Süperiletkenliğin Tanımı ve Prensipleri

Oca 07 2008

Süperiletkenliğin Tanımı ve Prensipleri

(0 Oy)

GenBilim Editor

Salı, 08 Ocak 2008

Okunma: 911 kez

Bazı maddelerin doğru akımı, direnç göstermeksizin ve akımda herhangi bir kayıp olmaksızın iletmeleri için aşırı düşün sıcaklıklarda soğutulduklarında, bu maddelerin gösterdikleri özelliklerdir. Bir başka anlatımla, sıcaklığın belli düzeylerin altına çekilmesi durumunda, doğru akıma karşı elektriksel dirençleri sıfır olan malzemelere “süperiletken” denir. Yüzlerce malzeme, çok düşük sıcaklıklarda süperiletkenlere dönüşebilir. Hepsi de metal olan 27 adet kimyasal element, atmosfer basıncında, kendi kristal-grafik formlarında süperiletkenlerdir. Bu metaller arasında en çok bilinenler Kalay, Alüminyum, Kurşun, Renyum, Cıva, Lantan ve Proaktinyum’dur. Bunlara ek olarak, yarıiletken olan 11 metal, düşük sıcaklık ve yüksek basınç altında süperiletkendir. Silikon, Selenyum, Uranyum ve Seryum da bunlar arasında sayılabilir. Bizmut, kendi kristal-grafik yapısında süperiletken olmamasına rağmen aşırı düşük sıcaklıklarda düzenli duruma geçerek süperiletken durumuna gelebilir. Bunların yanında Demir, Mangan, Kobalt ve Krom gibi manyetik metallerin hiçbiri süperiletkenlik özelliğine sahip değillerdir.

Süperiletkenlerin iki belirleyici özelliği vardır:

1- Madde içerisindeki elektrik akımı, madde yapısını oluşturan iyon örgüleriyle çarpışması sonucu engellenir. İşte bu olay, maddenin elektrik akımına karşı gösterdiği direnci oluşturur. Aynı madde bir süperiletken durumuna getirildiğinde, maddeyi oluşturan bu iyon örgüsü, elektrik akımını engellemek yerine, ona destek olur. Bu sayede direnç, sıfıra iner.

2- Süperiletkenlerin doğru akıma hiç direnç göstermemelerinin yanında bir ayırt edici özellikleri daha vardır: Süperiletkenler, yakınlarında bulunan bir manyetik alanı dışlarlar. Yani bir mıknatıs, kritik sıcaklığın altındaki bir süperiletkeni, sanki karşısında ters kutuplu bir mıknatıs varmışçasına iter.

Süperiletkenlik; saf metal, oksit, alaşım ve organik maddelerden oluşan malzemelerden 1900’lü yılların başlarından itibaren bulunmaktadır. Danimarkalı fizikçi Onnes, 1908’de 4,2 K sıcaklıkta Civa metalinde süperiletkenliği keşfetti. Onnes, bu çalışmalarıyla gerekli koşullar sağlandığında olağanüstü diamanyetik özellik gösteren ve elektriksel direncin, belli bir kritik sıcaklığın altına inildiğinde birden bire sıfıra inmesine süperiletkenlik denmiştir.

Süperiletkenliğin önemi hemen anlaşılmış olsa da, malzemelerde süperiletkenliğin başlama sıcaklığı olarak nitelendirilen kritik sıcaklık düzeyinin yeterince yükseğe çıkarılamaması temel sorunlardan birini oluşturmuştur. 1980’li yıllara kadar Nb3Ge bileşiğinde en düksek 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 şekli değişmiş, Schilling ve arkadaşları tarafından 1993’te kritik sıcaklık Hg-Ba-Ca-Cu-O bileşiğinde 133 K’e kadar çıkarılmıştır. Tüm süperiletkenlerin kritik sıcaklıkları oda sıcaklığının altında olup, istenen bu düşük sıcaklıklara ancak sıvılaştırılmış gaz uygulamaları veya atmosferik basınç altında ulaşılmaktadır. Bu soğutucu gazlardan en önemlisi sıvı Helyum ve Azot’tur.

2- SÜPERİLETKENLİĞİN TARİHÇESİ

Elektronun keşfinin ortaya çıkardığı en önemli sonuçlardan birisi süperiletkenliğin bulunmasıdır. Elektrik akımı, yani elektronların akışı, iletken kablolar yardımıyla sağlanır. Fakat bu metal kabloların elektriksel dirençleri vardır ve akımın telden akması sırasında bu direnç nedeniyle enerjilerinin bir kısmı atık ısıya dönüşür. Süperiletken malzemelerde ise neredeyse hiç elektriksel direnç yoktur. Dolayısıyla elektrik akımı bir süperiletkenden hiç enerji kaybına uğramadan akabilir.

Süperiletkenliğin keşfi yüzyılımızın başlarında oldu. Danimarkalı fizikçi Kamerlingh Onnes 1908 yılında mutlak sıfırın birkaç derece üstündeki sıcaklıklarda civanın elektriksel direncini ölçerken 4,2 °K’de direncin aniden sıfıra gittiğini gözledi. Daha sonraları, bu mükemmel iletkenliğe keskin geçişin başka metal ve alaşımlarda da olduğu bulundu ve bu olguya süperiletkenlik adı verildi.

Bir metal, özelliklerine bağlı olarak değişen ve geçiş sıcaklığı adı verilen belli bir sıcaklıkta süperiletken hale gelir. Örneğin çinko için bu sıcaklık 0,88 °K iken kurşun için 7,2 °K dir.

Süperiletkenlik olgusu elektronların davranışıyla belirlenir: Süperiletken bir metalin kristal örgüsündeki serbest elektronların, civarlarındaki pozitif iyonlarla etkileşmeleri örgüde kusurlara neden olur. Bunun sonucunda, normalde birbirlerini itmesi gereken elektronlar arasında dolaylı bir çekim kuvveti, dolayısıyla metal içinde elektron çiftleri oluşur. “Cooper Çftleri” adı verilen bu elektron çiftlerinin saçılma ile birbirlerinden ayrılmaları zordur. Üstelik bu çiftlerin saçılmayı önleyici kuantum özellikleri de vardır. Bu çiftler süperiletkenliğin sorumlusudur. Çünkü metallerde elektriksel iletkenlik temelde saçılmaya bağlıdır; ne kadar az sayıda saçılma olursa metal elektriksel olarak o kadar iyi iletken hale gelir.

Süperiletkenlik olgusunun kuramsal olarak açıklanması yüzyılımızın ortalarında John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer isimli üç Amerikalı fizikçi tarafından yapıldı ve bu çalışmaları onlara Nobel ödülü kazandırdı.

3- SPÜERİLETKENLİĞİN YARARLARI VE UYGULAMA ALANLARI

Süper iletkenlerin kullanılmasıyla elde edilen ürünler, süper iletken kablo ve mıknatıslar ile süper iletken film ve Josephsoneklemi ve bunların bileşiminden oluşan mikro devreler olmak üzere iki ana grupta toplanmaktadır.

Elektrik şebekelerinde: Üretim, iletim ve gücün depolanmasında, akım hata sınırlama ve güç kaynağı kalitesini düzeltmek; yani jeneratör, transformatörler, SMES, kablolarve akım hata sınırlayıcılar gibi temel alanlarda kullanılırlar.

Motorlarda: DC ve AC elektrik motorları ve tahrik sistemleri; millerde sürtünme oranını azaltmak amacıyla; enerji biriktirme amacıyla kullanılırlar.

Akım yönlendirici mıknatıs sistemleri, açık sistem MRI, manyetik ayraçlar ve odaklama mıknatısları bünyesinde kullanılırlar.

Enerji depolama: HTS aygıtlarının enerji kayıplarının azaltılmasında, yüksek verim ve düşük işletme maliyetlerine neden olurlar.

Ayrıca HTS aygıtları, aynı güç oranındaki bakırlı çözüme göre daha küçük ve hafif olurlar.

Çevre: Daha az enerji kaybı, transformatörlerde yığın olmaması ve kablolarda manyetik alanların oluşmaması konularında da yardımcıdırlar.

Millerde sürtünmesiz harekete yardımcı olurlar.

4- SÜPERİLETKEN MALZEMELER

4.1. Süperiletken Elementler

Çoğu metal süperiletken özelliği göstermektedir. Alüminyum minimum kritik sıcaklığa sahip olup, 1.1 K değerine sahip bir süperiletkendir. Bunun yanında maksimum kritik sıcaklığa sahip saf element ise 9.2 K değeriyle Niobyum’dur. Oda sıcaklığında elektriği mükemmel ileten soy metallerden Bakır, Gümüş ve Altın; alkali metallerden Sodyum ve Potasyum çok düşük sıcaklıklarda süperiletkenlik göstermezler. Demir, Nikel ve Kobalt gibi manyetik malzemeler de süperiletken değildir.

En basit element olan Hidrojen, normal basınçta gaz halindedir. Ancak 2–2 Mbar basınçlar altında süperiletken olurlar. Basınçlar altında P,As,Se,Y,Sb,Te,Cs,Ba,Bi,Ce ve U elementleri süperiletken olurlar.

Katı Karbon’un yeni şekli içerisine başka element katıldığında süperiletken olur. C60 molekülünün yapısı futbol topuna benzemektedir. C60 yüzey merkezli kübik katıyı oluşturmak için kristallenir. C60’a alkali metaller katıldığında süperiletkenlik keşfedilir. Örneğin, K3C60 ve Rb3C60 için kritik sıcaklık sırasıyla 18 K ve 30 K’dir.

4.2. İkili alaşımlar ve bileşikler

Çoğu alaşımlar ve bileşiklerde kritik sıcaklıklar genellikle elementel metallerden daha yüksektir. Nb3Sn, Nb3Ge ve Nb-Ti bileşik ve alaşımları ile ilgilenilecektir. 300 K’de standart tellerin arasından geçebilen maksimum akım yoğunluğu yaklaşık 2000 A/cm² iken, süperiletkenliği yok etmeksizin Nb-Ti’den yapılmış bir telin içinden 4.2’de 10Testa yüksek manyetik alanda 10000 A/cm² üzerinde çok yüksek akım yoğunlukları geçer. Bu enerji deposu veya uçan trenlerde kullanılan güçlü süpermagnetlerin yapısını oluşturur. Diğer elementlerle birleştirilen geçiş metaller sıklıkla başlangıç elementinden daha yüksek Tc’ye sahip ikili alaşım ve bileşikler üretilir. İntermetalik bileşikler genellikle yüksek Tc’ye sahiptir. İntermetalikler arasında en önemli grup A3B bileşiklerin oluşturduğu gruplardır. Kübik A–15 yapısı 6 ikili bileşik 17 K üzerinde Tc’ye sahiptir. En yüksek Tc’ye sahip 23 K değeriyle Nb3Ge’dır. B atomları hacim merkezli kübik yapıdadır. A atomları ortogonal zincirleri oluşturmak için küp yüzeylere oturur. Zincirlerdeki atomlar arasındaki uzaklık zincirler arasından daha kısadır. B malzemede A atomları Nb veya V gibi geçiş metalleridir. B atomları çoğunlukla Sn, Al, Ga, Si ve Ge gibi geçiş olmayan metallerdir.

Sıkı paketlenmiş ortogonal zincirlerin varlığı Tm>Tc ‘de A–15 süperiletkenlerin (Nb3Sn ve V3Si) bazısında keşfedilen kararsızlık kristali için sorumlu olduğuna inanılır. Bu iki bileşikte kübik simetri (a=b=c) V3Si’de Tm=20,5 K’de ve Nb3Sn’de 43 K’de ilk geçiş ile tetragonale (ab=c) dönüşür. Latis parametrelerindeki değişiklik [100] zinciri boyunca A atomları arasında mesafedeki değişimi üretir. Tablo–2 bu tip süperiletkenlerin bazı özelliklerini vermektedir. Martenzitik latis dönüşümün sıcaklıkları arttığında Tc artmaktadır.

4.3. Chevrel fazları

Chevrel ve arkadaşları 1971’de MxMo6X8 tipin üçlü Mo çalkonitlerin yeni bir sınıfını keşfettiler. MxMo6X8’deki M metallerin büyük bir kısmını kapsayan nadir toprak metallerdir(RE). X ise S, Se ve Te’dir.

Bu bileşikler hegzagonal-rombohedral yapısında kristalleşir. Bu yapı Mo6X8’deki ünitelerin yığınıyla tanımlanır. Bu ünitelerin her biri köşelerde oturan 8X atomları ve yüzeylerin merkezlerinde 6M atomları ile az miktarda bozulma olan küptür. M atomları Mo6X8’deki kübik latisi oluşturur. M’nin bütün boşlukları Pb, Sn toprak alkaliler veya Cu, Ni, Fe ve Co gibi katyonlarla doldurulur. Bu yapı tellerin yapımında özellikle kırılganlık sorunlarına yol açar. Bu serilerde en büyük Tc PbMo6S8’de elde edilmiştir. Bunun Tc 15 K ve yüksek kritik alan (RE)Mo6X8 toprak alkalilerin manyetizması ve süperiletkenliğin birlikte olması probleme yol açar. Toprak alkalilerin antiferromanyetizması Gd,Tb,Dy ve Er bileşiklerindeki gibi süperiletkenlikle birlikte olduğu bulunmuştur.

4.4. Organik süperiletkenler

Organik süperiletkenler malzemelerin soy gruplarından oluşmaktadır. TMTSF’nin tetrametiletraselenafulvalini gösteren ilk süperiletken [TMTSF]2PF6’dır. BU malzemenin Tc’si 1 K’dir. Bundan sonra elektronik ve süperiletkenlik özellik sergileyen daha yüksek Tc’lere sahip malzemeler üretilmiştir. Daha sonra [BEDT-TTF]2X gibi iki boyutlu karakter gösteren süperiletkenler keşfedilmiştir.

(X=Cu(NCS)2).BU malzemenin Tc’si yaklaşık 10 K’dir. TMTSF ve BEDT-TTF moleküllerin sistematik şekilleri Şekil-13’de verilmektedir. Organik süperiletkenler yüksek Tc oksit süperiletkenlere benzerliğinden dolayı ilgi çekmiştir. Bunlar düşük boyutluluk, düşük elektron veya boşluk konsantrasyonuna sahiptirler. Süperiletkenlik ve manyetizma arasındaki özelliklerden dolayı çalışılmaktadır.

4.5. Yüksek Tc oksit süperiletkenler

Çoğu yüksek Tc süperiletkenler kaprat bileşiklerdir. Bunların temel karakteristikleri CuO2 katmanlarını içermektedir. Bu süperiletkenler YBa2Cu3O7-x (YBCO), Bi2Sr2CaCu2Ox (BSCCO), TaBa2Ca2Cu3O9 (TBCCO) ve HgBa2Ca1Cu2O6+x dır.

YBCO esaslı tel veya şerit süperiletken üretimindeki çalışmalar ortorombik yapıdaki bileşikler veya Y yerine kullanılan toprak alkali metallerdir. YBCO üretimindeki başlıca zorluklar; çoğu metalik ve seramik ara yüzeyli yüksek reaktivite, süperiletkenliği yok eden katyon ve anyonların stokiometriye ve Cu’a duyarlılığıdır. Bu bileşik kuvvetli kristal anizotropiye sahip kırılgan malzemedir. YBCO’nun süperiletkenlik geçiş sıcaklığı 92 k olup ve idealize edilmiş ince filmlerle yeterli kritik akım yoğunluğu üretmek için bu malzemelere diğer elementler katılır. Bu malzemeler tek kristal olarak da üretilmektedir. Ayrıca, araştırmaların büyük çoğunluğu sağlık işlerinde kullanılan YBCO bileşiği üzerinde durulmaktadır.

BSCO sistemi süperiletken tel ve şerit geliştirmede kullanılan başlıca oksit sistemidir. Bi bileşiği YBCO olarak benzer problemlere sahiptir. Fakat YBCO bileşiğinin tersi durumda, tek faz olarak üretilmesi zordur. Yüksek Tc fazı Bi–2223 bileşiğinde 110 K’de, Bi–2212 bileşiğinde ise 85 k olarak bulunmuştur. Bi bileşiğinin TBCO bileşiğine göre başlıca avantajı süreç esnasında oksijen kaybına bağıl olarak duyarsızlıktır. Optimum süperiletkenlik özelliklerini başarmak için özel düşük sıcaklık oksijenleşmeye ihtiyaç duyulmaz.

TBCCO sistemi talyum esaslı süperiletken oksitleri içerir. Yüksek Tc’li tel ve şerit geliştirmede kullanılmak için Ta dışında Ba, Ca ve Cu içeren süperiletkenlerin Tc değeri 125 K’dır. Ta sistemi için işlem Ta oksitlerin yüksek uçuculuğu ve yüksek toksitliğinden dolayı oksit olarak bulunmaz.

Civa esaslı yüksek Tc’li süperiletkenler Hg,Ba,Ca ve Cu metallerini içerip 135 K’de süperiletkenlik geçiş sıcaklığı olarak bulunmuştur. Yüksek basınç altında bu Tc değeri 150 K’ye çıkartılmıştır. YBCO daha yüksek dönüşümsüz çizgine sahip olmasına rağmen, Hg1212 ve Hg1223 fazları önemli dönüşümsüzlük alanı sahiptir.