Kim loại tổng hợp - một loại dây dẫn mới

16

Kim loại tổng hợp - một loại dây dẫn mới

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
S. N. ARTEMENKO,
Tiến sĩ Vật lý và Toán học
A. F. VOLKOV

Điều gì dẫn dòng điện tốt nhất?

Dựa trên khả năng dẫn dòng điện, tất cả các chất rắn được chia thành ba nhóm lớn: kim loại, chất bán dẫn và chất điện môi (hoặc chất cách điện). Ở đây chúng ta có thể bổ sung thêm chất siêu dẫn - một số kim loại và hợp chất của chúng dẫn dòng điện ở nhiệt độ rất thấp mà không mất năng lượng; điện trở của chúng bằng không.

Chất dẫn điện tốt nhất là kim loại. Điện trở suất của kim loại vào khoảng $10^{-8} - 10^{-6}$ Ohm m. Chất điện môi có điện trở suất lớn hơn $10^{3}$ Ohm m. Chất bán dẫn chiếm vị trí trung gian.

Hình 1 cho thấy giá trị điện trở suất của một số kim loại, chất bán dẫn và chất điện môi. Bạn thấy đấy, điện trở suất của lõi nhỏ hơn $10^{24}$ (!) lần so với Teflon. Không có đặc tính vật lý nào thay đổi từ chất này sang chất khác nhiều như điện trở suất.

Chất điện môi, chất bán dẫn và kim loại được sử dụng rộng rãi trong công nghệ như chất cách điện. Chất bán dẫn tạo thành nền tảng của thiết bị điện tử hiện đại. Các thiết bị bán dẫn có thể được tìm thấy trong nhiều thiết bị, từ thiết bị vô tuyến gia đình đến máy tính hiện đại, việc tạo ra chúng sẽ là điều không thể nếu không có các thành phần bán dẫn. Dây kết nối được làm từ kim loại, cũng như các nhà máy điện khác nhau (máy phát điện, động cơ điện, máy biến áp, v.v.).

Gần đây, trong công nghệ bắt đầu từ sự xâm lấn và chất siêu dẫn. Ưu điểm chính của chất siêu dẫn là khả năng dẫn dòng điện mà không mất năng lượng. Đặc tính này của chất siêu dẫn hóa ra rất có giá trị không chỉ trong việc thiết kế đường dây truyền tải điện trong tương lai từ các nhà máy thủy điện mạnh đến người tiêu dùng mà còn ở những khu vực có chi phí năng lượng tương đối thấp. Đặc biệt, khi xây dựng các máy tính siêu mạnh (về số lượng thao tác được thực hiện chứ không phải về mức tiêu thụ điện năng) với tốc độ tính toán trên một bảng hoặc một nghìn triệu thao tác mỗi giây.*)

Nhược điểm cơ bản của chất siêu dẫn là cần phải làm lạnh chúng đến nhiệt độ rất thấp (sau đây gọi là hợp kim Nb “nhiệt độ cao”.$_3$Ge chỉ chuyển sang trạng thái siêu dẫn ở mức 21,3 K). Vì vậy, rõ ràng là nó rất hấp dẫn bài toán tạo ra một chất dẫn điện có thể trở thành chất siêu dẫn ở nhiệt độ bình thường hoặc ít nhất là ở nhiệt độ của nitơ lỏng bằng 77 K (nitơ lỏng rẻ hơn nhiều so với gel lỏng; hiện nay nó được sử dụng ngay cả khi vận chuyển các sản phẩm dễ hỏng). Nhiều đề xuất ban đầu đã được đưa ra theo hướng này. Những ý tưởng thú vị và đầy hứa hẹn đã được thể hiện vào năm 1964.

*) Xem bài viết của L. G. Aslamazov “Máy tính trên chất siêu dẫn” trong «Kvant» Số 11 năm 1983.

Hình 1.

19

do dự. Khi nhiệt độ tăng thêm, quá trình chuyển đổi kiểu Peierlov xảy ra trong chất và điện trở tăng. Nhưng sau khi làm nguội ở nhiệt độ khoảng 1 K, tinh thể chuyển sang trạng thái siêu dẫn! Tất nhiên, rõ ràng đây không phải là chất siêu dẫn nhiệt độ cao, mặc dù không hoàn toàn rõ ràng tại sao một chất lại chuyển từ trạng thái bán dẫn ngay lập tức sang trạng thái siêu dẫn. Có dữ liệu thực nghiệm cho thấy tính chất siêu dẫn của chất này khác với tính chất siêu dẫn của kim loại thông thường. Tuy nhiên, vẫn chưa có sự rõ ràng hoàn toàn về bản chất của chất siêu dẫn được phát hiện và câu hỏi về cơ chế của nó vẫn còn bỏ ngỏ. Nghiên cứu của nó sẽ tiếp tục.

Cơ chế dẫn truyền mới

Tình huống với đáp số đối với câu hỏi thứ hai - về sự khác biệt giữa dây dẫn Payerl bán chiều và chất bán dẫn nói chung là gì? Ở đây vật lý thành công đã được thiên nhiên khen thưởng hoàn toàn. Hóa ra, có những khác biệt như vậy và chúng quan trọng đến mức đôi khi rất khó để quyết định chất dẫn điện Peierlov thuộc về loại chất nào: kim loại, chất bán dẫn hay chất điện môi. Trong một số chất bán chiều, người ta có thể phát hiện các đặc điểm hành vi đặc trưng của tất cả các loại đó. Hơn nữa, trong chất dẫn điện Payerl, người ta quan sát thấy hiện tượng gây ra bởi hành vi tập thể của các electron và tương tự như hiện tượng xảy ra trong chất siêu dẫn. Chúng ta hãy tập trung vào một trong những khác biệt nổi bật nhất giữa dây dẫn Peierlov và các dây dẫn thông thường và nói về cơ chế dẫn truyền mới.

Mặc dù thực tế là, như chúng ta đã nói, độ dẫn của kim loại, chất bán dẫn và chất điện môi khác nhau rất nhiều về độ lớn, cơ chế dẫn điện không phụ thuộc vào nhiệt độ và là lớn nhất: một cm khối chứa khoảng $10^{22}$ electron tự do. Trong chất bán dẫn và chất điện môi ở nhiệt độ đủ thấp thực tế không có electron tự do - tất cả các electron đều tham gia vào quá trình hình thành liên kết hóa học. Khi nhiệt độ tăng lên, một phần liên kết bị phá vỡ và một số electron trở nên tự do. Trong chất bán dẫn, hiện tượng đứt gãy xảy ra dễ dàng hơn (ở nhiệt độ thấp hơn) so với chất điện môi. Chính các electron tự do tạo ra dòng điện trong chất rắn khi đặt một điện áp vào nó. Biết dao động của các nguyên tử trong mạng tinh thể cản trở chuyển động của các electron, hạn chế tốc độ trung bình của chúng. Do đó, điện trở của kim loại giảm trong quá trình làm mát - ở nhiệt độ thấp, các nguyên tử của mạng dao động yếu hơn, với biên độ nhỏ hơn. Trong chất bán dẫn và chất điện môi, chuyển động nhiệt thường làm giảm vận tốc định hướng của các electron tự do có sẵn. Chính số lượng electron này phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ: nó tăng mạnh khi nhiệt độ tăng. Khi được làm lạnh, số lượng electron tự do giảm đi và điện trở của chất bán dẫn và chất điện môi tăng lên.

Dây dẫn Peierl hoạt động như thế nào khi đặt điện áp vào nó? Trong điện trường yếu, định luật Ohm được thỏa mãn: dòng điện tỉ lệ với điện áp đặt vào $I=U/R$. Điện trở $R$ cao và tăng khi nhiệt độ tăng, như trong chất bán dẫn hoặc chất điện môi. Tuy nhiên, khi điện áp $U$ vượt quá một ngưỡng nhất định