Bí ẩn đằng sau giới hạn dòng điện của chất siêu dẫn

Khi được làm lạnh xuống dưới một nhiệt độ tới hạn nhất định, một số vật liệu sẽ hoàn toàn mất đi điện trở, cho phép dòng điện chạy qua mà không sinh ra nhiệt hao phí. Tuy nhiên, tính trạng siêu việt này không hề bền vững vĩnh cửu: nếu cường độ dòng điện vượt quá một ngưỡng nhất định, vật liệu sẽ đột ngột trở lại trạng thái dẫn điện thông thường. Các phép đo thông thường từ lâu cho thấy nhiều chất siêu dẫn bị sụp đổ ở mức dòng điện thấp hơn rất nhiều so với giới hạn lý thuyết nội tại của chúng. Theo nghiên cứu công bố năm 2026 từ Viện Max Planck về Cấu trúc và Động lực học Vật chất, nguyên nhân của hiện tượng này bắt nguồn từ sự chuyển động của các xoáy từ và sự phát nhiệt làm gián đoạn trạng thái lượng tử trước khi vật liệu chạm tới điểm giới hạn thực sự. [1]

Hiện tượng vặn pha lượng tử và giới hạn đứt cặp

Ở trạng thái siêu dẫn, các electron không di chuyển riêng lẻ mà liên kết lại với nhau thành từng cặp gọi là cặp Cooper. Các cặp electron này vận động cùng nhịp như một làn sóng lượng tử thống nhất đi qua mạng tinh thể, nhờ đó dòng điện có thể di chuyển liên tục mà không bị cản trở bởi các va chạm nguyên tử. [1]

Khi dòng điện chạy qua vật liệu tăng lên, nó sẽ tạo ra áp lực lên trạng thái liên kết này. Nhà nghiên cứu Eryin Wang từ Viện Max Planck giải thích rằng dòng điện thực chất tác động làm vặn pha của trạng thái lượng tử mạch lạc, tương tự như việc ta vặn căng một chiếc lò xo. Nếu mức độ vặn pha này vượt quá ngưỡng chịu đựng, hệ thống sẽ mất ổn định, dẫn đến việc các cặp Cooper bị xé rách và tan rã. Ngưỡng dòng điện tối đa mà tại đó các cặp Cooper bắt đầu đứt rời được gọi là dòng đứt cặp (depairing current). [1]

Rào cản từ chuyển động của các xoáy từ

Mặc dù giới hạn đứt cặp là ngưỡng chịu đựng tối đa về mặt vi mô, các phép đo dòng điện một chiều (DC) truyền thống hiếm khi chạm tới được con số này. Trong các chất siêu dẫn loại II, từ trường có thể thâm nhập vào bên trong vật liệu dưới dạng các đường từ thông nhỏ, tạo nên các vùng gọi là xoáy từ (vortices). [1]

Khi dòng điện tăng lên, các xoáy từ này bị đẩy và bắt đầu dịch chuyển qua lại bên trong chất siêu dẫn. Sự di chuyển của các xoáy từ sinh ra điện trở cục bộ và tỏa nhiệt. Lượng nhiệt này lan rộng rất nhanh, làm tăng nhiệt độ vật liệu và phá hủy trạng thái siêu dẫn trước khi mật độ dòng điện kịp đạt tới ngưỡng đứt cặp electron thực sự. Điều này khiến cho giới hạn dòng tới hạn đo được trong các thí nghiệm thông thường luôn thấp hơn khả năng vốn có của vật liệu. [1]

Giải pháp xung điện picosecond siêu nhanh

Để vượt qua rào cản nhiệt và sự nhiễu loạn của xoáy từ, nhóm nghiên cứu tại Viện Max Planck đã đề xuất một chiến lược đặc biệt: truyền tải dòng điện với tốc độ cực nhanh nhằm đi trước sự di chuyển của các xoáy từ. [1]

Các xoáy từ có thể di chuyển với vận tốc rất lớn, đạt đến hàng chục kilômét trong mỗi giây. Tuy nhiên, trong một khoảng thời gian cực ngắn chỉ tính bằng picosecond (một phần nghìn tỷ giây), quãng đường mà chúng kịp dịch chuyển chỉ dừng lại ở mức vài chục nanômét. Bằng cách áp dụng các xung điện siêu ngắn này, mật độ dòng điện trong vật liệu có thể được đẩy lên mức rất cao trước khi các xoáy từ kịp dịch chuyển đáng kể hoặc làm gia tăng nhiệt độ, nhờ đó giảm thiểu tổn thất năng lượng và cho phép quan sát giới hạn đứt cặp nội tại. [1]

Nền tảng kỹ thuật và cấu trúc đo đạc vi mô

Để tạo ra các dòng điện tồn tại trong thời gian ngắn đến vậy, nhóm nghiên cứu đã sử dụng hệ thống vận chuyển điện tử siêu nhanh được phát triển tại Viện Max Planck. Kỹ thuật này vận hành dựa trên các công tắc quang dẫn được kích hoạt bởi xung laser màu xanh lá cây có độ rộng xung 300 femtosecond và bước sóng 515 nanômét. Đồng tác giả Guido Meier cho biết hệ thống công tắc này chuyển đổi tín hiệu quang thành các xung điện có thời gian kéo dài chỉ vài picosecond. [1]

Các xung điện siêu nhanh sau đó được truyền dẫn dọc theo một ống dẫn sóng đồng phẳng và đi qua mẫu vật liệu siêu dẫn có kích thước vi mô chỉ tính bằng micromét. Thiết lập này cho phép ghi nhận phản ứng điện tử của vật liệu trong khoảng thời gian tương đương với thang thời gian hoạt động của các trạng thái lượng tử. [1]

Sự khác biệt giữa các cấu trúc năng lượng siêu dẫn

Thí nghiệm được tiến hành trên hai vật liệu đại diện cho hai nhóm siêu dẫn có cấu trúc khoảng trống năng lượng (energy gap) khác nhau: NbN (Niobi Nitrit) và YBCO (Yttrium Barium Copper Oxide). Ở NbN, khoảng trống năng lượng siêu dẫn có tính đối xứng tương đối đồng đều theo mọi hướng (s-wave). Trong khi đó, ở YBCO, khoảng trống năng lượng thay đổi mạnh mẽ tùy theo hướng di chuyển của electron và thậm chí biến mất ở một số hướng nhất định (d-wave). [1]

Kết quả đo đạc bằng xung điện picosecond cho thấy hai vật liệu này phản ứng hoàn toàn trái ngược. NbN duy trì tính siêu dẫn ổn định cho đến khi dòng điện vượt qua một ngưỡng đột ngột cao hơn nhiều so với giới hạn DC thông thường, tại đó các cặp Cooper bắt đầu rã rời hàng loạt. Trái lại, tính siêu dẫn của YBCO không sụp đổ đột ngột mà suy yếu dần dần theo mức tăng của dòng điện. Trưởng nhóm nghiên cứu Andrea Cavalleri nhận định phương pháp đo xung điện siêu nhanh đã mở ra khả năng thăm dò các đặc tính vi mô sâu sắc như tính đối xứng khe năng lượng của chất siêu dẫn, điều mà các phương pháp đo dòng điện một chiều thông thường trước đây không thể tiếp cận được. [1]