Phổ điện tử đường hầm áp suất cao tiết lộ bản chất của siêu dẫn trong các hợp chất giàu hydro
bởi Hội Max Planck
Tổng hợp các mối nối đường hầm phẳng. Tín dụng: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08895-2
Các nhà khoa học đã đạt được một cột mốc quan trọng trong hành trình tìm hiểu về siêu dẫn nhiệt độ cao trong các vật liệu giàu hydro. Sử dụng phổ điện tử đường hầm dưới áp suất cao, nhóm nghiên cứu quốc tế do Viện Hóa học Max Planck đứng đầu đã đo khoảng cách siêu dẫn của H3S—vật liệu đã lập kỷ lục siêu dẫn áp suất cao vào năm 2015 và đóng vai trò là hợp chất mẹ cho các hydride siêu dẫn nhiệt độ cao sau này.
Những phát hiện, được công bố tuần này trên tạp chí Nature, cung cấp bằng chứng vi mô trực tiếp đầu tiên về siêu dẫn trong các vật liệu giàu hydro và là một bước tiến quan trọng hướng tới sự hiểu biết khoa học về nó.
Siêu dẫn là vật liệu có thể dẫn dòng điện mà không có điện trở, khiến chúng trở nên vô giá đối với các công nghệ như truyền và lưu trữ năng lượng, bay từ trường và điện toán lượng tử.
Tuy nhiên, hiện tượng này thường được tìm thấy ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ môi trường, hạn chế các ứng dụng thực tế rộng rãi. Việc phát hiện ra tính siêu dẫn trong các hợp chất giàu hydro như hydro sunfua (H3S) trở nên siêu dẫn ở 203 Kelvin (-70° C) và lanthanum decahydride (LaH10) đạt đến tính siêu dẫn ở 250 Kelvin (-23° C), đánh dấu một bước tiến mang tính cách mạng hướng tới việc đạt được tính siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Do nhiệt độ chuyển tiếp cao hơn nhiều so với điểm sôi của nitơ lỏng, các nhà nghiên cứu gọi là siêu dẫn nhiệt độ cao.
Chìa khóa để hiểu tính siêu dẫn nằm ở khoảng cách siêu dẫn—một tính chất cơ bản cho thấy cách các electron ghép cặp để tạo thành trạng thái siêu dẫn. Đó là việc xác định trạng thái siêu dẫn có thể phân biệt được với các trạng thái kim loại khác.
Tuy nhiên, việc đo khoảng cách siêu dẫn trong các vật liệu giàu hydro như H3S vẫn cực kỳ khó khăn. Các hợp chất này phải được tổng hợp tại chỗ dưới áp suất cực lớn—gấp hơn một triệu lần áp suất khí quyển—khiến các kỹ thuật thông thường để đo khoảng cách, chẳng hạn như quang phổ quét đường hầm và quang phổ phát xạ quang phân giải góc, trở nên không áp dụng được.
Khoảng cách siêu dẫn của D3S. Nguồn: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08895-2
Kỹ thuật đường hầm cung cấp cái nhìn sâu sắc trực tiếp vào trạng thái siêu dẫn của các hợp chất giàu hydro
Để vượt qua rào cản này, các nhà nghiên cứu tại Viện Max Planck ở Mainz đã phát triển một quang phổ đường hầm electron phẳng có khả năng hoạt động trong những điều kiện khắc nghiệt như vậy. Thành tựu này đã cho phép họ thăm dò khoảng cách siêu dẫn trong H3S lần đầu tiên, cung cấp cái nhìn sâu sắc trực tiếp vào trạng thái siêu dẫn của các hợp chất giàu hydro.
Sử dụng kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng H3S thể hiện một khoảng cách siêu dẫn hoàn toàn mở với giá trị khoảng 60 milielectron vôn (meV), trong khi chất tương tự deuterium của nó, D3S, cho thấy một khoảng cách khoảng 44 meV. Deuterium là một đồng vị hydro và có thêm một neutron.
Thực tế là khoảng cách trong D3S nhỏ hơn trong H3S xác nhận rằng sự tương tác của các electron với phonon—các dao động lượng tử của mạng nguyên tử của vật liệu—gây ra cơ chế siêu dẫn của H3S, hỗ trợ cho các dự đoán lý thuyết lâu đời.
Đối với các nhà nghiên cứu Mainz, bước đột phá này không chỉ là một thành tựu kỹ thuật—mà còn đặt nền tảng để làm sáng tỏ hoàn toàn nguồn gốc của siêu dẫn nhiệt độ cao trong các vật liệu giàu hydro.
"Chúng tôi hy vọng rằng bằng cách mở rộng kỹ thuật đường hầm này sang các siêu dẫn hydride khác, các yếu tố chính cho phép siêu dẫn ở nhiệt độ thậm chí cao hơn có thể được xác định chính xác. Điều này cuối cùng sẽ cho phép phát triển các vật liệu mới có thể hoạt động trong các điều kiện thực tế hơn", Tiến sĩ Feng Du, tác giả đầu tiên của nghiên cứu hiện đã được công bố, tuyên bố.
Tiến sĩ Mikhail Eremets, một người tiên phong trong lĩnh vực siêu dẫn áp suất cao đã qua đời vào tháng 11 năm 2024, mô tả nghiên cứu này là "công trình quan trọng nhất trong lĩnh vực siêu dẫn hydride kể từ khi phát hiện ra siêu dẫn trong H3S vào năm 2015".
Vasily Minkov, trưởng dự án Hóa học và Vật lý áp suất cao tại Viện Hóa học Max Planck, nhận xét, "Tầm nhìn của Mikhail về các siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ phòng và áp suất vừa phải tiến gần hơn một bước đến hiện thực thông qua công trình này".
