K. Alex Müller: Nhà tiên phong về chất siêu dẫn

Karl Alexander Müller là nhà vật lý người Thụy Sĩ đã tạo ra bước đột phá trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu siêu dẫn. Ông là trường hợp hiếm hoi nhận được giải Nobel Vật lý cho công trình nghiên cứu hoàn thành ngay trước khi giải thưởng được công bố.

K. Alex Müller, trái, và J. George Bednorz đang làm việc tại IBM Research ở Zurich trong một bức ảnh không ghi ngày tháng. Họ chia nhau giải Nobel Vật lý năm 1987 vì khám phá ra rằng một số đồ gốm có thể là chất siêu dẫn.Ảnh: IBM
Đôi nét tiểu sử
Karl Alex Müller sinh ra ở Basel, Thụy Sĩ, vào ngày 20/4/1927, là con một trong gia đình. Ngay sau khi Alex chào đời, gia đình ông chuyển đến Salzburg, Áo, nơi người cha nghiên cứu âm nhạc. Vài năm sau, khi cha mẹ chia tay, Alex và mẹ chuyển đến Dornach, Thụy Sĩ, gần Basel, để sống với ông bà ngoại. Sau đó hai mẹ con chuyển đến Lugano, một vùng nói tiếng Ý của Thụy Sĩ.
Năm Alex lên 11 tuổi thì mẹ ông không may qua đời. Trong bảy năm tiếp theo ông học tại Trường dòng Tin lành, một trường nội trú ở Schiers, miền Đông Thụy Sĩ. Ông hiếm khi gặp lại cha mình vì người cha đã tái hôn và có một đứa con khác. Thời gian Alex học tại trường trùng với thời điểm Thế chiến Thứ hai bùng nổ và kết thúc.
Sau khi hoàn thành nghĩa vụ quân sự bắt buộc trong Quân đội Thụy Sĩ, Alex nhập học tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ở Zurich. Việc sử dụng vũ khí nguyên tử để chống lại quân Nhật vào năm trước (1945) đã khiến giới khoa học trên toàn thế giới chú ý tới vật lý hạt nhân, do vậy khóa học mới mà ông tham gia có số lượng sinh viên nhiều gấp ba bình thường. Lúc đó, họ bắt đầu các nghiên cứu được gọi là “học kỳ bom nguyên tử”, như sau này tiến sĩ Müller nhớ lại.
Tại Viện Công nghệ, Alex theo học Wolfgang Pauli, một nhà vật lý người Áo đoạt giải Nobel năm 1945, và nhà vật lý người Thụy Sĩ Paul Scherrer nổi tiếng, sau này tên ông được dùng để đặt cho một viện nghiên cứu và kỹ thuật uy tín.
Sau một năm công tác tại một khoa chuyên về nghiên cứu công nghiệp trong Viện Công nghệ, Alex Müller tham gia chương trình tiến sĩ tại đây và lấy bằng tiến sĩ vào năm 1957.
Tiến sĩ Müller công tác tại Viện Tưởng niệm Battelle ở Geneva từ năm 1958 đến năm 1963. Tiếp theo, ông được mời về làm việc tại Viện Nghiên cứu IBM ở Zurich. Trong thời gian này ông còn kiêm chức giảng viên và giáo sư tại Đại học Zurich. Vào năm 1982, ông được trao danh hiệu Thành viên của IBM – vinh dự cao nhất mà một nhà khoa học, kỹ sư hoặc lập trình viên tại IBM có thể đạt được.
Quá trình nghiên cứu
Sau một thời gian công tác tại Viện Nghiên cứu IBM, tiến sĩ Müller bắt đầu quan tâm đến việc tìm kiếm các chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Để bắt tay vào nghiên cứu, ông đã mời sinh viên mà mình từng hướng dẫn làm luận án tiến sĩ là nhà vật lý J. Georg Bednorz về hợp tác.
Karl Alexander Müller (1927-2023). Nguồn: Đại học Zurich.
Họ bắt đầu thử nghiệm strontium titanate, một oxit được phân loại là gốm vì nó không phải kim loại hay hữu cơ. Tiến sĩ Müller đã nghiên cứu các đặc tính của strontium titanate trong 15 năm và cho rằng họ có thể biến đổi nó thành chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Nhưng rồi hóa ra tiến sĩ Müller đã sai, nhưng ông ấy cùng tiến sĩ Bednorz đã thu được một số bài học quý giá và bắt đầu chế tạo lẫn thử nghiệm các loại gốm khác.
Mặc dù cộng đồng khoa học rất đón nhận khám phá về chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao, song cách tiếp cận và các vật liệu mà tiến sĩ Müller và tiến sĩ Bednorz sử dụng đều không theo chuẩn mực, chính vì thế mà họ quyết định giữ bí mật về nghiên cứu này, ngay cả với các đồng nghiệp của mình; hai người rất sợ sẽ nhận về những lời chế giễu.
Như tiến sĩ Bednorz giải thích trong một cuộc phỏng vấn vào năm 2015: “Rất may, các đồng nghiệp nghiên cứu chất siêu dẫn đã cho phép chúng tôi sử dụng thiết bị của họ vào buổi tối. Thật đáng ngạc nhiên là vào ban ngày, không ai chú ý tới nhiều loại vật liệu mà chúng tôi sử dụng đôi khi biến thành màu đen do xuất hiện tính dẫn điện”.
Một bước nhảy vọt lớn xuất hiện vào đầu năm 1986, lúc này họ tạo ra được oxit đồng lanthanum bari, đây là một loại gốm nhưng trở nên siêu dẫn ở -2400C. Thành quả mà họ công bố vào cuối năm đó đã dấy lên một trận phong ba trong cộng đồng khoa học, các nhà nghiên cứu khác liền tham gia vào cuộc đua tìm ra loại gốm sứ có khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn thế.
Giáo sư vật lý Hugo Keller ở Đại học Zurich mô tả nghiên cứu của tiến sĩ Müller và tiến sĩ Bednorz là một “đột phá lớn”. Ông nhận xét: “Chưa từng có ai ngờ rằng có thể phát hiện ra tính siêu dẫn ở những hợp chất như thế. Ngạc nhiên hơn nữa là nhiệt độ tới hạn cao đến vậy”.
Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, hội đồng trao giải Nobel, đã nhanh chóng ghi nhận những bước tiến này. Họ đồng thời trao giải Nobel Vật lý cho cả tiến sĩ Muller và tiến sĩ Bednorz vào tháng 10/1987.
Vô cùng hiếm có nhà khoa học nào thực hiện được những khám phá lớn khi đã gần tuổi lục tuần và nhận được giải Nobel Vật lý, cũng như hiếm có nghiên cứu nào hoàn thành không lâu trước khi giải thưởng diễn ra mà được vinh danh. Thế nhưng nhà vật lý K. Alex Müller đã trở thành ngoại lệ hiếm hoi như thế khi tạo ra bước đột phá ở tuổi 59 và ẵm giải Nobel chỉ 16 tháng sau khi hoàn thành nghiên cứu. Thành quả của tiến sĩ Müller và tiến sĩ Bednorz đã mở ra những khả năng khoa học và áp dụng thực tiễn mới mẻ cho vật liệu siêu dẫn.
Vật liệu siêu dẫn là gì?
Chất siêu dẫn là một loại vật liệu thường có màu đen, nó có thể dẫn điện mà không mang điện trở, cho phép dòng điện chạy qua nó mà không bao giờ mất năng lượng. Ngoài ra, chúng còn có đặc tính hữu ích khác: chúng tạo ra những từ trường cực mạnh.
Tính siêu dẫn được ngẫu nhiên phát hiện vào năm 1911. Khi đó, nhà vật lý người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes đang thực hiện các nghiên cứu về hạ nhiệt độ của một loạt các chất khí xuống mức chúng trở nên hóa lỏng. Nhiệt độ đó thường gần nhiệtđộ 0 tuyệt đối, tương ứng với −273,150C trên thang nhiệt độ Celsius và −459,670F trên thang nhiệt độ Fahrenheit. Ông đã nhận được giải Nobel vào năm 1913 vì nghiên cứu nhiệt độ thấp này.
Tiến sĩ Kamerlingh Onnes đã khám phá ra tính siêu dẫn khi hạ nhiệt độ của thủy ngân xuống −4520F (-268,880C). Sau này ông còn phát hiện nhiệt độ siêu dẫn của thiếc là −4530F (-269,440C) và chì là -4470F (-266,110C).
Trong những thập niên kế tiếp, các nhà khoa học đã dần dần phát hiện ra những vật liệu có thể mang tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn. Nhưng vào cuối những năm 1970, không một ai từng phát hiện ra chất nào có thể mang đặc tính như vậy ở nhiệt độ cao hơn −4240F (-253,330C), chính vì thế mà việc sử dụng các chất siêu dẫn trở nên không thực tế.
Cho tới ngày nay, việc sử dụng những vật liệu này ở ngoài thực tế vẫn bị hạn chế bởi gốm sứ rất giòn, dễ vỡ. Thế nhưng cáp siêu dẫn nhiệt độ cao đã được sử dụng để dẫn điện cho các nam châm được sử dụng trong cả Máy gia tốc hạt lớn CERN ở Thụy Sĩ và Dự án Chất siêu dẫn Holbrook ở Long Island.
Trong tương lai, có hy vọng rằng các chất siêu dẫn nhiệt độ cao sẽ có thể được ứng dụng để nâng tàu lên trên đường ray, cho phép chúng di chuyển mà không chịu sức cản cơ học và với tốc độ cao chưa từng thấy ngày nay.
Tiến sĩ Müller qua đời vào ngày 9/1/2023.