Trong một hội nghị chuyên gia ở Sendai về "các ô-xít kim loại dẫn" được tổ chức tại Nhật Bản ngày 10 tháng giêng năm 2001, Jun Akimitsu ở trường Đại học Aoyama-Gakuin ở Tôkyô đã trình bày một kết quả nghiên cứu về chất siêu dẫn làm sững sờ giới khoa học. Trong khi tiến hành làm một việc hoàn toàn khác, ông và đồng sự đã tình cờ kiểm định được tính dẫn điện của một chất rất đơn giản và không tốn kém đã được biết đến từ năm 1953: diborure magê. Hơn thế nữa, nó còn là một chất siêu dẫn: thấp dưới một nhiệt độ nào đó, có thể nói "tới hạn", nó không gây ra một trở kháng nào đối với dòng điện chạy qua. Đặc biệt là nhiệt độ tới hạn này rất cao: 39 độ Kelvin (-234oC). Vậy mà lý thuyết cổ điển BCS (tính siêu dẫn cổ điển) dự kiến nhiệt độ này chỉ rất hạn chế, ví như trong trường hợp các chất đơn giản mà cụ thể ở đây là diborure magê, nhiệt độ tới hạn không bao giờ vượt quá 23,2 độ Kelvin: thì 39 độ quả thật bất thường.

Rất nhanh, tin mới này lan đi nhanh chóng, nó làm sống lại nguồn hy vọng: tiếp tục việc đã phát hiện vào năm 1986 một họ các chất siêu dẫn, cuprat. Đại diện đầu tiên của họ này, do Alex Muller và Georg Bednorz của IBM nghiên cứu, có nhiệt độ tới hạn là 35 độ kelvin, và kỷ lục này sau đó đã nhanh chóng bị phá vỡ: ngày nay nó vào khoảng 164 độ kelvin. Diborure magê là một chất đơn giản đến mức thật là lạ lùng quá, làm các nhà vật lý mơ tưởng nếu có thể làm tăng lên một chút nhiệt độ tới hạn bằng cách biến đổi chất liệu, thậm chí làm cho nó tiến tới gần nhiệt độ sôi của khí lỏng (77 độ kelvin), từ đó những ứng dụng công nghiệp chất siêu dẫn trên diện rộng sẽ trở thành hiện thực vô cùng kinh tế. Khí lỏng rất rẻ, chi phí làm lạnh thiết bị cũng thấp so với những lợi ích mà tính siêu dẫn mang lại.

Cuprat, sau khi đã vượt qua ngưỡng nhiệt độ này vào năm 1987, đã kích thích trí tưởng tượng của các kỹ sư bằng các ý tưởng như: cáp truyền điện không gây tổn thất điện năng, máy tính siêu nhanh, tàu bay trên mặt đất từ tính,... Tiếc thay, do thiếu kinh phí, những nỗ lực này mới chỉ nằm trên giấy.

Trong bối cảnh đó, sự xuất hiện của diborure magê như mang lại một luồng khí mới. Với giá chỉ có 20 euro/kg, nó đã kích thích ngành công nghiệp điện tử Nhật Bản. Ngoài ra, ngay cả khi nhiệt độ tới hạn vẫn còn thấp, người ta có thể làm lạnh đến 25 độ kelvin bằng hêli khí hoặc hyđrô, và sự tắc nghẽn hệ thống làm lạnh được giảm một cách rõ rệt so với việc dùng hêli lỏng.

Vấn đề đầu tiên mà mọi người quan tâm về diborure magê liên quan đến bản chất siêu dẫn của nó. Mặc dù có giá trị nhiệt độ tới hạn cao, nhưng nó vẫn trong khuôn khổ của Lý thuyết cổ điển BCS chăng? Hoặc ngược lại, tính siêu dẫn này tương tự với cuprat? Những chỉ số nghiên cứu đầu tiên nghiêng về giả thiết thứ nhất. Từ tháng 1 năm 2001, nhóm của Paul C.Canfield thuộc trường Đại học Iowa, đo nhiệt độ tới hạn của một mẫu diborure magê, trong đó chất bo "bình thường" được thay thế bởi một trong những dạng nặng hơn mà nhân của nó mang một nơtron phụ. Nhiệt độ tới hạn của nó chỉ là 38 độ kelvin, thấp hơn 1 độ so với bo thông thường. Điều đó cho phép liên tưởng đến lý thuyết BCS.

Nhưng để xác định thể loại tính siêu dẫn của một chất liệu, cần phải đo một tham số cơ bản khác: năng lượng liên kết (gọi là gap) của các cặp điện tử bảo đảm sự tải dòng điện. Năng lượng này càng cao, cặp đôi điện tử càng vững bền. Trong lý thuyết BCS, mối quan hệ giữa năng lượng này và nhiệt độ tới hạn là không đổi, không phụ thuộc vào chất liệu. Ngược lại, trong cuprat, mà BCS không áp dụng đối với nó, thì tình hình phức tạp hơn nhiều.

Vào cuối tháng 2 năm 2001, hai nhóm nghiên cứu ở Chicago và một nhóm Israel đã công bố những số liệu đo gap đầu tiên: 3 kết quả khác nhau, mặc dù tất cả đều dùng chung một kỹ thuật đo là quang phổ học hiệu ứng đường hầm. Trong khi đó, vào tháng 4, các nhà khoa học Nhật Bản, bằng một phương pháp khác, đã cho thấy điều kỳ dị: giá trị đạt được có vẻ như phụ thuộc vào sự định hướng của tinh thể diborure magê được sử dụng.

Từ những kết quả này, chúng tôi quyết định tiếp cận với diborure magê. Thực tế chúng tôi có một lợi thế kỹ thuật so với những nhóm nghiên cứu trước: chúng tôi làm chủ phương pháp quang phổ hiệu ứng đường hầm nội hạt, nghĩa là chúng tôi có thể đo gap của chất siêu dẫn tại từng điểm trên bề mặt mẫu, chứ không chỉ tổng thể. Chúng tôi rải bột diborure magê, sau đó với một mũi nhọn của kính hiển vi , chúng tôi quét một cách hệ thống bề mặt mẫu. Độ phân giải nhỏ hơn khoảng cách giữa các nguyên tử tại mỗi vị trí, chúng tôi ghi lại các biến đổi của dòng đường hầm tùy theo điện áp. Nếu tất cả diễn ra bình thường, đạo hàm của đường cong đạt được sẽ là một đường cong 2 đỉnh mà khoảng cách giữa chúng tỷ lệ thuận với gap.

Nhưng chúng tôi cũng nhận thấy một điều bất bình thường: vài trăm trong số hàng chục nghìn đường cong đạt được lại có 4 đỉnh, thay vì 2 đỉnh, tại cùng các chỗ như nhau. Có lẽ do may mắn, chúng tôi đã phát hiện ra một đặc tính siêu dẫn của diborure magê chăng? Hay 4 đỉnh này chỉ là sản phẩm giả tưởng?

Nếu chúng liên quan đến tính siêu dẫn, thì chúng phải biến mất ở cùng một nhiệt độ: 39 kelvin. Về nguyên tắc, chỉ cần dịch chuyển đến một điểm của mẫu, nơi người ta có thể quan sát 4 đỉnh này, sau đó xác định vài đường cong để đo khi tăng nhiệt độ. Tuy nhiên thực tế thì điều này là không thể thực hiện. Bởi vì khi làm nóng mẫu, nó sẽ giãn nổ. Mũi nhọn của kính hiển vi khi di chuyển trên bề mặt diborure magê có nguy cơ chuyển từ hạt này sang hạt khác. Lý tưởng nhất sẽ là làm việc chỉ trên một tinh thể diborure, cũng đủ rộng để không bị lệch ra ngoài lề với một bề mặt sạch, phẳng và không lỗi. Không may là đến giờ loại mẫu này vẫn không có sẵn.

Chúng tôi có một ý tưởng khác: nếu phép quang phổ hiệu ứng đường hầm cần phải có một dòng điện chạy qua giữa một kim loại và chất siêu dẫn, nhưng theo chiều nào không quan trọng mấy. Vậy hãy đảo ngược vai trò: thay vì dò diborure magê với một mũi nhọn kim loại, chúng tôi dò kim loại với một mũi nhọn bằng tinh thể diborure magê. Như vậy chúng tôi có thể sử dụng một mẫu kim loại có bề mặt rộng, phẳng và không lỗi. Nếu mũi nhọn kính hiển vi trệch đi khi làm nóng lên, điều đó cũng không thay đổi gì đối với diborure magê: dòng điện luôn chạy qua mức tối đa.

Cách này cho phép chúng tôi quan sát thấy cả 4 đỉnh xuất hiện đồng thời, khi nhiệt độ tới gần 39 độ kelvin. Chúng gắn liền với tính siêu dẫn. Rút ra điều gì từ đây? Số lượng đỉnh nhân đôi có nghĩa là diborure magê có 2 gap? Như vậy có thể có 2 loại cặp điện tử thay vì một cặp. Như thể trong diborure magê có 2 chất siêu dẫn chồng lên nhau! Hai tháng trước thử nghiệm của chúng tôi, hiện tượng này đã được 3 nhà khoa học của trường Đại học Washington tiên đoán. Họ nhận xét rằng cấu trúc hóa học của diborure magê dẫn đến tính siêu dẫn rất đặc biệt. Vật liệu này được cấu tạo từ sự xếp chồng 2 loại mặt phẳng.xen kẽ, một được tạo thành từ bo, và một từ magê. Trong lòng 2 lớp này, các nguyên tử bo xếp theo hình tổ ong, còn nguyên tử magê theo hình tam giác. Các điện tử của các nguyên tử này hình thành nên mối liên kết hóa học giữa hai loại. Một mặt chúng bảo đảm tính cố kết trong mặt phẳng nguyên tử bo, được gọi là "hai chiều" (2D). Mặt khác chúng duy trì các mặt phẳng xếp chồng triển khai trong không gian 3 chiều (3D).

Nhưng một số điện tử liên kết 2D trong mặt phẳng bo không tồn tại ở đấy nữa, mà bị hấp dẫn bởi các nguyên tử magê, chúng chuyển sang loại liên kết 3D. Những điện tử này chính đã hình thành nên các cặp và cho ra đời tính siêu dẫn. Đấy là loại cặp đôi đầu tiên, 3D. Như vậy, còn thiếu các điện tử trong liên kết 2D. Hay nói cách khác có những lỗ hổng mà người ta có thể coi như những hạt chứa điện tích dương. Tính siêu dẫn không phân biệt các điện tử và lỗ hổng: cả hai đều có khả năng tạo nên các cặp đôi. Các lỗ hổng của liên kết 2D cung cấp loại loại cặp đôi thứ hai, 2D.

Như vậy có thể hiểu tại sao hai loại cặp đôi dẫn đến một nhiệt độ tới hạn cao. Theo Lý thuyết BCS, sự hình thành các cặp đôi tích điện phụ thuộc rất nhiều vào độ rung đặc thù của chất liệu. Rung càng chậm thì việc tạo các cặp đôi càng khó. Rung càng nhanh thì các cặp càng vững bền. Mà bo là một nguyên tử nhẹ, rung rất nhanh. Ngoài ra cũng theo Lý thuyết BCS, sự giam hãm các cặp đôi tích điện trong mặt phẳng cũng sẽ làm tăng năng lượng liên kết của chúng. Và năng lượng này càng lớn thì nhiệt độ tới hạn càng cao. Những tính toán chi tiết cho thấy nếu chỉ có các cặp 2D trong chất liệu thì nhiệt độ tới hạn sẽ là 45 độ kelvin. Chính những căp 3D, với gap nhỏ hơn đã kéo nhiệt độ xuống 39 độ kelvin.

Các thử nghiệm cố gắng tăng nhiệt độ tới hạn đều vô ích. Điều chủ yếu trong các nghiên cứu ứng dụng hiện nay là nhằm tăng giá trị từ trường tới hạn, mà qua ngưỡng này tính siêu dẫn sẽ biến mất. Diborure magê thay thế cuprat với chi phí rẻ hơn nhiều. Một điều quan trọng khác ngay cả khi nó tuân theo lý thuyết BCS, diborure magê vẫn là một thể loại siêu dẫn mới, đã mở rộng giới hạn nhiệt độ tới hạn của chất siêu dẫn "cổ điển". Không có gì ngăn cản để nghĩ rằng tính siêu dẫn sẽ đạt được nhiệt độ tới hạn cao hơn trong tương lai.

N.N.L. (theo La Recherche, 11/2003)