Một thí nghiệm quan trọng đã phát hiện ra việc xoắn một chất siêu dẫn bí ẩn hầu như không làm thay đổi hành vi của nó. Ảnh: Shutterstock

Siêu dẫn bí ẩn lại gây bất ngờ

Siêu dẫn là những vật liệu cho phép dòng điện chạy qua mà không gặp điện trở, thường chỉ ở nhiệt độ cực thấp. Mặc dù hầu hết tuân theo các quy luật vật lý đã được hiểu rõ, nhưng stronti ruthenat (Sr₂RuO₄), vẫn còn khó giải thích kể từ khi khả năng siêu dẫn của nó được xác định lần đầu tiên vào năm 1994. Đây là một trong những siêu dẫn phi truyền thống được nghiên cứu kỹ lưỡng nhất, tuy nhiên các nhà nghiên cứu vẫn còn bất đồng về cách các electron của nó ghép cặp và tính đối xứng nào chi phối quá trình đó.

Một trong những cách các nhà khoa học nghiên cứu chất siêu dẫn là quan sát cách nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn, được gọi là Tc, phản ứng với biến dạng. Các trạng thái siêu dẫn khác nhau phản ứng theo những cách riêng biệt khi tinh thể bị kéo giãn, nén hoặc xoắn. ​​Các nghiên cứu trước đây, đặc biệt là những nghiên cứu sử dụng siêu âm, cho thấy Sr2RuO₄ có thể chứa trạng thái siêu dẫn hai thành phần. Dạng phức tạp hơn này có thể tạo ra các hiệu ứng bất thường như từ trường nội tại hoặc nhiều vùng siêu dẫn tồn tại cùng một lúc. Tuy nhiên, trạng thái như vậy được dự đoán sẽ thể hiện phản ứng mạnh mẽ với biến dạng cắt.

Thí nghiệm biến dạng cắt chính xác hé lộ điều bất ngờ

Để nghiên cứu sâu hơn về vấn đề này, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Kyoto đã thiết kế một thí nghiệm tập trung vào việc áp dụng biến dạng có kiểm soát lên Sr₂RuO₄. Họ đã phát triển một phương pháp để tạo ra ba loại biến dạng cắt khác nhau cho các tinh thể cực mỏng của vật liệu này. Biến dạng cắt liên quan đến việc dịch chuyển các phần của tinh thể sang một bên, tương tự như việc trượt phần trên của một bộ bài so với phần dưới. Sử dụng hình ảnh quang học độ phân giải cao, họ đã đo biến dạng với độ chính xác ở nhiệt độ thấp tới 30 độ K (−243 độ C).

Kết quả thật ngoài dự kiến. Nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn hầu như không thay đổi. Bất kỳ sự thay đổi nào trong T_c đều nhỏ hơn 10 millikelvin trên mỗi phần trăm biến dạng, thực tế là quá nhỏ để có thể phát hiện một cách chắc chắn.

Những phát hiện này thách thức các lý thuyết hàng đầu

Những quan sát này cho thấy biến dạng cắt hầu như không ảnh hưởng đến thời điểm Sr₂RuO₄ trở thành chất siêu dẫn . Kết quả này bác bỏ một số lý thuyết hiện có và đặt ra những giới hạn nghiêm ngặt đối với các loại trạng thái siêu dẫn vẫn còn khả thi. Thay vì ủng hộ trạng thái hai thành phần, các phát hiện này chỉ ra trạng thái siêu dẫn một thành phần hoặc có thể là một trạng thái phi truyền thống hơn mà chưa được khám phá đầy đủ.

"Nghiên cứu của chúng tôi đánh dấu một bước tiến lớn hướng tới việc giải quyết một trong những bí ẩn lâu đời nhất trong vật lý chất rắn", tác giả chính Giordano Mattoni, thuộc Trung tâm Nghiên cứu Toyota Riken - Đại học Kyoto, cho biết.

Mặc dù kết quả thu hẹp các khả năng, chúng cũng đặt ra một thách thức mới. Các thí nghiệm siêu âm trước đây đã cho thấy rõ phản ứng mạnh mẽ với biến dạng cắt, trong khi các phép đo biến dạng trực tiếp này hầu như không cho thấy phản ứng nào. Giải thích sự khác biệt này hiện là một câu hỏi quan trọng cần được các nhà nghiên cứu giải đáp.

Phương pháp kiểm soát biến dạng được phát triển trong nghiên cứu này có thể hữu ích cho việc nghiên cứu các siêu dẫn khác có thể có hành vi đa thành phần, bao gồm các vật liệu như UPt₃. Nó cũng có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về các hệ thống có sự chuyển pha phức tạp.