Süperiletkenlik Ve Süperiletken Malzemeler Nelerdir?

SÜPERİLETKENLİK VE SÜPERİLETKEN MALZEMELER




1.Süperiletkenliğin Prensipleri




Süperiletkenlik saf metal,alaşım,oksit ve organiklerden oluşan malzemelerden 1900 yılının başlarından itibaren bulunmaktadır Danimarkalı fizikçi H.K. Onnes 1911’de 4,2 K sıcaklığında Hg metalinde süperiletkenliği keşfetti(-2).Onnes’in bu çalışmalarıyla gerekli koşullar sağlandığında mükemmel diamagnet özellik gösteren ve elektriksel direncin belirli bir kritik sıcaklığın altında bir anda sıfıra düşmesine süperiletkenlik denilmiştir.Askeri,tı bbi,ticari ve bilimsel açıdan çok fazla uygulama alanı bulunan süperiletkenliğin önemi hemen anlaşılsa da malzemelerde süpriletkenliğin başlama sıcaklığı olarak nitelendirilen kritik sıcaklık(Tc) değerinin yeterince yükseğe çıkartılamaması, temel










H He


Li Be B C N O F Ne


Na Mg Al Si P S Cl Ar


K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr


Rb Sr V Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe


Cs La Lu Hi Ta W Re Os Tr Pt Au Hg TI Pb Bi Po At Rn


Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Eg Em Md No Lw




Lantanitler




La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm






-Geçiş element süperiletkenleri -Süperiletken*


-Geçiş element süperiletkenleri* -Potansiyel süperiletken


-Geçiş olmayan element süperiletkenleri -Lantanitler


-Geçiş olmayan element süperiletkenleri* -Süperiletken olmayan




*Sadece basınç altında






Direnç(ohm)


0.12 - Direnç(ohm) 0.012 -


0.10 - 0.010 -


0.08 - 0.008 -


0.06 - 0.006 -


0.04 - 0.004 -


0.02 - 0.002 -


0.00 - 0.000 -


- 0.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . .


4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 0 20 40 60 80


Sıcaklık (K) Sıcaklık (K)


(a) (b)




(a) 1911’de K. Onnes’in Hg ve (b) Bednorz ve Müller’in yüksek sıcaklık seramik süperiletkenlerin keşfedilmesiyle elde edilen süperiletkenlik için sıcaklığın fonksiyonu olarak elek tiksel direnç




Manyetik Alan yok Manyetik Alan var




Süperiletken Mükemmel iletken Süperiletken Mükemmel iletken








B= 0 Oda sıcaklığı B= 0 B Oda sıcaklığı B






(A) (E)


(I) (L)




Soğutma Soğutma










Soğutma Soğutma








(B) (F)












B B B B








(C) (G) (J) (M)












B= 0 B= 0 B= 0








(D) (H) (K) (N)




Geçiş sıcaklığın altına soğutulduğunda dış manyetik alanın (B) varlığında ve yokluğunda süperiletkenlerin manyetik davranışlarının karşılaştırılması.


problemlerden olmuştur. 1980’li yıllara kadar Nb3Ge bileşiğinde en yüksek geçiş sıcaklığı 23.4 K olmuştur. Ancak 1986 yılında Bednorz ve Müller kritik sıcaklığı 30 K olan La1.85Ba0.15CuO4 seramik bileşiğini sentezlemesiyle bilim dünyasının çehresi değişmiş () ve Schilling ve arkadaşları 1193’de kritik sıcaklık Hg-Ba-Ca-Cu-O bileşiğinde 133 K’e kadar çıkartmıştır. Bütün süperiletkenlerin kritik sıcaklığı oda sıcaklığının altında olup,istenen sıcaklığa sıvılaştırılmış gazlar veya atmosferik basınç altında ulaşılır. Bu soğutuculardan en önemlileri sıvı helyum ve azottur. Süperiletken malzemenin direncinin sıfır olması süperiletkenlik geçişinde cereyan eden elektriksel akımların ölçülmesiyle tespit edilmektedir.


Sıfır elektriksel direnç sadece süperiletkenliği tanımlamada kullanılmaz. Ayrıca,süperiletken malzeme mükemmel diamanyetik özellikler de göstermelidir Termodinamik faz geçişinde normal iletkenden süperiletkenliğe ani geçiş sadece sıcaklıkla değil,numunenin yüzeyindeki manyetik alan mukavemetiyle (H) de saptanır. Manyetik alan burada bulunan kritik manyetik alanın (Hc) üzerine çıkarsa süperiletkenlik yok olur. Süperiletkenliği tanımlamada sıcaklık,akım yoğunluğu ve manyetik alan gibi parametreler kullanılır. Bir metal manyetik alana konulduğunda alan onun içinden geçer. Manyetik alanın çok kuvvetli olduğu yerlerde alan çizgileri birbirlerine çok yakındır. Bir süperiletken soğutularak manyetik alana konulup ve sonra geçiş sıcaklığın altına indirilirse, numunenin içnden manyetik alan uzaklaştırılır. Süperiletken halde bu malzemenin içinden manyetik alan geçmeyerek dışarıdan dönmesine Meissner etkisi denir. Bu durumda manyetik alan çizgileri süperiletkenin dışından hareket eder. Elektriksel direnç süperiletken içinde sıfır olduğu için elektriksel alanda sıfırdır. Faraday kanunundan süpariletkenin içnde manyetik akının değişmeyeceğini gösterir. Zamana bağlı olarak manyetik alan değişimi sıfırdır. Buna göre mükemmel diamgnetik özellik gösteren malzemeler sıfır direnç göstermesi I tip süperiletkenler olarak adlandırılır. Düşük seviyeli manyetik alanın kovulması kritik geçiş sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda 100-300 A ‘luk karakteristik kalınlıklı çok ince katmanın haricinde tamamlanır. Bir süperiletken yüzeyde manyetik alan uygulanmasıyla normal hale getirilebilir. Bu alan süperiletken içinde akan sayesinde üretilebilir. Ayrıca bu akımlar süperiletken içinde sıfır alana gelen ve iç alana karşı olan manyetik alan üretir. Bu yüzey akımları sonsuz akım yoğunluğuna sahip olmadığı için iç alan kılıfın kalınlığı geçerek süperiletkene nüfuz eder. Bu karakter mesafesine manyetik penetrasyon derinliği ((T)) denirve sıcaklığın bir fonksiyonudur.






Süperiletken malzemelerin mükemmel diamagnetizması süperiletken hali manyetik alanın büyüklüğünün yeterli olması halinde termodinamik kararlılığı durduracağını ifade eder. Böylece termodinamik kritik alan normal ve süperiletken hallerinin hacimsel Gibbs serbest enerjisindeki fark ile tanımlanır. Bu fark yoğunlaşma enerjisi olup,Eşitlik-1 ile belirtilir.






2


Gn(T) – Gs(T) = oHc(T) / 2 Eşitlik-1






Burada, Gn(T)-Gs(T): süperiletken hallerinin volumetrik Gibbs serbest enerjisindeki farkı olan yoğunlaşma enerjisi, o: manyetik süseptibilite, T:sıcaklık ve Hc(T) ise manyetik alandır. Hc’den daha büyük manyetik alan uygulanması süperiletkenlik hali yok edecektir.

*