6.11 Siêu dẫn và hiệu ứng Josephson

Trang chủ ／ Chương 6: Miền lượng tử

I. Hiện tượng và các câu hỏi then chốt

Khi một số kim loại hoặc gốm được làm lạnh đủ sâu, điện trở giảm xuống mức không thể đo được và dòng điện có thể chạy vòng trong mạch kín suốt nhiều năm mà không suy hao. Từ trường bên ngoài bị khối vật liệu đẩy ra, chỉ trong một số điều kiện mới cho phép những ống từ lượng tử rất mảnh xuyên vào. Nếu đặt một lớp cách điện siêu mỏng giữa hai khối siêu dẫn, vẫn có thể xuất hiện dòng ổn định dù không đặt hiệu điện thế; khi chiếu sóng cao tần, điện áp lại “khóa bậc” thành các nấc rời rạc.

Những dấu hiệu ấy định nghĩa siêu dẫn và hiệu ứng Josephson: điện trở bằng không, kháng từ hoàn hảo (hoặc từ thông xuyên vào dạng ống lượng tử), siêu dòng không cần điện áp và các “bậc” điện áp dưới kích thích tần số vô tuyến. Câu hỏi là: vì sao vừa hạ nhiệt đã như “không ma sát”? Vì sao từ trường chỉ vào được theo “suất định mức” từng ống? Vì sao dòng có thể vượt qua lớp cách điện, và vì sao vi ba bên ngoài lại khóa phản ứng thành các bậc đều đặn?

II. Diễn giải theo Lý thuyết Sợi Năng Lượng (EFT): Cặp điện tử khóa pha, đóng các kênh tán năng và “tiếp sức” tương hợp qua rào chắn

1. “Kết đôi” trước, rồi “khâu” pha lại với nhau
   Trong Lý thuyết Sợi Năng Lượng (EFT), điện tử là một cấu trúc quấn vòng bền vững, lớp ngoài tương tác với “biển năng lượng” và mạng tinh thể. Khi hạ nhiệt, dao động mạng giảm, ở một số vật liệu sẽ mở ra “hành lang ứng suất” trơn tru hơn để các điện tử bám theo nhau; hai điện tử với hướng vòng đối ngược “đi thành đôi”. Việc kết đôi triệt tiêu hoặc hạ thấp nhiều kênh tán năng. Hạ nhiệt tiếp, pha của lớp ngoài ở các cặp bắt đầu thẳng hàng và trải rộng thành một mạng đồng pha phủ khắp mẫu—có thể hình dung như một “tấm thảm pha” đang chuyển động.
2. Vì sao điện trở bằng không: đóng tập thể các kênh tán năng
   Điện trở thông thường phát sinh khi dòng “rò” năng lượng ra môi trường qua vô số kênh nhỏ như tạp chất, phonon, bề mặt gồ ghề… Khi “thảm pha” đã trải, những nếp nhăn cục bộ phá vỡ tương hợp khó hình thành, ngưỡng để tán năng vọt lên; miễn sao lực kích thích chưa xé rách tấm thảm, dòng sẽ không rò năng lượng ra ngoài, nên đo được điện trở bằng không.
3. Vì sao kháng từ và lượng tử hóa từ thông: pha không thể bị vặn tùy tiện
   Để giữ phẳng trong lòng vật liệu, “thảm pha” không cho phép từ trường vặn xoắn tự do. Ranh giới vì thế sinh ra các dòng bề mặt đẩy từ trường ra ngoài (kháng từ hoàn hảo). Ở một số vật liệu, từ trường chỉ được xuyên qua dưới dạng các ống mảnh, mỗi ống ứng với việc pha quấn đúng số vòng nguyên—đó là lượng tử hóa từ thông. Có thể xem các ống này như “lõi sợi rỗng mang ứng suất” mà quanh đó pha cuộn lại; chúng đẩy nhau và có thể xếp thành hoa văn hình học.
4. Vì sao có siêu dòng Josephson: “tiếp sức” tương hợp qua khe hẹp
   Đặt hai “tấm thảm pha” hai bên một lớp cách điện hoặc kim loại yếu siêu mỏng. Vùng giữa ở trạng thái “cận tới hạn”—chưa hoàn toàn tương hợp nhưng rất gần. Trong “khe cửa” hẹp đó, các pha của cặp điện tử có thể tiếp sức tương hợp: không phải một hạt đơn lẻ húc qua rào, mà là hai bên “khâu” một cầu pha ngắn ngay trong khe.

• Khi hai bên “giữ nhịp” giống nhau, cây cầu truyền pha ổn định: xuất hiện siêu dòng dù không đặt điện áp (Josephson một chiều).
• Khi “lệch nhịp”—do đặt điện áp hoặc chiếu sóng vô tuyến—hiệu pha sẽ biến thiên đều hoặc bị khóa theo nhịp ngoài, cây cầu bơm siêu dòng theo tiết điệu xác định, tạo nên ứng xử xoay chiều và các bậc khóa tần.

5. Vì sao không phải lúc nào cũng lý tưởng: khuyết tật và rách thảm mở lại cửa tán năng
   Dòng quá lớn, từ trường quá mạnh, nhiệt độ tăng, hoặc có khuyết tật “ghim pha” sẽ kéo các xoáy lượng tử di chuyển. Khi xoáy trôi, “thảm” bị xé thành chuỗi lỗ nhỏ để năng lượng thoát ra. Kết quả là xuất hiện dòng tới hạn, đỉnh tổn hao và đáp ứng phi tuyến.

III. Bối cảnh điển hình

1. Hai họ vật liệu siêu dẫn:

• Một số đẩy gần như toàn bộ từ trường, và khi vượt ngưỡng sẽ mất siêu dẫn đồng loạt.
• Số khác cho từ thông đi theo ống mảnh; dưới từ trường mạnh, xoáy xếp thành mạng nhưng vẫn mang dòng. Khác biệt này phản ánh mức độ “thảm pha” chấp nhận bị vặn xoắn.

2. Vòng siêu dẫn và dòng bền vững:
   Trong mạch kín, số vòng quấn của pha phải là số nguyên; nếu “thảm” không rách, dòng tồn tại lâu dài. Khi từ thông bao bởi vòng không đúng bội nguyên, hệ sẽ nhảy về trạng thái bội nguyên gần nhất, tạo các mức ổn định rời rạc.
3. Mối nối xuyên hầm và liên kết yếu:
   Trong “khe siêu mỏng”, siêu dòng chảy được ở điện áp bằng không; khi chiếu vi ba, điện áp chia bậc đều, chứng tỏ hiệu pha bị khóa theo nhịp ngoài.
4. Vòng song song: Giao thoa kế:
   Hai “cầu pha” ghép thành một vòng nhỏ sẽ nhận dịch pha khác nhau dưới từ thông ngoài. Siêu dòng vì vậy dao động tuần hoàn theo từ thông, tạo nên cảm biến từ thông cực nhạy.

IV. Dấu vân tay quan sát được

• Điện trở rơi đột ngột về 0: Khi hạ dưới một nhiệt độ đặc trưng, điện trở tụt gấp.
• Kháng từ hoàn hảo hoặc mạng ống từ: Từ trường bị đẩy ra, hoặc xuyên vào dưới dạng ống mảnh xếp hoa văn đều.
• Siêu dòng không cần điện áp và dòng tới hạn: Dòng tự chảy đến một ngưỡng rồi đứt.
• Bậc dưới kích thích vô tuyến: Khi chiếu RF, điện áp khóa theo bậc, xác nhận khóa nhịp hiệu pha.
• Chu kỳ giao thoa cố định: Trên vòng nhỏ, dòng dao động theo chu kỳ của từ thông với chu kỳ không đổi.
• Ghim và trượt xoáy: Khuyết tật có thể giảm tổn hao nhưng nâng dòng tới hạn; khi xoáy bị kéo trượt sẽ xuất hiện đỉnh tán năng.

V. Đối chiếu với mô tả dòng chính (nói cùng một vật lý)

• Mô tả dòng chính dùng tham số trật tự vĩ mô (biên độ phức có pha) cho sự ngưng tụ của các cặp điện tử; điện trở bằng không đến từ dòng pha không tán hao; kháng từ vì pha kháng lại sự vặn xoắn; lượng tử hóa từ thông và xoáy do ràng buộc số vòng quấn nguyên.
• Lý thuyết Sợi Năng Lượng trình bày bức tranh cụ thể, “có chất liệu”: cặp điện tử = hai cấu trúc quấn đi kèm; thảm pha = mạng đồng pha phủ toàn mẫu; điện trở bằng không = đóng tập thể các kênh tán năng; lượng tử hóa từ thông = khuyết tật tô-pô quanh lõi sợi rỗng mang ứng suất; Josephson = khâu một cầu pha ngắn qua khe cận tới hạn. Các định luật định lượng và hiện tượng trùng khớp; khác biệt ở chỗ ngôn ngữ hình học được ghim vào câu chuyện “sợi và biển”.

VI. Tóm lại

Siêu dẫn không phải “điện tử bỗng trở nên hoàn hảo”, mà là: ghép điện tử thành đôi, rồi khóa pha của vô số cặp thành một tấm thảm chung:

• Dưới kích thích nhẹ, thảm đóng các kênh rò năng lượng → điện trở bằng không.
• Thảm không cho bị vặn tùy tiện → đẩy từ trường ra ngoài, hoặc chỉ cho xoáy lượng tử xuyên vào.
• Giữa hai thảm, chỉ cần khe cận tới hạn là có thể khâu cầu pha, chở dòng ở điện áp bằng không và, dưới nhịp ngoài, bước nhịp để tạo các bậc điện áp.

Một câu dễ nhớ: kết đôi → khóa pha → tiếp sức qua rào—toàn bộ “phép màu” của siêu dẫn và hiệu ứng Josephson đều bắt nguồn từ ba bước ấy.