Ngày 22 tháng 6 năm 2011, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf đã lập một kỉ lục thế giới mới với từ trường mạnh 91,4 Tesla. Để đạt tới kỉ lục này, Sergei Zherlitsyn cùng các đồng nghiệp của ông tại Phòng thí nghiệm Từ trường Cao Dresden (HLD) đã chế tạo một cuộn dây nặng chừng 200 kg trong đó mang dòng điện tạo ra từ trường khổng lồ - trong khoảng thời gian vài mili giây. Cuộn dây trải qua thí nghiệm một cách bình an vô sự.
“Với kỉ lục này, thật ra chúng tôi không quan tâm việc đạt tới những giá trị trường cao, mà thay vào đó là việc sử dụng nó trong nghiên cứu khoa học vật liệu”, Joachim Wosnitza, giám đốc HLD giải thích. Các nhà khoa học trên thật sự tự hào là những người đầu tiên trên thế giới tạo ra được một từ trường cao như vậy dành cho nghiên cứu. Từ trường càng mạnh thì các nhà khoa học càng có thể khảo sát chính xác những chất liệu dùng cho những linh kiện điện tử tiên tiến hoặc cái gọi là các chất siêu dẫn – chất dẫn điện mà không có điện trở. Những từ trường cao như vậy được tạo ra bằng cách cho một dòng điện đi qua một cuộn dây đồng.
Từ trường sinh ra trong cuộn dây (Ảnh minh họa)
Nhưng từ trường cũng ảnh hưởng đến dòng điện vì nó cố gắng đẩy dòng điện ra khỏi cuộn dây. Dòng điện càng mạnh thì lực đẩy từ càng mạnh. “Ở 25 tesla, dây dồng sẽ bị xé toạc ra”, Joachim Wosnitza mô tả một kịch bản có khả năng xảy ra của sự mâu thuẫn này giữa từ trường và kim loại. Để so sánh: Một nam châm dùng trong tủ lạnh thương mại tiêu biểu có từ trường chỉ 0,05 tesla.
Để khảo sát càng cặn kẽ càng tốt sự tích điện ở những chất liệu thuộc về tương lai, các nhà nghiên cứu cần những từ trường cao hơn nữa, thí dụ 90 hoặc 100 tesla. “Tuy nhiên, ở 100 tesla, lực Lorentz bên trong dây đồng sẽ tạo ra một áp lực bằng 40.000 lần áp suất không khí ở ngang mực nước biển”, Joachim Wosnitza cho biết. Những lực này sẽ xé toạc sợi dây đồng ra giống như một vụ nổ vậy. Đây là nguyên do các nhà nghiên cứu sử dụng những hợp kim đồng đặc biệt có thể chịu nổi hàng chục nghìn áp suất khí quyển. Sau đó, họ thêm vào một lớp bọc làm từ sợi đặc biệt thường dùng cho áo chống đạn và giữ chặt hợp kim lại. Các kĩ thuật viên HZDR quấn sáu sợi dây đặc biệt này với lớp bọc thành một cuộn dây có một không gian rỗng 16 mm tại tâm của nó. Điều này cho phép tạo ra 50 tesla bên trong cuộn dây đặc biệt này khi có một xung điện ngắn nhưng mạnh đi qua dây đồng – một quá trình tắt ngay sau chỉ 0,02 giây.
Tuy nhiên, từ trường như thế vẫn còn thua xa kỉ lục thế giới 89 tesla mà người Mĩ đã tạo ra ở Los Alamos hồi vài năm trước. Và đây là nguyên do các kĩ thuật viên quấn thêm một cuộn dây thứ hai gồm mười hai lớp dây đồng xung quanh cuộn dây thứ nhất. Tuy nhiên, sợi dây này chỉ có thể chống chọi với 2.500 lần áp suất khí quyển. Nhưng được bảo vệ bởi một lớp bọc plastic, một xung điện kéo dài chỉ một phần năm của một giây là đủ để tạo ra một từ trường 40 tesla bên trong cuộn dây. Cùng với 50 tesla của cuộn dây bên trong, từ trường này cộng gộp lại thành kỉ lục thế giới mới với hơn 90 tesla. Được bọc trong một bao thép, cuộn dây kép này có chiều cao 55 cm và đường kính 32 cm; như vậy nó tương đương với một thùng nước kha khá. Trong vòng vài tuần lễ, các kĩ thuật HZDR làm việc với cuộn dây không chỉ lập kỉ lục thế giới, mà còn sẽ cho phép tiến hành nhiều nghiên cứu chất liệu mới trong tương lai trong từ trường kỉ lục trên.
Vì những thí nghiệm như thế, các nhà nghiên cứu đang đổ xô đến Dresden không chỉ từ Regensburg, Garching, và Karlsruhe, mà còn từ khắp châu Âu. Ngay cả các nhà khoa học Mĩ và Nhật Bản cũng đang đặt vấn đề họ có thể phân tử chất liệu của họ tại HZDR. Và kể từ hôm nay, năm căn phòng hiện có được trang bị những cuộn dây tương tự có thể không còn đủ đáp ứng nhu cầu của đám đông nhà nghiên cứu, và một bộ sáu “tế bào xung” nữa sẽ được xây dựng vào năm 2015. Nghiên cứu từ trường tại HZDR thật ra còn tiếp tục đẩy mạnh hơn nữa sau kỉ lục thế giới trên.
