Goldfarb xác định vào cỡ 19 mT. Giá trị Hc2 được đánh giá vào cỡ 100 T ở 4.2 K. Các nghiên cứu trong từ trường cao chỉ ra tính dị hướng của mô men từ theo các phương tinh thể khác nhau.

Hiệu ứng Meissner là một trong những tính chất đặc trưng của vật liệu siêu dẫn. Khi một vật liệu trở thành siêu dẫn, nó đẩy hoàn toàn từ trường ra khỏi bên trong nó. Từ trường tới hạn (Hc) là từ trường mà trên đó tính siêu dẫn bị phá hủy. Giá trị của Hc phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần của vật liệu.

Nhiệt dung (C) là thông số quan trọng trong nghiên cứu tính chất nhiệt. Độ dẫn nhiệt K được định nghĩa là K = Cv L/3, với C là nhiệt dung, v và L tương ứng là vận tốc trung bình và quãng đường tự do trung bình của hạt mang nhiệt. Khi đo độ dẫn nhiệt của vật rắn có thể thu được những thông tin về tương tác giữa hạt tải và mạng tinh thể.

Các nghiên cứu của Ott và cộng sự đưa ra kết quả đáng ngạc nhiên khi thay thế 16O cho 18O, nhiệt độ chuyển pha Tc giảm tới 59K. Cho đến nay việc khẳng định hiệu ứng đồng vị trong vật liệu YBa2Cu3O7 là vấn đề đang được quan tâm và nghiên cứu. Thay thế đồng vị có thể thay đổi khối lượng và spin của các ion, ảnh hưởng đến tương tác giữa các điện tử và do đó ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha.

Ứng dụng trong y tế: Máy MRI sử dụng nam châm siêu dẫn để tạo ra hình ảnh chi tiết của cơ thể. Ứng dụng trong năng lượng: Truyền tải điện không tổn hao, lưu trữ năng lượng. Ứng dụng trong giao thông vận tải: Tàu đệm từ. Ứng dụng trong điện tử: Các thiết bị điện tử tốc độ cao và hiệu quả.

Tìm kiếm vật liệu mới: Nghiên cứu vật liệu pnictides, chalcopyrites, và các hợp chất khác. Nghiên cứu cơ chế: Phát triển các lý thuyết giải thích cơ chế siêu dẫn trong vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao, bao gồm lý thuyết RVB và lý thuyết spin fluctuation. Cải thiện tính chất: Nâng cao nhiệt độ chuyển pha, mật độ dòng tới hạn, và độ bền cơ học.