Một số bài học từ một cảm giác khoa học

2

MỘT SỐ BÀI HỌC
CẢM GIÁC KHOA HỌC

Thành viên tương ứng của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô
D. A. KIRZHNITS

…trong nhiều năm nay, các nhà khoa học đã mơ ước tạo ra một chất siêu dẫn có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp.

Arthur Haley. Bánh xe

Trong những năm đầu tiên, khi thời đại cách mạng khoa học công nghệ bắt đầu với sự xuất hiện của một thế lực mới mạnh mẽ - năng lượng nguyên tử - chuyên ngành vật lý được coi là một chuyên ngành danh giá. Sau này, xã hội không chỉ nguội lạnh với những người đại diện cho nghề này mà còn bắt đầu nhìn thấy ở họ nguồn gốc của những vấn đề toàn cầu mà nhân loại đang phải đối mặt. Sự tiến hóa này được thể hiện một cách nhạy cảm qua các tư thế: những bài thơ “Một điều gì đó mà các nhà vật lý được đánh giá cao…” của Slutsky được thay thế bằng bài hát của Galich “Chính những nhà vật lý khốn nạn đã đặt cược rằng ngược lại thì quả bóng sẽ quay…”.

Có vẻ như cổ phiếu vật lý gần đây đã tăng trở lại. Điều này đi kèm với một cảm giác khoa học quan trọng - việc phát hiện ra chất siêu dẫn nhiệt độ cao (viết tắt là BC).

Người đọc sẽ tìm thấy một câu chuyện chi tiết về thế giới siêu dẫn tuyệt vời và sự khám phá ra BC trong bài viết của Viện sĩ A. A. Abrikosov “Tính siêu dẫn: lịch sử, những ý tưởng hiện đại, những thành công gần đây”, xuất bản trên số 6 của Quaenta năm 1988. Và trong bài viết này, tác giả đã cố gắng, không hy sinh mọi thứ mà người đọc cần để có được ý tưởng chung về vấn đề, để tập trung vào các khía cạnh phổ quát của nó.

1. Bạn sẽ phải bắt đầu với một bức tranh tổng thể về cấu trúc bên trong của dây dẫn (thân kim loại). nó khó

Bài viết này là văn bản mở rộng của tài liệu tại buổi tối “Cuộc đời và số phận của những khám phá khoa học” tại Nhà diễn viên trung ương mang tên. A. A. Yablochkin.

Khung được hình thành bởi một mạng tinh thể đều đặn, bao gồm các nguyên tử kim loại dao động xung quanh các nút mạng. Trong không gian giữa các nguyên tử có các electron dễ dàng di chuyển, cũng như các nguyên tử có tạp chất lạ.

Khi kết nối nguồn điện (ví dụ: pin), một dòng điện sẽ xuất hiện trong dây dẫn, tức là các electron của kim loại bắt đầu chuyển động. Chúng chắc chắn có liên quan đến các nguyên tử đang co lại của mạng và các nguyên tử tạp chất. Điều này dẫn đến sự giảm tốc của các electron với sự biến đổi chuyển động có trật tự ban đầu của chúng thành chuyển động hỗn loạn (nói cách khác là giải phóng nhiệt). Vì vậy, khi mở pin, dòng điện nhanh chóng yếu đi và năng lượng của nó chuyển thành nhiệt.

Thước đo của lực hãm như vậy là điện trở suất của dây dẫn (sau đây gọi đơn giản là điện trở). Đối với một vật liệu nhất định, nồng độ tạp chất và nhiệt độ của dây dẫn càng thấp thì càng thấp. Do đó, từ lâu người ta đã tin rằng điện trở của một dây dẫn rất tinh khiết, khi được làm lạnh đến không độ tuyệt đối (-273 °C), sẽ dần dần có xu hướng về không.

Để kiểm tra niềm tin này, nhà vật lý người Hà Lan H. Kamerlingh Onnes đã kiểm tra các phép đo vào năm 1911 về điện trở của các chất khác (kim loại ở dạng lỏng và do đó dễ dàng làm sạch) khi nó được làm nguội sâu. Lúc đầu, mọi thứ diễn ra như mong đợi: khi nhiệt độ giảm, điện trở cũng giảm. Tuy nhiên, ở nhiệt độ khoảng 4 K, trị số điện trở đột ngột giảm xuống 0 và tiếp tục biến mất khi nguội thêm.

3

Đây là cách phát hiện hiện tượng siêu dẫn - sự biến mất hoàn toàn của điện trở kim loại. Nếu một dòng điện được tạo ra trong vòng siêu dẫn và các nguồn điện bị tắt, thì dòng điện sẽ không bị suy giảm đáng kể và các dòng chảy ở xa sẽ được tìm thấy: thời gian tương ứng lớn hơn nhiều so với tuổi của Vũ trụ. Để diễn giải Sholem Aleichem, chúng ta có thể nói: “Sự phản kháng giống như tiền - nếu có thì có, còn nếu không có thì không có”.

Theo thời gian, hóa ra chất siêu dẫn có thể áp dụng được cho nhiều loại chất, mỗi chất có nhiệt độ tới hạn riêng - nhiệt độ tại đó điện trở biến mất. Khi các chất siêu dẫn mới được phát hiện, giá trị của giá trị này tăng lên, nhưng rất chậm: trong 75 năm, nó tăng từ 4 K lên 23 K - khoảng 0,2 K/năm.

Tình hình đã thay đổi hoàn toàn vào năm 1986, khi các nhà vật lý Thụy Sĩ A. Moller và G. Bedorz bắt đầu nghiên cứu một loại vật liệu mới chứa oxy, đồng và các kim loại khác - cái gọi là oxocuprates. Những vật liệu này trông không giống các chất dẫn điện thông thường (bề ngoài chúng giống các viên carbon được sản xuất ở các hiệu thuốc) và lời hứa của chúng về mặt BC có vẻ rất có thẩm quyền. Tuy nhiên, Moller và Bedorz tin vào sự thành công và không bị lừa dối bởi kỳ vọng của họ: nhiệt độ tới hạn ngay lập tức quay trở lại khoảng 40 K.

Thành công này trở thành khám phá ra BC (chính xác hơn là khám phá ra một loại vật liệu mới cực kỳ hứa hẹn xét về mặt tăng thêm nhiệt độ tới hạn). Một thời gian ngắn sau, vào đầu năm 1987, P. Chu người Mỹ đã tổng hợp oxocuprate với nhiệt độ tới hạn khoảng 100 K, và kỷ lục tuyệt đối ngày nay là khoảng 125 K. Có thể nói, đây là “một con chim trong tay”. Đối với “chiếc bánh trên bầu trời”, có những báo cáo (tuy nhiên, cần phải xác nhận) về việc quan sát được tính siêu dẫn ở nhiệt độ phòng và thậm chí ở nhiệt độ cao hơn. Trong mọi trường hợp, sự tồn tại của chất siêu dẫn không yêu cầu bất kỳ sự chuyên môn hóa nào và vẫn giữ được đặc tính có trật tự của chúng. Để hiểu bản chất “sự vô cảm” này của các electron trong chất siêu dẫn, bạn sẽ phải tin vào một tính chất cơ bản của các hạt mà từ đó vật chất được tạo ra. Chúng bao gồm thực tế là trong thế giới vi mô có hai dạng hành vi của các hạt trong mối quan hệ với nhau (và theo đó, hai loại hạt) - “cá nhân” và “tập thể”.

Các hạt được “cá nhân hóa” (fermicized) nhất thiết phải ở các trạng thái khác nhau, ngăn cản sự tích tụ nhiều hơn một hạt trong mỗi hạt. Ví dụ, các hạt “tập thể” (hạt Bose) có xu hướng tích tụ ở cùng một trạng thái, “hút” các hạt Bose khác vào đó và ngược lại, chúng sẽ rời khỏi trạng thái này. Xu hướng này được thể hiện đặc biệt mạnh mẽ nếu một phần đáng chú ý của tất cả các hạt Bose đã tích lũy ở một trạng thái nhất định. Cụm như vậy được gọi là ngưng tụ Bose (các hạt có trong nó hoàn toàn không khác nhau).

Nước ngưng Bose không được hỗ trợ bởi các tác động bên ngoài; như đã lưu ý, nó biến thành những nỗ lực sắp xếp các hạt riêng lẻ khỏi nó và chuyển chúng sang trạng thái khác. Nó là một khối nguyên khối, được gắn kết chặt chẽ với nhau bởi “sự đoàn kết về đạo đức và chính trị” của các thành viên và chống lại những nỗ lực phá hủy sự thống nhất này. Người đọc có thể dễ dàng thu được những phép loại suy tương ứng trong lịch sử hoặc trong cuộc sống đời thường.

4

(Đối với tác giả, một ví dụ khó quên về loại này là cuộc gặp gỡ của các bà nội trợ và những người hưu trí đòi máu kẻ thù của nhân dân mà ông đã tham dự khi còn là một thiếu niên.)

Nếu các electron là nhiều hạt hơn, thì ở nhiệt độ thấp, chúng nhất thiết sẽ chuyển sang trạng thái ngưng tụ nhiều hơn, và tính không nhạy cảm vừa được ghi nhận trước các tác động bên ngoài (đặc biệt là trước các va chạm với dao động mạng và tạp chất) sẽ là chìa khóa để giải thích hiện tượng siêu dẫn. Tuy nhiên, các electron không phải là nhiều hơn mà là các hạt Fermi, vì vậy cách giải thích này không có tác dụng trực tiếp. Tuy nhiên, cuối cùng thì nó đúng.

Thực tế là hai hạt fermi được hợp nhất bởi một số loại mối nối hoạt động như một tổng thể, tương tự như một hạt lớn hơn, và các cặp đôi do đó cũng có khả năng chuyển sang trạng thái ngưng tụ nhiều hơn (cũng có một sự tương tự hàng ngày: những người vỗ tay, như một quy luật, ít tuân thủ hơn các cặp vợ chồng). Do đó, nếu tất cả các chất siêu dẫn đều có cơ chế kết hợp các electron thành từng cặp thì kết quả của tính siêu dẫn có thể coi là rõ ràng. Đối với các chất siêu dẫn “cũ”, cơ chế này dựa trên sự tương tác của các electron với các dao động mạng, nhưng đối với các cặp oxo thì cơ chế này vẫn chưa được thiết lập. Những nỗ lực chính của các nhà khoa học ngày nay đều nhằm mục đích này.

3. Nói ở trên về việc phát hiện ra BC, chúng ta đã không giải thích được tại sao việc tăng nhiệt độ tới hạn lên giá trị cỡ 100 K không chỉ có nghĩa là tiến bộ về mặt số lượng mà còn là một bước nhảy vọt cơ bản về chất, với những hậu quả kỹ thuật to lớn thường được cảm nhận. Thực tế là trước khi phát hiện ra BC, chất siêu dẫn chỉ thể hiện những đặc tính vượt trội của nó khi được làm lạnh bằng gel lỏng - một sản phẩm đắt tiền và khó tìm. Đây là lý do tại sao các ứng dụng kỹ thuật siêu dẫn trước đây chỉ giới hạn ở loại máy gia tốc hạt chính đã được thiết lập, duy nhất

chi phí cao gấp nhiều lần chi phí làm mát các vật thể siêu dẫn bằng nam châm cực mạnh.

Việc phát hiện ra BC giúp làm mát chất siêu dẫn bằng nitơ lỏng (nhiệt độ sôi của nó là 77 K). Sản phẩm này rẻ hơn khoảng một nghìn lần so với helium lỏng và tính sẵn có chung của nó được chứng minh bằng thực tế là chiến thắng trong cuộc chiến vừa qua đã được tạo điều kiện thuận lợi rất nhiều nhờ việc chuyển ngành luyện kim sang vụ nổ oxy (oxy được thêm vào không khí lỏng, bao gồm 4/5 nitơ lỏng). Việc chuyển đổi sang làm mát bằng nitơ sẽ mở đường cho việc sử dụng rộng rãi chất siêu dẫn trong công nghệ trong tương lai rất gần: Các chuyên gia phương Tây ước tính rủi ro tiềm tàng của những vật liệu này vào năm 2000 là 1 tỷ USD. Và nếu độ tin cậy của tính siêu dẫn ở nhiệt độ phòng được chứng minh là đúng thì triển vọng tương ứng sẽ càng trở nên cần thiết hơn.

Đối với hầu hết các thiết bị điện (tất nhiên không bao gồm các thiết bị điện), việc tỏa nhiệt trong dây dẫn khi dòng điện chạy qua nó có nghĩa là lãng phí năng lượng và trong nhiều trường hợp - làm nóng thiết bị cực kỳ có hại, cản trở hoạt động bình thường của thiết bị. Việc sử dụng vật liệu siêu dẫn có thể triệt tiêu mạnh mẽ (về nguyên tắc là loại bỏ) các hiệu ứng nhiệt. Một nhóm lớn các ứng dụng kỹ thuật của BC dựa trên điều này.

Chúng chủ yếu bao gồm các thiết bị kỹ thuật có thiết kế bao gồm nam châm điện mạnh: máy gia tốc, máy phân tách từ, máy chụp cắt lớp y tế để sử dụng đại chúng, v.v.. Các ứng dụng BC khác có cùng bản chất có liên quan đến vận chuyển năng lượng. Thật vậy, trong các đường dây truyền tải điện, có tới 1/4 tổng năng lượng được truyền đi được sử dụng để sưởi ấm bầu khí quyển một cách đơn giản. Việc sử dụng cáp siêu dẫn cho phép giải quyết vấn đề xuyên tâm lời giải, vấn đề này vẫn còn nghiêm trọng

5

sẽ còn tăng cao hơn nữa khi việc bố trí các nguồn năng lượng (nhà máy điện thông thường và điện hạt nhân) được đảm bảo phù hợp với yêu cầu về kinh tế và an toàn của người dân.

Một nhóm ứng dụng kỹ thuật đặc biệt của BC có liên quan đến việc sử dụng các tính chất cụ thể của chất siêu dẫn và không liên quan trực tiếp đến việc không sinh nhiệt trong đó. Điều này đề cập đến các thiết bị lưu trữ năng lượng từ tính (cuộn dây siêu dẫn có dòng điện) trong kỹ thuật điện dòng cao và nhiều thiết bị trong điện tử (công tắc tốc độ cao, tế bào logic và phần tử bộ nhớ trong máy tính, dụng cụ đo chất siêu dẫn có độ chính xác cao, v.v.).

Điều này cũng bao gồm các ứng dụng BC thường góp phần chuyển đổi sang vận chuyển từ trường tốc độ cao và tiết kiệm. Ở đây, người ta cho rằng nó sử dụng một đặc tính tuyệt vời khác của chất siêu dẫn - khả năng duy trì ổn định trong không khí phía trên một nam châm mạnh (sự bay lên, hay “quan tài của Mohammed”).

Tuy nhiên, chúng ta không nên nghĩ rằng ngày mai dòng sông sữa sẽ chảy quanh mình trong những cây bạch dương chua chát. Mọi người thường có xu hướng mắc sai lầm khi đánh giá triển vọng của một khám phá khoa học mới được thực hiện. Thông thường, những lỗi này có bản chất là thiếu hiểu biết, như trường hợp của động cơ hơi nước hoặc điện. Nhưng điều ngược lại cũng có thể xảy ra, khi xuất hiện sự cám dỗ nhằm bù đắp những thâm hụt về kinh tế và xã hội của xã hội thông qua những phép lạ như BC. Chúng ta không được quên rằng không có khám phá khoa học nào có thể giải quyết được những vấn đề cần giải quyết bằng biện pháp chính trị. Trong mọi trường hợp, chỉ có một xã hội lành mạnh về kinh tế mới có thể sử dụng hiệu quả các kết quả khám phá khoa học. Chúng tôi nghĩ về tất cả những điều này khi ra ngoài ban công vào ban đêm và ngắm nhìn biển ánh sáng trong các ô LECT của những ngôi nhà ngủ. Được biết, Nữ hoàng Marie Antoinette khi biết nông dân Pháp không có đủ bánh mì đen đã hỏi: “Tại sao họ không ăn bụng?”

Cùng với việc sử dụng các tính chất vật lý của chất siêu dẫn nhiệt độ cao, những bước đầu tiên đang được thực hiện để hướng tới ứng dụng thực tế của chúng; nguyên mẫu que, dây và băng nha khoa đã được sản xuất.

(đây là dấu vết của chiếc bánh). Câu hỏi vô tình đặt ra: đó không phải là “brioche” đối với chúng ta khi không có bánh mì - sự cắt giảm cơ bản về năng lượng kinh tế?

4. Giấc mơ của BC rất có thể nảy sinh đồng thời với việc khám phá ra chất siêu dẫn. Khó có giá trị nó

6

Hai chất siêu dẫn nhiệt độ cao “lơ lửng” trong từ trường của một nam châm hình trụ – một chất ở trên nam châm, chất kia ở dưới nam châm.

nghi ngờ rằng cả Kamerlingh Onnes và người theo ông đều mơ thấy nhiệt độ tới hạn cao. Tuy nhiên, vấn đề BC xuất hiện muộn hơn nhiều trong một công thức khoa học nghiêm túc.

Một phần tư thế kỷ trước, vào năm 1964, W. Little người Mỹ và học giả Liên Xô V.L. Ginzburg đã xem xét một cơ chế đặc biệt để kết hợp các electron siêu dẫn thành từng cặp, đảm bảo nhiệt độ tới hạn tăng đáng kể.

Cơ chế mới của siêu dẫn ban đầu đã khơi dậy sự quan tâm đáng kể đến bài toán BC của nhiều nhà khoa học. Nhiều công trình lý luận đã xuất hiện trong đó tư tưởng này được đào sâu và phát triển. Nghiên cứu thực nghiệm cũng bắt đầu (tuy nhiên, kết quả chính của nó là sự xuất hiện của những hướng đi mới tại điểm giao thoa giữa vật lý và hóa học, vốn phát triển mà không có bất kỳ mối liên hệ nào với BC). Tuy nhiên, điều quan trọng nhất đã không xảy ra: ý tưởng về BC không được quần chúng đón nhận. Sự công nhận liên tục của những người đam mê (chủ yếu là chính Ginzburg) để phát triển một lĩnh vực nghiên cứu rộng rãi về BC, tập trung dịch vụ của các nhà vật lý, nhà hóa học và vật liệu vào việc tìm kiếm chất siêu dẫn nhiệt độ cao, vẫn không có đáp số.

Hơn nữa, theo thời gian, các chuyên gia đã hình thành một khuôn mẫu ổn định về thái độ tiêu cực và thường công khai đối với BC. Đa số không tin vào tính khả thi của chương trình tương ứng, và có những người vì lý do nào đó thực sự không muốn nó được thực hiện. Hai chuyên gia lớn và có thẩm quyền thậm chí còn chứng minh một định lý đặc biệt về sự cần thiết cơ bản của BC (và tác giả của những dòng này đã phải rất vất vả để bác bỏ nó). Nói chung, vào giữa những năm 70, một kiểu cô đọng hơn của chủ nghĩa hoài nghi và không tin tưởng gần như phổ biến vào chương trình BC đã hình thành.*)

Vậy chúng ta có nên ngạc nhiên rằng việc phát hiện ra BC xảy ra một cách bất ngờ và hóa ra là ngẫu nhiên về nhiều mặt? Các vật liệu do BC phát hiện không nằm trong tầm quan tâm của hầu hết các chuyên gia (mặc dù mười năm trước khi phát hiện ra BC đã có tín hiệu cho thấy các cấu trúc phức tạp như oxocuprates có thể có nhiệt độ tới hạn tương đối cao). Theo một nghĩa nào đó, các tác giả của khám phá này là những nhân vật ngẫu nhiên đến với vật lý siêu dẫn từ một lĩnh vực khác (mặc dù, có lẽ, điều này chỉ là tự nhiên: Müller và Bednorz không chịu ảnh hưởng từ sự hiện diện chung của các chuyên gia). Dữ liệu của khám phá này hóa ra là ngẫu nhiên: vào cuối những năm 70, các nhà hóa học từ nhiều quốc gia khác nhau đã quan tâm đến oxocuprate ở trạng thái mong muốn và thậm chí đã thay đổi sự phụ thuộc của điện trở của chúng vào nhiệt độ (nhưng, không nghĩ đến tính siêu dẫn, họ đã làm việc ở nhiệt độ quá cao).** Nghiên cứu như vậy

*) Thật buồn cười khi nói rằng, nhưng các thành viên của một nhóm nhỏ (trong đó có tác giả), những người đã nghiên cứu vấn đề BC trong nhiều năm, thậm chí còn hài lòng với sự hỗ trợ tinh thần từ nhà văn Haley (xem phần ngoại truyện của bài viết này).

**) Trở lại cuối những năm 60, tác giả, khi được tiếp xúc với thông tin về tổ chức nghiên cứu hóa trị ung thư ở phương Tây, đã đề xuất tạo ra một dịch vụ đặc biệt để kiểm tra tính siêu dẫn của từng loại vật liệu mới được đưa vào lưu hành khoa học. Đề xuất này không được ủng hộ - cả do vật liệu và cách tổ chức, cũng như vì ngại làm những công việc “ngớ ngẩn”. Trong khi đó, nếu nó được thực hiện, việc phát hiện ra BC sẽ không tràn ngập trong gần một thập kỷ và những người tạo ra oxocuprates sẽ không bỏ lỡ một giải thưởng Nobel chắc chắn.