Giải Nobel vật lý năm 2003 được trao cho 3 nhà vật lý là Aleksei A. Abrikosov (hiện đang làm việc tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Illinoi, Mỹ), Vitalii L. Ginzburg (hiện đang làm việc tại Viện Vật lý Lêbêđép, Viện Hàn lâm Khoa học LB Nga) và Anthonny J. Leggett (hiện là Giáo sư Đại học Tổng hợp Illinois, Mỹ) "vì những đóng góp có tính tiên phong đối với các lý thuyết về hiện tượng siêu dẫn (Superconductivity) và siêu chảy (Superfluidity)".

Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng điện trở của một số vật rắn đột ngột mất hẳn khi nhiệt độ của chúng giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định (gọi là nhiệt độ tới hạn). Hiện tượng siêu dẫn có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với khoa học và công nghiệp hiện đại. Có thể nêu ra những ví dụ như: truyền tải điện năng và dữ liệu không có tổn hao; nam châm siêu dẫn với từ trường siêu mạnh; cảm biến siêu nhạy dựa trên hiện tượng giao thoa lượng tử; máy chụp cộng hưởng từ hạt nhân (MRI-Magnetic Resonance Imaging). Hai nhà sáng chế ra máy chụp cộng hưởng từ hạt nhân năm nay cũng được nhận giải thưởng Nobel, nhưng về sinh học và y học. Một trong những ứng dụng gây ấn tượng nhất của hiện tượng siêu dẫn- đó là những xe lửa siêu tốc chạy trên đệm từ, hoạt động dựa trên hiệu ứng Meissner, còn gọi là hiệu ứng bay lơ lửng trong từ trường.

Hiện tượng siêu chảy là hiện tượng độ nhớt của một số chất lỏng giảm đột ngột về 0 ở nhiệt độ rất thấp. Kết quả là chất lỏng đó có thể chảy hoàn toàn tự do mà không hề chịu một sức cản nào. Việc khảo sát hiện tượng siêu chảy cho phép đi sâu nghiên cứu những quá trình xảy ra bên trong vật chất khi nó ở trạng thái có năng lượng thấp nhất và có trật tự cao nhất.

Lịch sử của cả hai hiện tượng được giải Nobel năm nay đều được khởi đầu cùng với việc hoá lỏng thành công chất khí Hêli vào năm 1908, tại phòng thí nghiệm của H. Kamerlingh-Onnes ở Leiden (Hà Lan). Hầu như trong suốt 15 năm sau đó, phòng thí nghiệm này đã là nơi duy nhất có thể chế tạo được Hêli lỏng và có thể tiến hành những nghiên cứu trong lĩnh vực nhiệt độ thấp từ 4,20K đến 770K. Năm 1911, Kamerlingh-Onnes và các cộng sự đã phát hiện thấy điện trở của thủy ngân giảm đột ngột về 0 khi nhiệt độ của nó xấp xỉ nhiệt độ sôi của Hêli. Hai năm sau, Kamerlingh-Onnes đã được trao giải thưởng Nobel về vật lý vì phát minh này. Cho đến nay, người ta đã phát hiện thấy nhiều vật liệu siêu dẫn ở dạng hợp kim hoặc dạng gốm có nhiệt độ tới hạn khác nhau. Các chất siêu dẫn được chia làm hai loại: loại I và loại II. ở trạng thái siêu dẫn, các chất siêu dẫn loại I hoàn toàn không cho từ trường thấm sâu qua bề mặt của nó để vào bên trong và là một chất nghịch từ lý tưởng. Chất siêu dẫn loại II chấp nhận sự hiện diện đồng thời của trạng thái siêu dẫn và từ trường mạnh. Loại này có nhiều ứng dụng kỹ thuật quan trọng. Lý thuyết giải thích hiệu ứng siêu dẫn của chất siêu dẫn loại I được ba nhà vật lý người Mỹ là J. Bardeen, L.N. Cooper, R.J. Schrieffer đưa ra năm 1957. Theo lý thuyết của BCS (gọi theo ba chữ đầu của tên các tác giả) thì nguyên nhân làm xuất hiện hiệu ứng siêu dẫn là do hiện tượng ghép đôi electron trong chất siêu dẫn loại I ở nhiệt độ thấp. Sự ghép đôi electron này xảy ra được là nhờ tương tác của các electron với mạng tinh thể, vì các electron mang điện cùng dấu nên bình thường không thể kết thành một đôi được. Cặp electron đó sẽ có spin nguyên, có khả năng ngưng kết ở trạng thái lượng tử có mức năng lượng thấp nhất. Trong trạng thái siêu dẫn, các electron ghép đôi khi di chuyển bên trong tinh thể sẽ không tương tác với các nút mạng, nghĩa là chất siêu dẫn khi đó chuyển tải dòng điện mà không có điện trở. Năm 1972, J. Bardeen, L.N. Cooper, R.J. Schrieffer đã được trao giải Nobel về vật lý. Tuy nhiên, lý thuyết BCS không giải thích được cơ chế hiệu ứng siêu dẫn trong các chất siêu dẫn loại II, vì các electron ghép đôi sẽ phải đẩy từ trường ra khỏi khối chất siêu dẫn.

Hiện tượng siêu chảy của Hêli được phát minh năm 1938. Khi hạ nhiệt độ của Hêli lỏng đến dưới 2,20K, trong chất Hêli lỏng xuất hiện một pha mới gọi là pha Hêli siêu chảy, hay Hêli II (để phân biệt với Hêli I là Hêli lỏng ở trạng thái bình thường, không siêu chảy). Đặc điểm nổi bật của Hêli II là độ nhớt của nó bằng không, nghĩa là nó hoàn toàn không chịu ma sát với thành ống mà nó chảy qua. Người ta đã làm thí nghiệm đo độ nhớt của Hêli II bằng cách cho nó chảy qua một khe hẹp có chiều rộng chỉ bằng 0,5(m được tạo bởi hai tấm thuỷ tinh phẳng đã mài nhẵn, nhưng ngay cả trong điều kiện đó cũng không hề phát hiện thấy Hêli II có một chút độ nhớt nào, tức là Hêli siêu chảy có thể chảy qua khe hẹp một cách hoàn toàn tự do. Hiện tượng siêu chảy được giải thích dựa trên những tính chất đặc biệt của Hêli ở trạng thái lỏng: Hêli lỏng là một chất lỏng đặc biệt, chất lỏng lượng tử mà mỗi hạt của nó, nguyên tử đồng vị He-4, là một hạt có spin nguyên (trong tự nhiên, đồng vị He-4 chiếm hầu như 100% thành phần của Hêli; đồng vị He-3 chỉ chiếm có 0,0001%). Trong những điều kiện nhất định, các hạt có spin nguyên có thể bị ngưng kết ở trạng thái với năng lượng thấp nhất và khi đó chúng sẽ không trao đổi năng, xung lượng với bên ngoài, có nghĩa là sẽ không chịu ma sát và ở vào trạng thái siêu chảy. Theo lý thuyết này, He-3 ở trạng thái lỏng không thể là một chất siêu chảy, vì nguyên tử đồng vị He-3 có spin bán nguyên.

Nguồn: Physics Today, 11/2003