Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã nghiên cứu tính quang học dị hướng mạnh mẽ của siêu dẫn oxide đồng dựa trên bismuth Bi2212, điều này là chìa khóa để đạt được siêu dẫn tại nhiệt độ phòng.
(Nguồn ảnh: Đại học Waseda)
Siêu dẫn oxide đồng (CuO2) có nhiệt độ phá vỡ cực cao, chẳng hạn như Bi2Sr2CaCu2O8+δ (Bi2212). Các phép đo phản xạ quang học cho thấy Bi2212 thể hiện tính quang học dị hướng mạnh mẽ. Tuy nhiên, nghiên cứu thông qua phép đo độ truyền quang học có thể hiểu rõ hơn về các tính chất thể. Hiện nay, các nhà nghiên cứu đã tiến hành đo độ truyền tia UV và ánh sáng nhìn thấy của tinh thể Bi2212 doped chì, để làm rõ nguồn gốc của tính quang học dị hướng này, nhằm nghiên cứu chính xác hơn cơ chế siêu dẫn của nó.
Siêu dẫn là những vật liệu không có điện trở khi được làm lạnh dưới nhiệt độ dẫn đến kiểu tính cực. Những vật liệu này có ứng dụng cách mạng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm động cơ, máy phát điện, tàu điện từ tốc độ cao và hình ảnh cộng hưởng từ. Trong số những vật liệu này, siêu dẫn CuO2 như Bi2212 nổi bật vì chúng có nhiệt độ phá vỡ cao, vượt qua giới hạn Bardeen–Cooper–Schrieffer, có lý thuyết mà nói là giới hạn cao nhất về nhiệt độ siêu dẫn. Tuy nhiên, nguồn gốc siêu dẫn trong siêu dẫn nhiệt độ cao (như Bi2212) vẫn là một bí ẩn trong vật lý.
Phần quan trọng của vấn đề này nằm ở bề mặt tinh thể CuO2 hai chiều của những vật liệu này, điều này đã được nghiên cứu rộng rãi qua nhiều thí nghiệm. Các phép đo phản xạ quang học có thể phân tích cách ánh sáng với các bước sóng khác nhau phản xạ từ các hướng khác nhau của bề mặt tinh thể, và tiết lộ rằng Bi2212 thể hiện sự dị hướng quang học rõ ràng trên cả hai bề mặt “ab” và “ac”. Dị hướng quang học mô tả cách tính chất quang học của vật liệu thay đổi theo hướng ánh sáng đi qua vật liệu. Hiện tại, trong khi các phép đo độ phản xạ đưa ra thông tin quý giá, thì thông qua các phép đo độ “truyền quang học” của sự dị hướng quang học của Bi2212, nghiên cứu cách ánh sáng đi qua tinh thể với các bước sóng khác nhau có thể hiểu rõ hơn về các tính chất thể. Tuy nhiên, trước đây rất ít nghiên cứu như vậy đã được thực hiện.
Theo các phương tiện truyền thông nước ngoài, để bù đắp cho khoảng trống này, nhóm nghiên cứu do các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Toàn diện của Đại học Waseda, Khoa Khoa học và Kỹ thuật dẫn đầu, đã nghiên cứu tính quang học dị hướng mạnh mẽ của Bi2212 doped chì thông qua phép đo độ truyền tia UV và ánh sáng nhìn thấy.
Giáo sư Toru Asahi cho biết: “Đạt được siêu dẫn tại nhiệt độ phòng luôn là ước mơ của chúng tôi, điều này cần hiểu cơ chế siêu dẫn trong siêu dẫn nhiệt độ cao. Phương pháp độc đáo này sử dụng phép đo độ truyền tia UV-ánh sáng nhìn thấy như một công cụ, có thể làm sáng tỏ những cơ chế này trong Bi2212, đưa chúng ta gần hơn đến mục tiêu đó.” Nghiên cứu này còn có sự tham gia của giáo sư Masaki Fujita từ Viện Nghiên cứu Vật liệu Đại học Tohoku.
Trong công việc trước đây, nhóm nghiên cứu đã sử dụng máy phân cực chính xác tổng quát để nghiên cứu tính quang học dị hướng theo chiều dài sóng của Bi2212 dọc theo trục “c” ở nhiệt độ phòng. Thiết bị này rất mạnh mẽ, có thể đo độ truyền quang học đồng thời các đặc trưng dị hướng quang học – phản xạ đôi tuyến tính (LB) và dị màu tuyến tính (LD), cũng như hoạt tính quang học (OA) và dị màu hình tròn (CD) trong vùng UV đến ánh sáng nhìn thấy.
Kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy có các đỉnh rõ ràng trong phổ LB và LD. Các nhà nghiên cứu suy đoán rằng những đỉnh này xuất phát từ điều chỉnh không đồng nhất của cấu trúc tinh thể Bi2212, đặc trưng bởi sự thay đổi theo chu kỳ không tương thích với mô hình sắp xếp nguyên tử bình thường của nó.
Trong nghiên cứu này, nhóm đã nghiên cứu tính quang học dị hướng của tinh thể Bi2212 doped chì để xác nhận rằng liệu thực sự có đúng như vậy hay không. Tokita cho biết: “Nghiên cứu trước đây cho thấy việc thay thế một phần Bi bằng Pb trong tinh thể Bi2212 có thể ức chế điều chỉnh không đồng nhất.” Để làm điều đó, nhóm đã sử dụng phương pháp vùng nổi (floating zone method) để chế tạo các tinh thể Bi2212 hình trụ đơn với lượng chì khác nhau. Sau đó, họ sử dụng băng dính hòa tan trong nước để tách ra, lấy tối đa các mẫu siêu mỏng cho phép truyền tia UV và ánh sáng nhìn thấy từ các tinh thể này.
Các thí nghiệm cho thấy rằng với sự gia tăng lượng chì, các đỉnh lớn trong phổ LB và LD rõ ràng giảm xuống, tính nhất quán với việc ức chế điều chỉnh không đồng nhất. Sự giảm này là rất quan trọng, vì có thể đo chính xác hơn OA và CD trong các thí nghiệm trong tương lai.
Giáo sư Asahi cho biết: “Phát hiện này mở ra khả năng khám phá xem liệu có sự phá vỡ đối xứng trong khe năng lượng giả (pseudo-gap) và trạng thái siêu dẫn hay không. Đây là câu hỏi then chốt để hiểu cơ chế siêu dẫn nhiệt độ cao, giúp phát triển các siêu dẫn nhiệt độ cao mới.”
Nghiên cứu này đánh dấu một bước quan trọng trong việc khám phá siêu dẫn tại nhiệt độ phòng, bước đột phá này có thể hoàn toàn thay đổi công nghệ truyền tải năng lượng, hình ảnh y tế và vận tải.
