Hy vọng và thất vọng trong nghiên cứu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng
Cho dù việc tái hiện siêu dẫn ở nhiệt độ phòng không thành công, có thêm chút hy vọng vẫn luôn tốt.
Bởi một nhóm các học giả Hàn Quốc đã công bố hai bài báo, tuyên bố một bước đột phá lớn trong lĩnh vực vật lý học, thế giới chấn động nhưng cũng bán tín bán nghi. Một số đồng nghiệp cố gắng lặp lại thí nghiệm hoặc tính toán để xác minh khả năng thực thi, trong khi một số học giả khác cảnh báo công chúng đừng vội vàng.
Nay, việc lặp lại thí nghiệm có tiến triển mới – tổng thể không lạc quan, nhưng xuất hiện những dấu hiệu tích cực – ngành học vẫn còn nghi ngờ, nhưng thị trường vốn đã bùng nổ.
Đó là chuỗi sự kiện diễn ra trong hơn mười ngày qua xung quanh bước đột phá về siêu dẫn ở nhiệt độ phòng.
“Nếu coi nhỏ, đây là công trình đoạt giải Nobel, nếu coi lớn, đây là nghiên cứu thay đổi tiến trình phát triển của loài người,” Giáo sư Sun Yue từ Khoa Vật lý Đại học Đông Nam nói với CAVOI CAVOI. Ông đã nghiên cứu siêu dẫn hơn mười năm và đã trải qua bốn, năm sự kiện “lừa dối” tương tự về siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, lần này ông vẫn nhanh chóng tham gia vào việc tái hiện, “Bước đột phá về siêu dẫn ở nhiệt độ phòng quá quan trọng.”
Điều này cũng giải thích tại sao ít nghiên cứu khoa học nào như siêu dẫn ở nhiệt độ phòng lại một lần nữa một nhóm nghiên cứu tuyên bố đạt được bước đột phá lớn, nhưng sau đó nhanh chóng bị bỏ qua vì nhóm nghiên cứu khác không thể tái hiện kết quả. Tuy nhiên, chỉ cần một nhóm nghiên cứu khác tuyên bố bước đột phá mới, vẫn sẽ gây chú ý và theo dõi.
Khi đội ngũ của Viện Hàn lâm Khoa học Hàn Quốc công bố vào ngày 22 tháng 7, sử dụng quy trình sản xuất vật liệu tương đối hoàn thiện, dữ liệu thí nghiệm và một số đoạn video về hiện tượng ma sát từ tính, tuyên bố rằng họ đã tạo ra một loại vật liệu gọi là LK-99 có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng và áp suất thường, kỳ vọng của mọi người lại một lần nữa được nâng cao.
Các nhóm nghiên cứu đã đầu tư nguồn lực để tái hiện nghiên cứu, chủ yếu mong đợi có thể phát hiện ra mẫu vật tồn tại cùng lúc hai đặc điểm sau ở nhiệt độ dưới 127°C:
- Không điện trở: Giống như có một con sông, nước chảy trong sông gặp phải các vật cản như đá, cành cây, giống như dòng điện chảy trong dây dẫn gặp phải điện trở. Các vật cản trong sông làm chậm tốc độ dòng chảy và tạo ra xoáy nước, tương tự, điện trở cũng làm chậm dòng điện và tạo ra nhiệt, điều này có nghĩa là năng lượng điện bị hao phí. Trong một siêu dẫn thể, điện trở biến mất.
- Kháng từ hoàn toàn: Các vật liệu thông thường khi đặt trong từ trường, các đường từ thông thường xuyên xuyên xuyên qua chúng. Nhưng siêu dẫn thể có thể hoàn toàn đẩy ngược các đường từ thông. Nếu bạn đặt một siêu dẫn thể trên một nam châm, siêu dẫn thể sẽ bị đẩy ra và treo lơ lửng trong không khí. Khi siêu dẫn thể cách ly từ trường, nó cũng làm tăng cường từ trường bên ngoài, gần như không có hao phí năng lượng. Do đó, siêu dẫn thể thường được sử dụng để làm nam châm siêu mạnh.
Với các đặc điểm không điện trở và kháng từ hoàn toàn của siêu dẫn thể, các nhà khoa học đã chế tạo ra máy quét cộng hưởng từ hạt nhân và thúc đẩy hiệu quả đáng kể trong việc nghiên cứu công nghệ hạt nhân kiểm soát, máy tính lượng tử, v.v. Hiện nay, để cho tất cả điều này hoạt động, cần phải tạo ra môi trường cực lạnh (-269°C ~ -196°C) với chi phí khổng lồ. Máy quét cộng hưởng từ hạt nhân trong bệnh viện chứa khí heli lỏng có giá hàng chục nghìn đô la để duy trì nhiệt độ cực lạnh, cần bổ sung định kỳ vài tháng một lần; máy tính lượng tử siêu dẫn chỉ thiết bị làm mát đã tiêu tốn vài triệu thậm chí hàng chục triệu đô la.
Nếu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng có thể trở thành hiện thực và được phổ biến rộng rãi, điều này sẽ khiến vật liệu và ứng dụng siêu dẫn không còn đắt đỏ, đồng thời cũng biến một số điều không thể thành có thể. Từ việc xây dựng lưới điện hiệu quả hơn, đến việc cho phép nhiều bệnh nhân sử dụng các xét nghiệm cộng hưởng từ hạt nhân rẻ hơn, tàu hỏa từ trường siêu tốc có thể đạt 600 km/h hoặc nhanh hơn có thể trở nên phổ biến như tàu cao tốc, khó khăn trong việc phát triển công nghệ hạt nhân kiểm soát và máy tính lượng tử cũng giảm đi.
Mẫu vật không tái hiện được đặc tính siêu dẫn, mô phỏng tính toán cho thấy “khả thi”
Tuần vừa qua, Giáo sư Sun Yue và nhóm của ông chỉ có thể nghỉ ngơi ngắn hạn giữa các khoảng thời gian thí nghiệm. Ngay từ khi nhìn thấy bài báo của đội ngũ Hàn Quốc, họ đã hành động, mua nguyên liệu, và tái hiện nghiên cứu theo chi tiết thí nghiệm được công bố bởi đội ngũ nghiên cứu Hàn Quốc, có lúc họ làm việc hơn 20 giờ một ngày.
“Bài báo vẫn còn những mâu thuẫn và mơ hồ, ví dụ như ‘tiền thân’ nung (một phương pháp xử lý nguyên liệu), ban đầu bài báo nói trong không khí, nhưng hình ảnh đính kèm lại hiển thị trong chân không; theo tỷ lệ phần trăm của đồng và phốt pho mà họ đưa ra, không thể tạo ra tiền thân,” Sun Yue nói.
Họ dựa vào kinh nghiệm nghiên cứu trước đây, thử nghiệm ở những điểm mơ hồ, kết hợp 3 cặp thiết lập, bao gồm môi trường nung khác nhau (chân không hoặc không khí), hai tỷ lệ nguyên liệu khác nhau và hai thời gian nung khác nhau (10 giờ hoặc 20 giờ), cuối cùng tạo ra 8 mẫu vật, phân tích bằng “phân tích nhiễu X-quang” sau đó phát hiện “cấu trúc cơ bản hoàn toàn giống nhau” với đội ngũ Hàn Quốc.
Đáng tiếc là, họ không phát hiện được dấu hiệu mẫu vật là siêu dẫn – gần như không có tính kháng từ, chứ chưa nói đến việc treo lơ lửng. Kết luận của nhóm nghiên cứu Học viện Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh và Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Ấn Độ cũng tương tự như nhóm của Sun Yue.
Tuy nhiên, một số nhóm, ví dụ như nhóm Khoa Vật lý của Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Hoa, đã tái hiện một số tiến bộ. Thành viên nhóm đã đăng video trên Bilibili vào ngày 1 tháng 8, cho thấy khi dùng một nam châm từ dưới lên tiếp cận mẫu vật, nó sẽ “đứng thẳng”, thể hiện đặc trưng kháng từ giống như LK-99 (phosphat canxi doped đồng).
Tuy nhiên, đặc điểm này không chắc chắn nó là vật liệu siêu dẫn. Video cũng không thể hiện kết quả thử nghiệm điện trở. “Chỉ có một mẫu vật khoảng vài chục micromet, thử nghiệm điện trở sẽ phá hủy mẫu vật, đang làm mẫu vật mới,” một nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Hoa nói.
Ngoài việc nung trực tiếp mẫu vật để tái hiện, một số nhà nghiên cứu khác dùng máy tính siêu cấp để mô phỏng, xem xét liệu vật liệu mới có thể là vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng hay không. Cũng vào ngày 1 tháng 8, nhà nghiên cứu Sinéad M. Griffin từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley đã công bố một bài báo trên arXiv, tuyên bố rằng họ đã mô phỏng tính toán đối với vật liệu LK-99 bằng siêu máy tính của Bộ Năng lượng Mỹ, cho rằng nó có các tính chất của vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng trong thế giới thực.
Hiện tại, chưa có nhóm nào thực sự tái hiện được vật liệu mà nhóm Hàn Quốc tuyên bố có thể thực hiện siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Các tiếng nghi ngờ từ các nhà khoa học cũng xuất hiện liên tục, cho rằng nhóm Hàn Quốc có thể chỉ tạo ra “vật liệu có kháng từ yếu ở nhiệt độ phòng, không phải siêu dẫn thể”.
Tuy nhiên, so với các nghiên cứu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng trước đây, tình hình đối với việc tái hiện nghiên cứu của nhóm Hàn Quốc đã khá hơn một chút. Sự thay đổi tinh tế này cũng khiến thị trường vốn hứng khởi, nhiều cổ phiếu siêu dẫn trên thị trường chứng khoán A đã tăng giá liên tục hai ngày, cổ phiếu của American Superconductor trên thị trường chứng khoán Mỹ đã tăng 60%.
Nhóm nghiên cứu Hàn Quốc vẫn đang thêm nhiều thông tin quá trình thí nghiệm, họ chấp nhận phỏng vấn đề cập đến tình trạng vỡ ống thủy tinh trong quá trình thí nghiệm. “Oxy nóng khi nào vào? Có thể có tác dụng xúc tác?” Một giáo sư Khoa Vật lý Đại học Thanh Hoa cho rằng những yếu tố này có thể ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình nung mẫu.
Thông tin mới xuất hiện, nghiên cứu tái hiện mới cũng tiếp tục. Đối với thông tin về ống thủy tinh vỡ, Sun Yue sẽ tiếp tục điều chỉnh quy trình thí nghiệm, ví dụ như thêm oxy, không khí ở các giai đoạn khác nhau khi nung mẫu, mô phỏng tác động do vỡ. Ông cũng đang cân nhắc thử nghiệm các cách làm mát khác, trong lần nung đầu tiên 8 mẫu, họ chọn làm mát mẫu từ từ, sau này có thể thử làm lạnh trực tiếp ở nhiệt độ cao, điều này có thể cũng ảnh hưởng đến đặc tính mẫu.
Về nghiên cứu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng của Hàn Quốc còn một biến số từ chính nhóm nghiên cứu. Một trong những tác giả chính của nghiên cứu, Lee Sukbae, chấp nhận phỏng vấn của Yonhap News, cho biết nhóm nghiên cứu thực sự chưa sẵn sàng công bố bài báo, là đồng nghiệp đã công bố mà không có sự đồng ý của các tác giả khác, nhóm hiện đang yêu cầu trang web arXiv gỡ bỏ bài báo. Cho đến khi viết bài này, bài báo vẫn chưa được gỡ xuống.
Một lĩnh vực mà hy vọng và thất vọng luân phiên xuất hiện
Sau khi Heike Kamerlingh Onnes, một nhà vật lý Hà Lan, phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn này vào năm 1911 bằng cách sử dụng khí heli lỏng ở -269°C, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu sử dụng nhiệt độ cực thấp như một “công cụ” để thử nghiệm từng nguyên tố trong bảng tuần hoàn, phát hiện ra rằng chỉ cần nhiệt độ đủ thấp, hầu hết các nguyên tố đều có thể siêu dẫn và có đặc tính kháng từ mà Walther Meissner và những người khác đã phát hiện ra vào năm 1933.
Nhưng nhanh chóng, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng nhiệt độ tối đa mà họ phát hiện ra để nguyên tố có thể siêu dẫn nằm dưới -243°C. Giống như các nhóm nghiên cứu khác đã tuyên bố tìm thấy nguyên tố siêu dẫn ở nhiệt độ giới hạn cao hơn, nhưng cũng khó được tái hiện.
-243°C trở thành giới hạn mà các nhà khoa học nghĩ rằng không thể vượt qua, giống như một mái vòm kính che phủ ngành công nghiệp, khiến nhiều nhà nghiên cứu nghĩ rằng con đường này không thể đi, thậm chí chuyển sang lĩnh vực khác, nghiên cứu siêu dẫn một thời gian dài rơi vào khủng hoảng.
Đến năm 1986, sau 75 năm kể từ khi phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn, các nhà nghiên cứu của IBM, Georg Bednorz và những người khác đã dựa vào vật liệu gốm để phá vỡ giới hạn nhiệt độ của siêu dẫn, mở ra kỷ nguyên nghiên cứu siêu dẫn “nhiệt độ cao”.
Các siêu dẫn “nhiệt độ cao” thực chất chỉ là tương đối “nhiệt độ cao”, những vật liệu siêu dẫn này vẫn cần nhiệt độ cực lạnh -196 °C. Tuy nhiên, sự chênh lệch nhiệt độ khoảng 50 độ mang lại một lợi ích lớn, công cụ làm lạnh siêu dẫn chuyển từ khí heli lỏng sang khí nitơ lỏng, rẻ hơn hơn 90% so với khí heli lỏng ban đầu.
Những bước đột phá này không chỉ quan trọng về mặt kỹ thuật, mà còn giúp phá vỡ rào cản tâm lý của các nhà nghiên cứu, khuyến khích họ dám theo đuổi mục tiêu lớn hơn: siêu dẫn ở nhiệt độ phòng.
Nhiệt độ phòng cao hơn nhiều so với “nhiệt độ cao”, nó chỉ là khoảng nhiệt độ bình thường trên Trái Đất, ngành công nghiệp thường mặc định là 27°C. Trong thập kỷ gần đây, nhiều nhóm nghiên cứu đã tuyên bố đã đạt được siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, thậm chí có nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra nó hai lần:
- Năm 2016, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Leipzig ở Đức đã công bố trên Tạp chí Vật lý Mới (New Journal of Physics), cho biết họ đã tìm thấy một vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng trong một mỏ than đá ở Brazil.
- Năm 2018, một nhóm nghiên cứu tại Học viện Khoa học và Công nghệ Ấn Độ đã công bố trên arXiv, tuyên bố đã phát hiện ra vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng và công bố một số dữ liệu thí nghiệm.
- Năm 2020 và 2023, giáo sư vật lý Ranga Dias tại Đại học Rochester đã hai lần công bố trên tạp chí Nature, tuyên bố đã tìm thấy vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, nhưng cần điều kiện áp suất cao.
Giáo sư Luo Huiqian tại Viện Vật lý thuộc Học viện Khoa học Trung Quốc đã tóm tắt những nghiên cứu “siêu dẫn ở nhiệt độ phòng” này trong cuốn sách “Siêu dẫn ‘Nhỏ’: Một Sử ký”: “Khó có thể đứng vững trước sự tra cứu và kiểm chứng, chúng khó được tái hiện thí nghiệm – có những nghiên cứu chưa công bố cấu trúc hoặc phương pháp chế tạo, có những hiện tượng thí nghiệm rất có thể là giả mạo, có những dữ liệu thí nghiệm rất có thể không đáng tin cậy.”
Kết quả cuối cùng là, những bước đột phá được cho là quan trọng này bị bỏ qua. Ví dụ, bài báo của Ranga Dias năm 2020 trên tạp chí Nature đã bị rút lại do quá nhiều nghi ngờ từ các đồng nghiệp.
Hy vọng và kỳ vọng vẫn nhiều hơn một chút
“Tại sao siêu dẫn ở nhiệt độ phòng lại khó như vậy?” Nghe thấy câu hỏi này, Sun Yue im lặng một lát rồi nói: “Tôi cũng không biết.”
Điều này có thể là điểm khó khăn nhất trong nghiên cứu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, ngay cả những nhà nghiên cứu dày dạn cũng không có hướng nghiên cứu tốt, bởi vì cho đến nay con người vẫn chưa hiểu đầy đủ về nguyên lý của siêu dẫn thể.
So với nghiên cứu vật lý lượng tử, trong quá trình nghiên cứu siêu dẫn thể, nghiên cứu lý thuyết thường chậm hơn sự phát hiện của vật liệu. Sau khi Heike Kamerlingh Onnes phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn, các nhà nghiên cứu đã mất hàng thập kỷ để hiểu tại sao các nguyên tố lại không có điện trở ở nhiệt độ cực thấp.
Einstein, Heisenberg, Bohr, Pauli và những nhà vật lý lượng tử hàng đầu khác đã cố gắng đưa ra lý thuyết giải thích hiện tượng siêu dẫn, cuối cùng đều không thành công. Cho đến năm 1957, lý thuyết BCS của John Bardeen, Leon Cooper và những người khác mới có thể giải thích hiện tượng siêu dẫn ở mức độ vi mô và được công nhận bởi cộng đồng.
“Đến một mức độ nào đó, chúng thậm chí còn vượt ra ngoài khả năng hiểu biết và kiểm soát của các nhà vật lý lý thuyết hiện tại,” Luo Huiqian viết trong cuốn sách. “Một vạn nhà vật lý lý thuyết, sẽ có một vạn lý thuyết về siêu dẫn ở nhiệt độ cao, ngay cả khi dữ liệu thực tế chỉ có một.”
Điều này có nghĩa là, nghiên cứu siêu dẫn ở nhiệt độ cao, đặc biệt là siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, là một quá trình khám phá mang tính ngẫu nhiên. Các vật liệu siêu dẫn quan trọng như siêu dẫn đồng và siêu dẫn sắt đều được phát hiện vô tình trong các nghiên cứu khác không liên quan đến siêu dẫn. Nhiều người đùa rằng việc tìm kiếm vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng giống như “thuật luyện đan” và không phải không có lý do.
Tuy nhiên, trong quá trình tìm kiếm vật liệu, các nhà nghiên cứu cũng sử dụng một số công cụ hỗ trợ, giống như “nhiệt độ cực thấp” khi siêu dẫn mới được phát hiện, trong việc nghiên cứu siêu dẫn ở nhiệt độ cao và nhiệt độ phòng, các nhà nghiên cứu cũng tìm thấy công cụ mới – áp suất.
“Vật liệu không siêu dẫn, ép một chút, có thể trở thành siêu dẫn. Vật liệu đã siêu dẫn, ép một chút, có thể tăng nhiệt độ giới hạn. Đối với siêu dẫn ở nhiệt độ cao, ép một chút, có thể phá vỡ kỷ lục nhiệt độ giới hạn,” Luo Huiqian viết.
Cho đến nay, chỉ có nhóm của Ranga Dias đã tạo ra vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng bằng cách sử dụng công cụ áp suất này, nhưng không có nhóm nào khác có thể tái hiện nghiên cứu của họ.
Những khó khăn nhưng cũng đầy tiềm năng để thay đổi thế giới, siêu dẫn ở nhiệt độ phòng cũng trở thành nguồn cảm hứng cho các tác phẩm khoa học viễn tưởng. Trong bộ phim Avatar, cốt truyện về hành tinh Pandora thu hút sự chú ý của loài người chủ yếu vì nơi này có lượng lớn vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng.
Trên Trái Đất, liệu các nhà nghiên cứu có thể tìm thấy vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, và họ sẽ tìm thấy nó như thế nào, vẫn là một ẩn số. Điều chắc chắn là, mọi người luôn giữ hy vọng và có các nhà nghiên cứu không ngừng tìm kiếm nó.
Trong quá trình này, giống như các đợt sóng tái hiện đã xuất hiện nhiều lần trong những năm gần đây, mỗi lần xuất hiện một khả năng mới, ngay cả các nhà nghiên cứu thận trọng nghi ngờ cũng không muốn vắng mặt.
Sau tất cả, không có lý thuyết nào giúp các nhà nghiên cứu tìm thấy nó, cũng không có lý thuyết nào khẳng định rằng không thể tìm thấy nó.
Siêu dẫn ở nhiệt độ phòng cũng là một hướng quan trọng đủ để cố gắng và nỗ lực.
Đối với việc theo đuổi vật liệu siêu dẫn có thể áp dụng đại trà trong suốt một thế kỷ, phản ánh một mặt sáng của đặc tính con người: ngay cả khi hy vọng và thất vọng lặp đi lặp lại, hy vọng và kỳ vọng vẫn nhiều hơn.
Từ khóa: Siêu dẫn, Nhiệt độ phòng, Vật liệu, Nghiên cứu, Hy vọng