Giải Nobel Vật lý 2003 được chia đều cho ba khoa học gia đã có những đóng góp có tính cách cơ bản vào việc khảo cứu hiện tượng Siêu dẫn (Superconductivity) và Siêu lỏng (Superfluidity)

 Đó là:

Alexei A. Abrikosov (sinh năm 1928, quốc tịch Mỹ và Nga) làm việc tại Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois, Hoa Kỳ.	Vitaly L. Ginzburg (sinh năm 1916, quốc tịch Nga) làm việc tại P.N. Lebedev Physical Institute, Moscow, Nga	Anthony J. Leggett (sinh năm 1938, quốc tịch Anh và Mỹ) làm việc tại University of Illinois, Urbana, Illinois, Hoa kỳ.

Giải thích hiện tượng  Siêu dẫn

Một cách đại cương, Siêu dẫn là tình trạng mất tính cản điện (điện trở) của vật chất khi được mang đến gần không độ Kelvin (Tuyệt đối). Còn tình trạng Siêu lỏng xẩy ra lúc chất lỏng (như Helium), khi được mang xuống thật lạnh, đến gần không độ Kelvin, có thể di chuyển tự do, hầu như không ma sát.

Các vật lý gia coi Siêu dẫn và Siêu lỏng là một vì chúng đều là là tính chất của các hạt tử khi được mang xuống một nhiệt độ thật thấp. Tuy nhiên người ta thích dùng từ Siêu dẫn để chỉ những luồng hạt tử mang điện như electron.

Các khoa học gia đã khám phá ra hiện tượng siêu dẫn từ gần một thế kỷ trước đây. Ta hãy theo dõi những công trình nghiên cứu của họ từ ngày đó đến nay.

Năm 1911 khi vật lý gia Hòa Lan H. K. Onnes dùng Helium lỏng để hạ nhiệt độ của Thủy ngân (Mercury) đến gần không độ Kelvin thì chất này hoàn toàn mất tính cản điện, và ông là người đầu tiên dùng từ “Siêu dẫn” để gọi hiện tượng này. Do công trình khảo cứu trên ông đoạt giải Nobel Vật lý năm 1913 mặc dù chưa thể đưa ra một lý thuyết để giải thích rõ ràng hiện tượng.

Như ta đã biết, dòng điện sinh ra do sự chuyển động của các electron trong dây kim loại. Khi chuyển động vô trật tự các electron này làm các nguyên tử kim loại dao động và sinh nhiệt. Ngoài ra sự chuyển động của các electron còn tạo ra Từ trường (Magnetic field) và từ đó một dòng điện ngược chiều được sinh ra. Tương tác giữa Điện và Từ giữ vai trò quan trọng trong quá trình tìm hiểu và cải tiến chất siêu dẫn.

Năm 1933 hai khoa học gia W. Meissner và R. Ochsenfeld đã khảo sát tính siêu dẫn của Chì (Lead) khi chất này được đặt trong một từ trường yếu và được làm lạnh từ từ. Khi được hạ xuống dưới một nhiệt độ khá thấp, thường được gọi là nhiệt độ Tới hạn (Critical Temperature) T, Chì trở thành siêu dẫn và đồng thời có một tính chất đặc biệt khác: Từ thông (Flux) bị đẩy hoàn toàn ra khỏi Chì. Hiệu ứng này mang tên hiệu ứng Meissner-Ochsenfeld và từ đó người ta xác định được các chất Siêu dẫn loại I (1).

 Đến năm 1962, người ta tìm ra các chất Siêu dẫn loại II (2).

Năm 1957 ba khoa học gia J. Bardeen, L. Cooper, và J. Schrieffer đưa ý niệm có tính cách vi mô (microscopic) đầu tiên để giải thích hiện tượng siêu dẫn. Theo đó, ở 0 độ Kelvin, nếu không chịu ảnh hưởng của từ trường và không có dòng điện, các electron kết hợp thành từng cặp, gọi là Cặp Cooper (Cooper pairs), và có thể di chuyển không va chạm trong vật chất để tạo ra dòng điện. Mặc dù chỉ giải thích được sự hoạt động của những chất siêu dẫn loại I, nhờ công trình khảo cứu này họ đã thắng giải Nobel Vật lý năm 1972.

Trong lúc đó, A. Abrikosov, từ những năm của thập niên 1950s, dựa vào những khảo cứu trước đó của V. Ginzburg, đã đưa ra những kết quả toán học khi khảo sát sự tương tác giữa từ  trường và chất siêu dẫn. Từ đó, ông có thể giải thích trạng thái Hỗn tạp (Mixed state) của chất siêu dẫn loại II (2). Đó là lý do hai ông thắng giải Nobel năm nay.

Chất siêu dẫn loại II, thường là những hợp kim, được đặc biệt chú ý vì chúng có thể trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ tương đối cao.

Ngày nay người ta đã tìm ra nhiều chất loại này có thể trở thành siêu dẫn ở gần nhiệt độ Nitrogen lỏng (khoảng 77 độ Kelvin) trong khi đó những chất siêu dẫn loại I thường phải được duy trì ở nhiệt độ Helium lỏng [khoảng 4.2 độ Kelvin, (4.2K)]. Điều này rất quan trọng trong kỹ nghệ vì Helium lỏng rất đắt tiền so với Nitrogen lỏng.

Một trong những ứng dụng quan trọng của chất siêu dẫn là việc chế tạo Nam châm Siêu dẫn (Superconducting Magnet). Loại nam châm này có thể tạo một từ trường rất mạnh, đồng nhất, ổn định, và ít tốn kém nên được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm và các máy MRI (Magnetic Resonance Imaging; Tạo ảnh do Cộng hưởng Từ).

Bây giờ ta hãy bàn về chất Siêu lỏng.

Nếu Helium lỏng thường được dùng để làm lạnh những chất khác như trên đã nói, thì chính chất này, ở nhiệt độ thấp có tính chất đặc biệt: Siêu lỏng. Như ta đã biết ở nhiệt độ thường Helium là một khí rất nhẹ, hay ở dạng ⁴He (nhân gồm hai proton và hai neutron).

Một dạng khác, dạng ³He (chất đồng vị của ⁴He ; nhân có hai proton và một neutron), rất hiếm, có chừng một phần 10 triệu so với ⁴He .
Tính siêu lỏng của ⁴He được khoa học gia Pyotr Kapitsa và một số người khác khám phá ra từ cuối thập niên 1930s và vật lý gia Lev Landau, vì có công khi đưa ra giải thích lý thuyết, đã đoạt giải Nobel Vật lý năm 1962. ⁴He trở thành siêu lỏng ở chừng 2 độ
Kelvin và ở tình trạng Cô đọng Bose-Einstein (3). Khi đó, ⁴He có tính Đẳng hướng (Isotropy) (4) giống như cặp Cooper của electron trong chất siêu dẫn.
Tuy cùng là Helium, ³He khi ở tình trạng siêu lỏng có tính chất phức tạp hơn nhiều. Lý do chính là vì trong nhân có ba hạt tử chứ không phải bốn như ⁴He. Do đó ³He tuân theo luật thống kê Fermi-Dirac (3) và ở nhiệt độ thật thấp các nguyên tử ³He có thể kết đôi (pair up) giống như đôi Cooper của electron nhưng có cơ cấu rắc rối hơn.
Tính siêu lỏng của ³He được các khoa học gia D. Lee, D. Osheroff và R. Richardson tìm ra năm 1972, và đoạt giải Nobel Vật lý năm 1996. Không giống như ⁴He, ³He có tính Bất đẳng hướng (Anisotropy) (4), một tính chất mà các vật lý gia đang cố gắng tìm hiểu.
Trong lúc đó, A. J. Leggett công bố một công trình có tính cách đột phá về phương diện lý thuyết. Đó là hiện tượng Đồng thời Phá vỡ Đối xứng Nhiều lần (Multiple Simultaneously Broken Symetries) (5) của các chất Siêu lỏng Bất đẳng hướng.
Leggett thắng giải Nobel năm nay vì kết quả khảo cứu của ông có nhiều ứng dụng trong các ngành thiên văn và vật lý hạt nhân. Thí dụ như khi khảo sát tình trạng Hỗn loạn (Turbulence) của ³He ở trạng thái siêu lỏng, các khoa học gia có thể biết thêm về sự chuyển biến từ tình trạng Trật tự sang Hỗn độn của các hạt tử, một hiện tượng vật lý từ lâu chưa được giải thích.

Chú thích:

(1) Ngoài ảnh hưởng của nhiệt độ, chất siêu dẫn loại I còn chịu ảnh hưởng của từ trường bên ngoài: Khi từ trường vượt quá trị số Tới hạn B, dù ở dưới nhiệt độ Tới hạn T, chất này cũng mất tính siêu dẫn.

(2) Chất siêu dẫn loại II có hai từ trường tới hạn: B1 và B2. Khi từ trường bên ngoài có cường độ ở giữa trị số B1 và B2 (và nhiệt độ ở dưới nhiệt độ Tới hạn) thì chất này ở một trạng thái đặc biệt gọi là trạng thái Hỗn tạp (Mixed state). Lúc đó từ thông qua những sợi nhỏ của chất này tạo thành những Từ xoáy (Fluxoids hay Vortices). Mặc dù bên trong từng sợi nhỏ không còn tính siêu dẫn nhưng toàn khối vẫn mất tính cản điện.

(3) Những hạt tử ở tình trạng Cô đọng Bose-Einstein tuân theo luật Thống kê Bose-Einstein, theo đó hai hạt tử (thí dụ như quang tử) có thể hiện diện trên cùng một mức năng lượng (thường được gọi là Bosons; chúng có số lượng tử spin bằng 0 hoặc một số nguyên). Khi được làm lạnh đến không độ Kelvin chúng mất tính cá biệt, tụ tập ở mức năng lượng thấp nhất và có hoạt động đồng phase. Fermions là những hạt tử (thí dụ như electron) tuân theo luật thống kê Fermi- Dirac, theo đó hai hạt tử không thể tồn tại trên cùng một mức năng lượng. Chúng có số lượng tử spin bằng bội số lẻ của ½.

(4) Một cách đơn giản, tính Đẳng hướng là tính giống nhau theo mọi hướng vì hạt tử hay cặp hạt tử không có Từ tính. Cặp ³He có Từ tính nên làm môi trường thành Bất đẳng huớng. Ngoài ra ³He còn có thể tạo phản ứng Hợp hạt nhân (Fusion) để cho 4He, proton và sinh ra năng lượng. Đặc biệt, phản ứng này không gây ô nhiễm và hầu như không tạo chất phế thải phóng xạ. Do đó một số khoa học gia cho ³He là nguồn năng lượng của nhân loại trong tương lai. Trái đất có rất ít ³He nhưng trên mặt trăng có chừng một triệu tấn, đủ cho con người dùng hằng ngàn năm!

(5) Một cách tổng quát, một hệ thống có tính Đối xứng (Symmetry) nếu hệ đó không thay đổi dưới ảnh hưởng của các Tác động (Operations).

(6) Nhân của những nguyên tử của mẫu vật phải có Momen từ (Magnetic moment) khác không, thường có một số lẻ proton hay neutron (thí dụ như ¹H, ²H, ¹³C, ³¹P).