Trung Quốc vừa đạt được một bước đột phá kỹ thuật quan trọng khi phát triển thành công một nam châm siêu dẫn toàn phần với cường độ từ trường trung tâm lên tới 35,6 Tesla - mức cao nhất từng được ghi nhận đối với loại nam châm này trên toàn cầu. Thiết bị được chế tạo tại Synergetic Extreme Condition User Facility thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) ở Bắc Kinh, cho thấy quốc gia này đang tiến rất nhanh trong lĩnh vực công nghệ từ trường mạnh, đồng thời cung cấp một công cụ nghiên cứu cực kỳ giá trị cho các nhà khoa học trong và ngoài nước. 

Nam châm siêu dẫn mới này có lõi từ trường với khẩu độ sử dụng đạt 35 milimét, đủ để thực hiện các thí nghiệm yêu cầu từ trường cực mạnh ở quy mô thực nghiệm. Cường độ 35,6 Tesla này tương đương từ 12 đến 24 lần cường độ từ trường của hệ thống chụp cộng hưởng từ (MRI) thường thấy trong y tế, vốn là mức từ trường mạnh nhất mà con người tiếp xúc trong đời sống hằng ngày, và gấp hơn 700.000 lần từ trường tự nhiên của Trái Đất. 

Điểm đặc biệt của thành tựu này là nó được thiết kế như một “nam châm dùng chung” cho cộng đồng nghiên cứu, giúp các nhóm khoa học quốc tế tiến hành các thí nghiệm ở điều kiện cực hạn mà trước đây chỉ có thể thực hiện ở các phòng thí nghiệm đặc thù. CAS cho biết nam châm siêu dẫn mạnh trường cao này được tạo ra nhờ sự phối hợp giữa các nhóm nghiên cứu thuộc Viện Kỹ thuật Điện và Viện Vật lý, giải quyết thành công cả các thách thức về giám sát tình trạng hoạt động, đo đạc chính xác và tích hợp hệ thống cho nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao vốn là những yếu tố cực kỳ phức tạp khi làm việc ở các môi trường từ trường mạnh và nhiệt độ thấp. 

Từ trường mạnh mở rộng giới hạn nghiên cứu vật chất

Nam châm siêu dẫn là những thiết bị sử dụng các vật liệu khi được làm lạnh xuống nhiệt độ cực thấp sẽ dẫn điện gần như không có điện trở, cho phép tạo ra những từ trường cực mạnh với độ ổn định cao và tiêu thụ năng lượng rất thấp so với nam châm điện thông thường. Loại nam châm này là công cụ trọng tâm trong nhiều nghiên cứu vật lý cơ bản, đặc biệt trong các lĩnh vực vật liệu lượng tử, trạng thái vật chất mới, nghiên cứu hạt nhân và phản ứng nhiệt hạch - nơi cần những từ trường mạnh để kiểm soát và quan sát các hiện tượng ở quy mô cực nhỏ. 

Thành tựu nam châm 35,6 Tesla cũng đánh dấu năng lực công nghệ cao mới cho Trung Quốc, bởi trước đó quốc gia này từng thiết kế các nam châm siêu dẫn với cường độ thấp hơn nhưng vẫn xếp trong nhóm năng lực hàng đầu thế giới. Ví dụ, vào năm 2019, kỹ sư Wang Qiuliang,  nhà khoa học thuộc Viện Kỹ thuật Điện của CAS, đã dẫn đầu nhóm phát triển nam châm siêu dẫn đạt cường độ 32,35 Tesla, phá kỷ lục trước đó do Mỹ nắm giữ, và mở đường cho các bước tiến tiếp theo trong công nghệ từ trường mạnh. 

Nam châm siêu dẫn cực mạnh không chỉ là một con số kỷ lục: nó tạo ra các môi trường thử nghiệm lý tưởng để các nhà khoa học khám phá các tính chất vật lý chưa được biết đến ở điều kiện cực đoan. Việc tạo ra từ trường ổn định vượt ngưỡng 30 Tesla có thể giúp nghiên cứu hiệu ứng lượng tử, sự tương tác electron phức tạp trong vật liệu mới và kiểm tra các lý thuyết vật lý nền tảng vốn chưa thể chứng minh trong thực nghiệm trước đây. 

Nam châm siêu dẫn mạnh như thiết bị vừa phát triển ở Bắc Kinh có giá trị ứng dụng rất lớn trong nhiều ngành công nghệ tiên tiến. Trong lĩnh vực khoa học cơ bản, chúng hỗ trợ thí nghiệm trên vật liệu mới, quan sát các hệ lượng tử phức tạp và xây dựng mô hình các hiện tượng nhân tố cao. Trong các thiết bị y tế cao cấp, từ trường mạnh giúp nâng cao độ phân giải và tốc độ chụp ảnh y học hiện đại như MRI chuyên sâu. Trong lĩnh vực năng lượng, công nghệ siêu dẫn là nền tảng cho các máy gia tốc hạt, điện từ siêu dẫn trên lưới điện, và tiềm năng cho phản ứng nhiệt hạch - nguồn năng lượng sạch trong tương lai. Trong giao thông, nam châm siêu dẫn là thành phần quan trọng của các hệ thống tàu điện từ (maglev) vận hành không tiếp xúc cơ khí, giảm ma sát và nâng cao tốc độ hiệu quả. 

Ngoài ra, CAS cũng nhấn mạnh việc phát triển thành công công nghệ này sẽ giúp Trung Quốc và cộng đồng khoa học toàn cầu rút ngắn khoảng cách với các nền khoa học tiên tiến khác, chắp cánh cho các khám phá lớn trong lĩnh vực khoa học sự sống và khoa học vật chất thông qua các thí nghiệm cần điều kiện từ trường cực cao, vốn trước đây bị giới hạn bởi khả năng thiết bị. 

Triển vọng và thách thức phía trước

Mặc dù thành tựu này mở ra những khả năng nghiên cứu mới, giới chuyên gia cũng nhắc đến nhiều thách thức kỹ thuật và chi phí vận hành. Nam châm siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ cực thấp, gần điểm 0 Kelvin, đòi hỏi hệ thống làm lạnh helium lỏng phức tạp và tiêu tốn năng lượng để duy trì điều kiện vận hành an toàn và ổn định. Việc mở rộng quy mô hoặc tăng cường cường độ từ trường trên 40 Tesla - một mục tiêu được các nhà khoa học Trung Quốc lên kế hoạch theo đuổi - sẽ còn đòi hỏi nhiều cải tiến lớn trong quy trình thiết kế, vật liệu và làm lạnh. 

Tuy nhiên, bước đột phá nam châm 35,6 Tesla không chỉ là một cột mốc kỹ thuật, mà còn là bước mở đầu cho một kỷ nguyên mới trong nghiên cứu cực hạn và ứng dụng công nghệ siêu dẫn mạnh, nơi các ranh giới cũ của khoa học và công nghệ đang được dời dịch. Các nhà nghiên cứu kỳ vọng rằng với nền tảng thiết bị này, những khám phá về lượng tử, vật liệu mới và hiểu biết về thế giới vi mô sẽ ngày càng sâu rộng hơn, đóng góp vào sự tiến bộ của khoa học toàn cầu. 

N.P.A (NASTIS), tổng hợp từ Tân hoa xã