Giải Nobel Vật Lí 2003 (Siêu dẫn và siêu chất lỏng)

[Hoàng Lê Vĩnh Hưng (hungmk)]

3 nhà khoa học được giả Nobel vật lí năm nay (sẽ được trao vào 10/12)(chia đều cho cả 3 mỗi ông được 1/3 giải) là:

-Abrikosov(nguời Mĩ gốc Nga-2 quốc tịch ) 75 tuổi làm việc tại Phòng thí nghiệm quốc gia tại Argonne(Illinois, Mĩ)
-Ginzburg(Nga) 87 tuổi làm ở học viện Vật Lí P.N. Lebedev(Mát xờ cơ va).
-Leggett (người Mĩ gốc Anh-2 quốc tịch) 65 tuổi GS khoa vật lí đại học Illinois.

Họ đã có đóng góp đáng kể cho việc nghiên cứu về chất siêu dẫn và chất siêu lỏng.

Tôi xin nêu ở đây 1 số kiến thức mà tôi hiểu được từ công trình của 3 ông hòng giúp các bạn có được 1 chút ý tưởng về công trình.

Trước hết định nghĩa của chất siêu dẫn (superconductor), chính xác hơn là tính siêu dẫn của 1 chất.

Tính siêu dẫn của 1 chất xảy ra khi chất đó không có điện trở(vì mọi thứ là tương đối nên nếu điện trở vô cùng nhỏ, rất gần không thì cũng coi như là không có điện trở).
Trong các chất khi ở trạng thái siêu dẫn thì dòng chảy của electrong không bị ảnh hưởng(ngăn cản) và đi thẳng, bao nhiêu e vào với vận tốc ban đầu như thế nào thì bấy nhiêu e ra với vận tốc sau như thế nấy.

Nếu các bạn còn nhớ ở KT vật lí ở cấp 3 nhiệt độ càng thấp thì điện trở càng giảm (điện trở phụ thuộc vào chất liệu vật dẫn, nhiệt độ vạt dẫn và bề mặt vật dẫn). Nếu ta giảm nhiệt độ tới một mức nào đó, rất lạnh thì điện trở sẽ tới gần O và ta có 1 dòng điện không có điện trở và cường độ được coi là lớn vô cùng.

Tính siêu lỏng (superfluidity) của 1 chất:
1 chất vô cùng loãng, không có sự cản trở dòng chảy trong lòng chất lỏng(viscosity=0), ma sát giữa các phân tử trong dung dịch vô cùng nhỏ (coi như là bằng không), không có sức căng bề mặt.
VD về chất có độ loãng cao: a xê tôn, hay cồn 100%, có độ loãng rất cao.

Nếu 1 chất có tính siêu lỏng sẽ có đặc điểm: dẫn nhiệt vô cùng tốt (gấp 30-40 lần đồng); không có điện trở(dẫn điện tuyệt đối) ->chất siêu dẫn; không chịu ảnh hưởng của từ trường.

Người phát hiện được tính siêu dẫn(quên tên rồi) năm 1911 được giải Nobel năm 1913.
Người phát hiện được tính siêu lỏng( cũng quên tên rồi) năm 1938 thì nhận được giả Nobel năm 1978(chú ý 40 năm sau khi có kết quả thí nghiệm- nếu bạn có phát minh nào hay thì vài chục năm nữa bạn vẫn có cơ hội đạt giải Nobel đấy)

Tới năm 1957 thì giả thuyết "BCS" (nhìn cứ tưởng bao cao su) ) ra đời- giải thích về siêu dẫn (sau này được giải Nô Ben năm 1972). BCS= là tên của 3 nhà bác học Ba-đin(ông này khá đỉnh- người duy nhất trong lich sử được hẳn 2 giải Nô ben Vật Lí), Cúp-pơ và Sờ cài gì ấy( cả 3 cùng ở đại học Illinois). Cái giả thuyết này khá đơn giản và dễ hiểu; giải thích tính siêu dẫn của các chất khi nhiệt độ gần 0 K(độ không tuyệt đối =-273 độ C). Nhưng bị lỗi khi có 1 số chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn độ 0 tuyệt đối(nhưng vẫn rất thấp).


Cáo lỗi mọi người: em đang bận, sẽ tiếp tục sau.

 

[Hoàng Lê Vĩnh Hưng (hungmk)]

Định nghĩa
Hạt boson: hạt có độ xoáy(spin) là số tự nhiên
VD: phô tông, pion, hạt alpha...

Hạt fermion: có độ xóay(spin) là số không nguyên(có dạng (2n+1)/2).
VD: electron,proton...

Hai loại hạt này có tính chất rất khác biệt (tại sao ư?-trời sinh ra thế- nói đùa thôi, giải thích rắc rối lắm chỉ cần biết là hai loại hạt này khác biệt rất nhiêu về tính chất do có độ xoáy khác nhau)
Về hạt Boson thì ta có công thức(? không biết có dùng đúng từ không) Bose-Enstein: f(E)=1/(A*e^(E/kt)-1)
đây là công thức tính khả năng của động năng của hạt(không phải thế năng)
và với fermion ta có:f(E)=1/(e^((E-Ef)/kt)+1)

Ta cũng chả cần hiểu rõ 2 công thức này lắm chỉ cần biết là 2 hạt này có tính chất khác biệt, ngay cả công thức tính động năng cũng khác nhau.

Các hạt boson thường đồng dạng, hay đi cùng nhau và nếu di chuyển thì đi cùng nhau với cùng vận tốc và cùng hướng. Cũng tương tự như triệu triệu cái ô tô đi trên cùng 1 đường cái dài vô tận với cùng 1 vận tốc, cùng 1 hướng đi, không bao giờ sợ đâm vào nhau vậy.

Các ban có thể thấy tính chất của hạt boson khi quan sát ánh sáng (chùm hạt phô tông), đi thẳng(không bắn tung toé, đường thẳng tưng chứ không vòng vèo), các hạt cùng vận tốc 300km/s.

Các hạt fermion thì không hay đi cùng nhau, mỗi hạt thể hiện 1 trạng thái khác nhau, đi không thẳng, va đập tứ tung(như là chúng ta chen chúc nhau trên đường ra bờ hồ xem pháo hoa vậy)
thôi đi học đã -còn tiếp

 

[Nguyễn Kiên Cường (Steady)]

Ơ, hình như Nobel vật lý năm 1997 cũng liên quan đến siêu dẫn thì phải? Có bác nào biết rõ hơn thì nói cho bà con biết thêm về mấy vụ siêu dẫn này với...

 

[Hoàng Lê Vĩnh Hưng (hungmk)]

trả lời cho câu hỏi trên:
-không phải

Nobel vật lí năm 97 là giảm vận tốc hạt:
Nguyên lí là tìm một cách nào đó để giảm nhiệt độ của hạt xuống gần 0 độ K.

Thành tích của Claude Cohen-Tannoudji là giảm được tới 250 nK (nano Kalvin) năm 1994 dựa theo mô hình của Steven Chu làm năm 1984.
Mô hình của Steven Chu lại dựa trên công trình nghiên cứu của William Phillips vào năm 1980.
Chính vì thế mà cả 3 được giải (mỗi người 1/3).


Hạ nhiệt độ xuống siêu thấp CÓ THỂ ứng dụng cho hiện tượng siêu dẫn NHƯNG quá tốn kém, siêu dẫn có thể xảy ra với nhiệt độ không tới nỗi siêu thấp. Vì giải thích được tai sao siêu dẫn xảy ra được ở nhiệt độ không thấp lắm mà 3 ông già mới được giải năm 2003.chú ý:

Cái giả thuyết này khá đơn giản và dễ hiểu; giải thích tính siêu dẫn của các chất khi nhiệt độ gần 0 K(độ không tuyệt đối =-273 độ C). Nhưng bị lỗi khi có 1 số chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn độ 0 tuyệt đối(nhưng vẫn rất thấp).

-> giải thích được trường hợp ngoại lệ của BCS dựa trên tính chất của từ trường, điện trường và hạt fermion(sẽ trình bày ở các phần tiếp theo)

 

[Trần Lê Nhiệm (Trần Lê Nhiệm)]

Lý thuyết BCS cũng chỉ đúng với các vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ chuyẻn pha dưới 40K (hay sao ý) thôi. Còn trên đó thì quên đi. Chính vì thế nên mới có cái gọi là siêu dẫn nhiệt độ cao.

 

[Vũ Xuân Tùng (NoloveT)]

chú Nhiệm cũng nhảy vào đây chơi à ?

 

[Nguyễn Duy Ngọc (neutron1989)]

khong phai nam 2003 giai noben vat ly "truy tim nhung hat nho nhat cua vu tru ma"
do mot nguoi Nhat va hai nguoi nuoc khac tim ra.Ho tim thay duoc co tia X o trong vu tru ma
hinh nhu toi nho la nhu vay

 

[Trương Tuấn Anh (truongtuananh)]

Các bác thảo luận chủ đề cao siêu quá, cho em góp ý phát:
Vật liệu siêu dẫn (VLSD) lần đầu tiên do chú K.Ones phát hiện ra namư 1911. Đó là Hg, có t/c điện trở giảm xuống 0 khi T<4,2K. Tuy nhiên, R=0 ko phải là t/c đặc trưng nhất của VLSD đâu các bác ạ vì vật dẫn lý tưởng cũng có tính chất này. T/c đặc trưng nhất của VLSD, khác VL thông thường là hiệu ứng Meissner: Khi đặt VLSD vào trong từ trường yếu thì từ trường không xuyên được vào trong lòng nó. Trạng thái SD bị phá khi từ trường ngoài nhớn hơn giá trị Hc nhất định hoặc nhiệt độ vật >Tc hoặc khi mật độ dòng điện qua nó lớn hơn mật độ dòng tới hạn. Nguyên nhân đều là do năng lượng dao động mạng cung cấp cho e >NL tạo thành cặp Cooper.
VLSD được chia làm 2 loại: SD loại 1 &SD loại 2. Điểm khác nhau là SD loại 1 tuân theo hoàn toàn h/ư Meissner trong khi SD loại 2 tuân theo 1 phần H/ư này nghĩa là khi từ trường ngoài Hc nhỏ hơn Hc1 thì nó không cho từ trường xuyên qua giống như SD loại 1 còn khi Hc1<Hc<Hc2 thì nó cho 1 phần từ trường xuyên qua.Khi Hc>Hc2 thì trạng thái SD của SD loại 2 mới bị phá vỡ. SD nhiệt độ cao là SD loại 2 nhưng cơ chế khác hẳn SD loại 1.
Giải Nobel năm 2003 trao cho 3 ông già giải thích được H/t siêu chảy của He và h/tượng SD loại 2 bằng giả thuyết về sự hình thành và phá vỡ của xoáy từ thông.
Lí thuyết BCS giái thích được các hiện tượng của SD loại 1 như sự hình thành khe NL,lượng tử hoá từ thông...,viết được hàm sóng của e bằng mô hình tương tác giữa e và chuẩn hạt phonon khá đơn giản. Tuy nhiên tính toán thì hichic ( , em không tài nào nhớ hết được.
VLSD nhiệt độ cao hiện nay chủ yếu là gốm như YBa2Cu3O7 (Y237), nhiệt độ chuyển pha SD đạt được cao nhất khoảng 130K. Lí thuyết BCS ko dùng được nữa vì cơ chế dẫn điện của những VL này là dòng biên hạt, xuyên ngầm Josephson. Ko biết ở Pháp Mỹ thế nào chứ ở khoa em làm về SD khổ vãi đ., suốt ngày nghiền bột gốm với canh lò nung; 8-|
Lý thuyết SD nhiệt độ cao bây giờ mới ở trong giai đoạn mò mẫm; pha trộn giữa giả thuyết và thực nghiệm. Bác nào có hứng đi về ngành này thì còn ối cái để phát minh đấy )
Bon courage!