ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ. Selda KILIÇ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Selda KILIÇ YÜKSEK GEÇİŞ SICAKLIKLI SÜPERİLETKENLERDE KRİTİK DURUM MODELLERİNİN İNCELENMESİ FİZİK ANABİLİM DALI ADANA, 2008

2 ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ YÜKSEK GEÇİŞ SICAKLIKLI SÜPERİLETKENLERDE KRİTİK DURUM MODELLERİNİN İNCELENMESİ Selda KILIÇ ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI Danışman : Prof.Dr. Yüksel UFUKTEPE Yıl : 2008, Sayfa: 110 Jüri : Prof. Dr. Yüksel UFUKTEPE Prof. Dr. Kerim KIYMAÇ Prof. Dr. Metin ÖZDEMİR Yrd. Doç. Dr. Zerrin ESMERLİGİL Dr. Ahmet EKİCİBİL Bu çalışmanın amacı, Bi-tabanlı yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde kritik akım yoğunluğunun oluşumunu incelemektir. Çalışmada süperiletken malzemelerin fiziksel ve magnetik özellikleri incelendi. Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde kritik akım yoğunluğunun hesaplanmasında kullanılan modeller detaylı bir şekilde çalışıldı. Bu modellerden Bean Kritik Durum Modeli deneysel sonuçlarla kıyaslanmıştır. Anahtar Kelimeler: BSCCO süperiletkenler, Kritik Sıcaklık, Kritik akım yoğunluğu. I

3 ABSTRACT MSc THESIS INVESTIGATION OF CRITICAL STATE MODELS ON HIGH-T c SUPERCONDUCTORS Selda KILIÇ DEPARTMENT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF ÇUKUROVA Supervisor : Prof.Dr. Yüksel UFUKTEPE Year : 2008, Pages: 110 Jury : Prof.Dr. Yüksel UFUKTEPE Prof.Dr. Kerim KIYMAÇ Prof.Dr. Metin ÖZDEMİR Assist. Prof.Dr. Zerrin ESMERLİGİL Dr. Ahmet EKİCİBİL The purpose of this work is the investigation of Critical Current Density in High Temperature superconductors. For this, first, the physicial and magnetic properties of High Temperature superconductors are investigated. Some models for calculating of Critical Current Density of High Temperature superconductors are studied in detail. Finally, Bean Critical Model have been compared with the existing experimental results. Key Words: BSCCO Superconductors, Critical Temperature, Critical Current Density. II

4 TEŞEKKÜR Yüksek Lisans çalışmam süresince desteğini esirgemeyen değerli hocam, danışmanım Prof. Dr. Yüksel UFUKTEPE ye teşekkürlerimi sunarım. Yine tez çalışmalarım sırasındaki yardımlarından dolayı Prof. Dr. Kerim KIYMAÇ a, ve her konuda tecrübelerini paylaşıp, yardımlarını ve manevi desteğini esirgemeyen değerli hocam, ikinci danışmanım Dr. Ahmet EKİCİBİL e teşekkürlerimi borç bilirim. Ayrıca Yüksek Lisans eğitimim boyunca beni maddi olarak destekleyen TÜBİTAK-Bilim İnsanı Destekleme Daire Başkanlığı na teşekkür ederim. Ve bu süreçte beni hiç yalnız bırakmayan sevgili kader arkadaşım Sultan DEMİRDİŞ e teşekkür ederim. Her koşulda yanımda olup desteğini esirgemeyen ve her konuda bana güvenen babam Süleyman KILIÇ a ve annem Zibet KILIÇ a, abim ve eşine,ablalarıma ve eniştelerime sonsuz teşekkür ederim.ve manevi desteğiyle bu süreç boyunca hep yanımda olan Deniz ÇETİN e teşekkür ederim. III

5 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ......I ABSTRACT. II TEŞEKKÜR....III İÇİNDEKİLER...IV ŞEKİLLER DİZİNİ......VII 1. GİRİŞ Kritik Sıcaklık (T c ) Kritik Magnetik Alan (H c ) Sıfır Direnç Özelliği İzotop Etkisi I.Tip ve II.Tip Süperiletkenler Akı Kuantumlanması Yüksek Sıcaklık Süperiletkenliği Yüksek Sıcaklık Süperiletkenleri Yüksek T c Süperiletkenliğin Mekanizması Özdirenç ve Magnetik Duygunluk Süperiletkenlerde Akımın Taşınması Kritik Akım Tünelleme ve Josephson Olayı DC Josephson Olayı AC Josephson Olayı ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR MATERYAL VE METOD Materyal Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n+4+y Sisteminin Kristal Yapısı La-Ba-Cu-O (LBCO) Bileşiklerinin Kristal Yapıları Y-Ba-Cu-O (YBCO) Bileşiklerinin Kristal Yapıları Tl-Ba-Ca-Cu-O (TBCCO) Sistemlerinin Kristal Yapıları Hg-Ba-Ca-Cu-O (HBCCO) Sistemlerinin Kristal Yapıları...49 IV

6 Süperiletkenlerin Teknolojideki Kullanım Alanları Metod Süperiletken Malzeme Hazırlama Teknikleri Katıhal Tepkime Yöntemi Eriyik Döküm Yöntemi Çökeltme Yöntemi BULGULAR ve TARTIŞMA I. ve II.Tip Süperiletkenler Süperiletkenlerde Magnetizma ve Akımlar Süperiletkenliğin Kökenleri ve Meissner Olayı Eş uyum Uzunluğu (ξ ) Girme Derinliği London Denklemi Ginzburg Landau Parametresi Bir Süperiletkende Alan, Sıcaklık ve Kritik Akım Arasındaki İlişki Akı Kuantizasyonu Vorteks Mekanizması Süperiletkenlerde Akım Akışı Akı Dinamikleri Süperiletkenlerde Histeresizler Tanecik Yapılı Yüksek Sıcaklık Süperiletkenleri Tanecik Sınırları Zayıf Bağlar Kritik Durum Modelleri Bean Kritik Durum Modeli Zayıf Bağlı Çevrim Modeli Clem Modeli Lawrence-Doniach Modeli Yüksek Sıcaklık Süperiletkenlerinde Kritik Akım Yoğunluğu J c nin Ölçümü V

7 4.20. Teknolojik Olarak Yararlı Süperiletkenlerde J c J c de Pik Etkisi SONUÇLAR VE ÖNERİLER Sonuçlar Öneriler KAYNAKLAR.103 ÖZGEÇMİŞ VI

8 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1 Şekil 1.2 Şekil 1.3 Şekil 1.4 Şekil 1.5 Şekil 1.6 Şekil 1.7 Şekil 1.8 Şekil 1.9 Şekil 1.10 Şekil 3.1 Şekil 3.2 Şekil 4.1 Şekil 4.2 Şekil 4.3 Şekil 4.4 Kristal örgü içerisinde elektronların hareketi Normal bir metalin mutlak sıcaklıkta sonlu özdirenç eğrisi ve bir süperiletken için kritik T c sıcaklıkta sıfıra düşüşü gösteren, T sıcaklığına göre ρ özdirencinin grafiği Süperiletken ve süperiletken olmayan iki malzeme için direncin sıcaklıkla değişimi Kritik H c alanının sıcaklıkla değişimi Süperiletkenliğe geçişte kritik sıcaklığın belirlenmesi Süperiletkenler uygulanan alana karşı göstermiş oldukları magnetik davranışlarından dolayı I. ve II. tip süperiletkenler olmak üzere iki grup altında incelenmektedir Örgü içerisinde elektronların cooper çifti oluşturması HoBa 2 Cu 3 O 7 için magnetizasyon ve özdirenç eğrisi Kritik yüzey faz diyagramı İnce bir yalıtkan tabakayla ayrılmış iki süperiletkenin oluşturduğu eklem Perovskit kristal yapısı BSCCO sisteminin kristal yapıları a) n=1 fazını b) n=2 fazını c) n=3 fazını göstermektedir Süperiletkenler uygulanan alana karşı göstermiş oldukları magnetik davranışlarından dolayı I. ve II. tip süperiletkenler olmak üzere iki grup altında incelenmektedir İki kritik alan değeri arasında malzeme içerisinde hem süperiletken de normal bölgeler karışık olarak bir arada bulunmaktdır. Bu durum girdap (vorteks) mekanizması olarak da bilinmektedir Bir süperiletkendeki Meissner olayı Basit bir süperiletken örneği için (saf element) H uygulanan magnetik alanı ile M magnetizasyonunun değişimi. Malzeme H c nin altında VII

9 Şekil 4.5 Şekil 4.6 Şekil 4.7 Şekil 4.8 Şekil 4.9 mükemmel bir diamagnetizma gösterir Normal ve süperiletken durum için serbest enerji eğrisi, eğrilerin kesiştiği nokta kritik magnetik alan H c olarak tanımlanır. Bu şematik ilişki T c nin altındaki bir sıcaklıkta sağlanır, bununla birlikte F ve H nin sayısal değerleri sıcaklıkla birlikte değişir T c, H c ve J c arasındaki ilişkiyi gösteren faz diyagramı İdeal II.tip bir süperiletken için magnetizasyon, uygulanan magnetik alanın bir fonksiyonudur. H c1 in üzerinde magnetik akı H c2 değerine kadar malzemeye girmeye başlar, sonunda hiç magnetizasyon kalmaz ve malzeme normal duruma döner Süperiletken ve normal durum ile ilgili çizilen faz diyagramı Hemen hemen çivileme içermeyen mükemmele yakın II.tip magnetizasyon davranışı. Akı çivilemesinden dolayı, magnetizasyonun dönüş yolu (H alanı H c2 ye yükseltilip tekrar azaltıldığında) alttaki yoldan farklı olur. Sıfır alanda magnetizasyonun küçük bir miktarı kalır Şekil 4.10 Gerçeğe uygun II.tip çivileme içeren histeresiz. Çok büyük akı Şekil 4.11 çivilemelerine sahip olup J c nin büyük olmasına izin verirler. Bu da magnetizasyon diyagramındaki dönüş yolunun alttaki yoldan anlamlı şekilde sapmasını sağlar.tersinmezliğin başladığı H irr alanı hemen hemen H c2 ile aynıdır I. ve II. tip süperiletkenlerin magnetizasyon davranışlarının şematik gösterimi. Meissner durumundayken mükemmel bir diamagnet gibi davranır. II.tip süperiletkenlerin karışık durumu sıfır dirence sahiptir fakat kuantize vorteksler biçiminde kısmi akı girişlerine izin verir...89 Şekil 4.12 T c,h c2, J c çizgileri tarafından çevrilmiş sıfır dirence sahip olan süperiletken bir malzemenin işlem hacmi. Şekil ticari kullanımda olan iki süperiletken malzeme olan, NbTi ve Nb 3 Sn ye ait çizgileri gösterir...92 Şekil 4.13 CeRu 2 nun iki numunesi için çivileme kuvvetinin (indirgenmiş VIII

10 h= H/H c birimi ile) alana karşı gösterimi. Üçgenler sıfır alan soğutma (ZFC) durumu için ölçümleri gösterirken, kareler alan soğutmalı (FC) durumdaki ölçümleri gösterir. Pik etkisinden önceki bölgede çivileme (FC) alan soğutma durumunda daha şiddetlidir Şekil 4.14 H ye karşı J c şemasında geçmiş-etkisi. J c, FC durumunda daha yüksektir. Kullanılan ölçme akımı şekilde gösterildiği gibi J 0 ise orta seviyede alanlarda ZFC durumunda sonlu bir direnç görülür. Oysa FC durumunda hiç direnç gözlenmez IX

11 1. GİRİŞ Selda KILIÇ 1. GİRİŞ Direncin bir anlamı, iletken üzerinden bir akım geçirmek için iletkene bir gerilim uygulama gerekliliği, bunun doğrudan sonucu olan diğer bir anlamı da geçen akımın iletkeni ısıtmasıdır. Direnç ne kadar büyükse, uygulanması gereken gerilim ve kaybolan enerji de o kadar büyük olur. Fakat bazı iletkenlerde malzeme, kritik sıcaklık denilen bir sıcaklığın altına kadar soğutulduğunda, akımı taşıyan elektronlar enerjilerini ısıya çevirme yeteneklerini kaybederler ve direnç sıfıra düşer. Bu durumda herhangi bir gerilim uygulamadan ve enerji kaybetmeden bir akım yaratmak mümkün hale gelir. İdeal metalik bir yapıda madde kritik sıcaklığın altına soğutulduğunda, fonon etkisi ortadan kalkar ve elektronlar yapı içerisinde örgü ile hiçbir etkileşmeye girmeden rahatlıkla hareket ederler. Bu durumda yapının direnci kritik sıcaklığın altında aniden sıfıra düşer. Kritik sıcaklığın altında bu malzemeye süperiletken madde denir. Kritik sıcaklıkta, malzemenin normal bir metalden bir süperiletkene dönüşmesi, buzun erimesi ya da suyun buharlaşması gibi bir faz değişimidir. Fakat malzemenin geçirdiği değişim sadece elektronların küçük bir kısmının farklı bir kuantum durumuna geçmesi sonucu olduğundan, malzemenin diğer özelliklerinde bir fark gözlenmez. Üstelik bilinen birçok süperiletkende direnç kritik noktada birden sıfıra düşer. Süperiletkenlikle ilgili var olan teorik çalışmaların anlaşılması son derece zor ve henüz açıklanamamış bilgilerle doludur. Süperiletkenler, elektriksel iletimi herhangi bir dirence maruz kalmadan taşıma kabiliyetine sahiplerdir. Sıradan bir iletken üzerinden akım geçtiği zaman, bir enerji kaybı meydana gelecektir. Örneğin, elektrik ampulünde veya elektrikli bir ısıtıcıda, elektriksel dirençten kaynaklanan ısı ve ışık meydana gelmektedir. Bakır, alüminyum ve benzer metallerde elektrik, dış yörünge elektronlarının başka bir enerji seviyesine geçmeleri sonucunda iletilmektedir. Elektronlar labirent benzeri örgü içerisinde harekete başlayarak ve örgü içerisinde bulunan safsızlıklar ve kusurlarla çarpışacaktır. Elektronlar bu engellerle çarpıştıkları zaman yönleri rasgele değişecek ve enerjilerini kaybederek ısı enerjisi açığa çıkmasına neden olacaklardır (Şekil 1.1). 1

12 1. GİRİŞ Selda KILIÇ Şekil 1.1. Kristal örgü içerisinde elektronların hareketi Süperiletken içerisindeki elektronların davranışı ise oldukça farklıdır. Bu yapı içerisinde de safsızlıklar ve örgü kusurları bulunmaktadır. Fakat iletken içerisindeki süperiletken elektronlar karışık örgü içerisinde herhangi bir engele maruz kalmadan hareket ederler. Çünkü herhangi bir şeyle çarpışmayacaklar, herhangi bir sürtünme meydana gelmeyecek ve bunun sonucunda akım ve enerji, hiçbir kayba uğramadan iletilecektir. Süperiletken malzeme içerisinde hareket eden elektronların neden herhangi bir engelle karşılaşmadıkları sorusu bilim adamlarını yıllarca meşgul etmiştir. Bir madde ısıtıldığında örgü titreşimleri artarken, soğutulduğunda ise bu titreşimler azalır. Önceki araştırmacılar, madde içerisindeki atomik titreşimlerin, örgü içerisinde elektronların daha kolay geçmesine yardımcı olduklarına inanıyorlardı. Fakat bu durum sıcaklık arttığında direncin düşeceğinin bir göstergesiydi. Bu ve buna benzer basit fikirler süperiletkenliğin açıklanmasında yeterli olmamıştır. Süperiletkenlik durumu kolayca açıklanamayacak kadar karmaşıktır de Heike Kammerling Onnes katı civanın T c kritik sıcaklık denilen belirli bir sıcaklığın altında soğutulduğunda elektriksel direncinin ölçülemeyecek kadar küçük bir değere düştüğünü buldu (Onnes, 1911). Sıcaklık T c =4.2 K nin altına düşerken, civa normal durumdan süperiletken bir duruma geçer. O zamandan beri 30 K e kadar yüksek 2

13 1. GİRİŞ Selda KILIÇ kritik sıcaklıkların altında diğer birçok element, bileşikler ve alaşımlar süperiletken olarak bilinmektedir. Fakat, bütün maddeler süperiletken değildir. Şekil 1.2. süperiletken kalay ve süperiletken olmayan gümüş için çok düşük sıcaklıklarda özdirencin sıcaklıkla değişimini göstermektedir. Bir süperiletkende akım, ölçülebilir bir azalma olmaksızın senelerce öyle akabilir. Şekil 1.2. Normal bir metalin mutlak sıcaklıkta sonlu özdirenç eğrisi ve bir süperiletken için kritik T c sıcaklıkta sıfıra düşüşü gösteren, T sıcaklığına göre ρ özdirencinin grafiği. Süperiletkenlik ile ilgili yapılan ilk çalışmalar 1908 yılında H. Kamerling Onnes in Leiden de helyumu sıvılaştırması ile başlamıştır. Onnes yaptığı çalışmalar sonucunda 1911 yılında 4.15 K de civanın özdirencinin sıfıra düştüğünü buldu (Onnes, 1911). Uygulanan yüksek magnetik alanla süperiletken haldeki numunelerin, normal hale döndüğü görüldü. Böylece süperiletken metallerin magnetik davranış gösterdikleri keşfedildi. Bu keşiften sonra süperiletkenlik üzerine yoğun çalışmalar başladı. Bu çalışmalar sonucunda 1913 yılında kurşunun (Pb) 7.2 K de (Onnes, 1911) ve 1930 yılında da niyobyumun (Nb) 9.2 K de (Chapnik, 1930) süperiletken davranış gösterdikleri keşfedildi. 3

14 1. GİRİŞ Selda KILIÇ Süperiletkenliğin keşfinden 25 yıl sonra Walter Meissner ve Robert Ochsenfeld (Meissner, 1933) süperiletkenlerin magnetik alanı sevmediklerini ortaya çıkardılar. Kritik sıcaklığın altındaki süperiletken bir malzemeye yüksek olmayan bir alan uygulandığında malzemenin bu magnetik alanı dışarladığını gözlediler. Böylece süperiletkenlerin, zengin magnetik uygulamalar için yolu açılmış oldu. Bunlardan en önemlisi enerji harcamayan güçlü mıknatıslardır. Süperiletkenlik üzerine ilk gerçek yaklaşımlar, 1957 yılında üç Amerikalı bilim adamı, John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer tarafından öne sürülen ve BCS teorisi olarak da anılan çalışmada ileri sürülmüştür. BCS teorisi mutlak sıfır civarındaki süperiletkenliği açıklamaya yöneliktir. Cooper, atomik örgü titreşimlerinin doğrudan bütün elektronları birleştirmekten sorumlu olduğunu fark etmiştir. Bu titreşimler, elektronların takım halinde çiftlenmesine neden olur ve kristal örgü içerisindeki engellerle herhangi bir temasa girmeden aralarından geçmelerini sağlar. Bu elektronların oluşturduğu takımlara Cooper çiftleri adı verilmektedir. Cooper ve arkadaşları normalde bir elektronun diğer elektronu itmesi gerektiğini ve süperiletken içerisinde ezici bir çekiciliğin olması gerektiğini düşünüyorlardı. Bu ikilemin çözümü fononlarda bulundu. Teorilerine göre, süperiletken örgü içerisindeki pozitif yüklenmiş bir bölgeden bir negatif yüklü elektron geçtiğinde örgüde bir büzüşme meydana geliyordu. Elektron bu bölgeden çıkmadan ve örgü eski pozisyonuna gelmeden önce bu bölgeden geçen ikinci bir elektron diğer elektron tarafından itilmesi beklenirken, bu pozitif etkileşimden dolayı birbirlerine bağlanır Kritik Sıcaklık (T c ) Bir kısım element, alaşım ve bileşiklerin direnç ve magnetik ölçümlerindeki ani değişimlere karşılık gelen sıcaklık kritik sıcaklık olup süperiletkenlikle ilgili temel özelliklerden biridir. Süperiletken malzeme bu sıcaklık değerinin altına kadar soğutulduğunda malzemede direncin birdenbire sıfıra gittiği (Şekil 1.3) ve malzemenin tam bir diamagnet durumuna geçerek uygulanan magnetik alanı 4

15 1. GİRİŞ Selda KILIÇ dışarladığı görülür. Bu nedenle kritik sıcaklık direnç ölçümlerinden veya magnetik duygunluk ölçümlerinden belirlenebilmektedir. Şekil 1.3. Süperiletken ve süperiletken olmayan iki malzeme için direncin sıcaklıkla değişimi Kritik Magnetik Alan (H c ) Süperiletken geçişleri en az kritik sıcaklık kadar belirleyen bir başka temel özellik de kritik magnetik alandır. Nasıl ki bir süperiletken kritik sıcaklığın üzerinde normal direnç, altında sıfır direnç gösteriyorsa bir süperiletken için kritik magnetik alanda öyledir. Süperiletken durumda malzemeye bir dış magnetik alan uygulandığında, alanın belirli bir değerine kadar malzeme süperiletkenliğini korurken yeteri kadar güçlü bir magnetik alan süperiletkenliği yok edebilir ve normal direnç tekrar ortaya çıkabilir. Süperiletkenliği bozan ve sıcaklığın bir fonksiyonu olan bu alan kritik magnetik alan (H c ) olarak tanımlanır. Bir süperiletken için kritik alanın sıcaklığın fonksiyonu olarak değişimi Şekil 1.4. te görülmektedir. Kritik magnetik alanının sıcaklık bağımlılığı H c = H c (0) [1- (T/T c ) 2 ] (1.1) ile verilmektedir. 5

16 1. GİRİŞ Selda KILIÇ Kritik magnetik alan sıcaklık kadar malzemenin cinsine de bağlıdır. Süperiletken malzemelerin teknolojinin her alanında ekonomik olarak uygulanabilmesi için öncelikle kritik sıcaklık ve alanı büyük değerlere taşımak gerekmektedir. Ancak teknolojik uygulamalar açısından daha sonra bahsedeceğimiz gibi kritik akım yoğunluğu daha büyük öneme sahiptir. Şekil 1.4. Kritik H c alanının sıcaklıkla değişimi 1.3. Sıfır Direnç Özelliği Yukarıda belirtildiği gibi süperiletken durumun belirlenmesinde kullanılan en temel özellik sıfır direnç özelliğidir. Süperiletkenlerin sıfır direnç durumu direncin sıcaklığa karşı ölçümü ile belirlenebilmektedir. Metallerde direnç, elektronların; fononlar, safsızlıklar ve kristal kusurlarından saçılmaları ile oluşmaktadır. Mükemmel saf metallerde direnç sadece sıcaklığa kuvvetli bağımlılık gösteren fononların elektronları saçmasından kaynaklanmaktadır. Bu nedenle saf metallerde sıcaklık 0 K e giderken direnç de sıfıra gidecektir. Ancak herhangi bir metalin daima safsızlıklara sahip olması nedeniyle elektronlar sıcaklıktan bağımsız olarak saçılacaklardır ve 0 K de dahi bir direnç göstereceklerdir. Ancak süperiletken bir malzemede sıcaklığın düşmesiyle, örneğin direnci sürekli olarak azalır ve kritik sıcaklığa gelindiğinde direnç aniden sıfıra gider. Süperiletkenlik durumunda, doğru akım için elektriksel direnç sıfırdır, yani, süperiletken durumda akımda herhangi bir 6

17 1. GİRİŞ Selda KILIÇ kayıp yoktur. Bundan dolayı süperiletken halkada bir akım çok uzun süre kayıpsız akabilir. Yüksek sıcaklık süperiletkenleri tanecikli yapıya sahip olduklarından sıfır direnç ancak bu tanecikler arasındaki bağlantı sağlandığı zaman geçerli olmaktadır. Öyleyse direnç numunenin tanelenmesine ve bu taneler arası bağlantıların kurulmasına bağlıdır denilebilir. Süperiletkenliğe geçiş sıcaklığı, T c şeklinde bir sıcaklık aralığına sahiptir (Şekil 1.5). T c, malzeme direncinin düşmeye başladığı sıcaklık ile direncin sıfır olduğu sıcaklık arasındaki farktır. Artan safsızlık miktarı ile genişleme gösteren ve geçiş bölgesi olarak adlandırılan bu bölge, kritik sıcaklığın belirlenmesini zorlaştırmaktadır. T c farkı süperiletken numunenin kalitesini tanımlar. Aralığın dar olması numunenin saf, kaliteli, homojen ve tek kristal yapıda olduğunu gösterirken; aralığın geniş olması ise numunenin saf olmadığını gösterir. I. tip süperiletkenlerde bu aralık çok dar olmasına karşın II. tip süperiletkenlerde daha geniştir ρ (Ωm) T(ºK) Şekil 1.5. Süperiletkenliğe geçişte kritik sıcaklığın belirlenmesi Direnç ve magnetik duygunluk ölçümlerinin birbirlerine göre üstün oldukları yönler bulunmaktadır. Direnç ölçümleri daha kolay olduğundan araştırmacılar tarafından tercih edilmektedir. Tanecikli yapılarda magnetik alan tanecikler arası bağlantıları koparabildiğinden genelde direnç ölçümleri duygunluk ölçümlerine göre daha yüksek kritik sıcaklıklar ve daha keskin geçişler göstermektedir. Buna karşın 7

18 1. GİRİŞ Selda KILIÇ duygunluk ölçümleri süperiletken maddenin magnetik davranışını açıkladığı gibi magnetizasyonun termodinamik bir durum değişkeni olması sebebiyle, süperiletken durumun termodinamik davranışı hakkında bilgi verebilmektedir. Duygunluk ölçümleri aynı zamanda madde içerisindeki süperiletken fazın oranı hakkında da bilgi verebilmektedir. Ayrıca eğer numune gözenekli ise özdirenç ölçümlerinin tanecikler arasındaki problemler ve boşlukların varlığından dolayı istenilen şekilde yapılamadığı da unutulmamalıdır. İdeal bir homojen süperiletken maddede her iki ölçüm de aynı geçiş sıcaklığını verir İzotop Etkisi Teorik çalışması Fröhlich tarafından yapılan ve 1950 lerde Maxwell ve Reynolds tarafından keşfedilen izotop etkisi, doğru bir süperiletken teorisi geliştirme yolunda çok önemli bir adım olmuştur. Civanın farklı izotopları üzerindeki bir çalışma, kritik sıcaklık ve izotop kütleleri arasında bir bağıntının varlığını ortaya koymuştur. Civanın atomik kütlesi ten e değiştiğinde T c = 4.18 ten 4.14 K e inmiştir. Buradan da herhangi bir element için T c.m 1/2 = sabit olduğu sonucuna ulaşılmıştır. İzotop kütlesi kristal örgünün bir karakteristiği olduğu için örgünün özelliklerini etkileyebilmektedir. Çünkü her izotop farklı elektron düzenine yani farklı bir örgü yapısına sahiptir. Elektron sisteminden kaynaklanan süperiletkenliğin de izotop kütlesine yani örgü durumuna bağlılığının gösterilebilmiş olması bizi süperiletkenliğin elektronlarla örgü arasındaki etkileşmeden kaynaklandığı sonucuna götürür. Fröhlich, elektron-fonon (örgü titreşimi) etkileşmesinin iki elektronu çiftlendirebileceğini ve böylece elektronların sanki aralarında doğrudan bir etkileşme varmış gibi davranabileceklerini öne sürmüştür. Fröhlich, süperiletkenliğe yol açan etkileşmede fononların rol oynadığı fikrini; izotop etkisi deneysel olarak keşfedilmeden önce öngörmüştür. Elektron-fonon etkileşmesinin süperiletkenliğe yol açması gerçeği, süperiletkenlerin normal durumda niçin kötü birer iletken olduklarını da açıklar. 8

19 1. GİRİŞ Selda KILIÇ Güçlü elektron-fonon etkileşmesine sahip olanlar oda sıcaklığında kötü iletkendir. Oysa, zayıf elektron- fonon etkileşmesine sahip olan soymetaller oda sıcaklığında çok iyi iletken olmalarına rağmen çok düşük sıcaklıklarda bile süperiletken hale geçemezler I. Tip ve II. Tip Süperiletkenler Süperiletken malzemeler uygulanan magnetik alandaki davranışlarına göre iki sınıfa ayrılırlar (Şekil 1.6). Saf metaller genellikle I. tip süperiletken özellik gösterirken, alaşımlar ve geçiş metalleri II. tip süperiletken özellik gösterirler. I. tip ve II. tip metalik süperiletkenlerdeki süperiletkenlik mekanizmasında farklılık yoktur. Her ikisi de sıfır magnetik alanda süperiletken-normal geçişinde benzer özelliklere sahiptir. Fakat Meissner etkisi tamamen farklıdır. I. tip süperiletkenlerde magnetik alanın dışlanması indüksiyon ile oluşan yüzey akımlarından kaynaklanmaktadır. Bu süperiletkenler uygulanan magnetik alanı dışarıda tutar, ancak kritik magnetik alan değerinde magnetik alanın tümü içeriye girer ve malzeme normal hale geçer. Yine benzer şekilde I. tip süperiletkenlerde kritik magnetik alan değerine kadar mıknatıslık negatif yönde hemen hemen lineer olarak artar, ancak kritik magnetik alan değerinde keskin bir şekilde düşerek ölçülemeyecek kadar küçük değerlere gider ve neredeyse sıfır olur. I. tip süperiletkenlerde normal-süperiletken geçişler keskindir ve ayrıca I. tip süperiletkenlerin kritik magnetik alan değerleri H c çok düşük olduğundan süperiletken mıknatıs yapımında kullanışlı değillerdir. II. tip süperiletkenler H c1 kritik magnetik alan değerine kadar I. tip süperiletkenlerin özelliğini gösterirler yani H c1 değerine kadar alanı dışarıda tutar ve negatif yönde mıknatıslanırlar (Meissner durumu). Bu kritik magnetik alan değerine alt kritik magnetik alan denir. Bu değerin üstünde uygulanan alanlarda alanın bir kısmı dışlanmakta ve bir kısmı da malzemeye nüfuz edebilmektedir ve bu durumda dahi malzeme süperiletkenliğini sürdürmeye devam etmektedir. Ancak magnetik alan H c2 olarak ifade edilen üst kritik magnetik alan değerine ulaştığında alan tümüyle 9

20 1. GİRİŞ Selda KILIÇ malzemeye girer ve süperiletkenlik yok olur. II. tip süperiletkenler düşük H c1 ve yüksek H c2 değerlerine sahiplerdir. H c1 ile H c2 değerleri arasında uygulanan alanlarda ise, madde karışık durumda olarak tanımlanmıştır. Bu durumda magnetik alan süperiletken malzemeye akı çizgileri ve akı tüpleri şeklinde girer. Süperiletken bölgeler tarafından sarılmış çok sayıdaki küçük silindirik normal bölgeler formundaki bu akı çizgileri vorteks olarak adlandırılır. Magnetik alanın artışı ile vorteksler sayıca artar ve bu artışla beraber vorteksler birleşip büyüyerek malzemeyi normal hale geçirirler. Karışık durumda malzeme süperiletken-normal-süperiletken-normal bölgeler şeklinde yapılaşmakta ve magnetik alan normal bölgelere tamamen, süperiletken bölgeler içerisinde ise belirli bir derinliğe (λ) kadar azalan şiddette girebilmektedir. Normal ve süperiletken bölgeler arasında kimyasal ve kristallografik açıdan bir fark bulunmamaktadır. Ana eksen boyunca akı çizgileri uygulanan alana paraleldir ve bu magnetik alan vorteksler etrafında bir dolanım akımı oluşturur. Bu akım dolanımı normal durumu süperiletken durumdan ayırır. Ancak bu akım bilinen geçiş akımı olmayıp ideal diamagnetizmaya neden olan I. tip süperiletkenlerdeki perdeleme akımlarıdır. Vortekslerin etrafındaki akım dolanımı her bir vorteksin ince bir magnet gibi davranmasına yol açar ve böylelikle II. tip süperiletkenlerden bir akım geçirildiğinde bu akımın etkisiyle vortekslere Lorentz kuvveti etkiyecek ve vorteksler bu kuvvetin etkisi ile hareket edeceklerdir. Vortekslerin bu hareketi devreden enerji çeken ve dolayısıyla direnç etkisi yapan akıma paralel bir elektrik alan indükleyecektir. I. ve II. tip süperiletkenler arasındaki önemli bir farklılıkta, normal durumda iletim elektronlarının ortalama serbest yollarının farklı olmasıdır. Çünkü ortalama serbest yolun büyüklüğü süperiletken tipinin belirlenmesinde kullanılan girme derinliği ve eşuyum uzunluğunu belirlemektedir. I. tip süperiletkenler için eşuyum uzunluğu girme derinliğinden büyüktür ki bu durum süperiletken-normal geçişte pozitif ara yüzey enerjisine neden olur. II. tip süperiletkenlerde ise durum I. tip süperiletkenlerinkinin tam tersi şeklinde olup, girme derinliği eşuyum uzunluğundan daha büyüktür ve bu durum süperiletkende girdaplara ve süperiletken-normal geçişinde negatif ara yüzey enerjisine neden olur. 10

21 1. GİRİŞ Selda KILIÇ Yüksek kritik magnetik alan değerine sahip olduklarından dolayı II. tip süperiletkenler mıknatıs yapımında kullanılmaktadır ve bu nedenle teknolojik uygulamalarda önemli bir yere sahiptir. Şekil 1.6. Süperiletkenler uygulanan alana karşı göstermiş oldukları magnetik davranışlarından dolayı I. ve II. tip süperiletkenler olmak üzere iki grup altında incelenmektedir Akı Kuantumlanması Akı kuantumlanması 1950 yılında Fritz London tarafından öngörülmüştür li yıllara kadar kuantumlanmanın sadece mikroskobik olduğu düşünülürken London süperiletkenliğin temelde bir kuantum olayı olduğunu göz önüne alarak kuantumlanmanın makroskobik olduğu varsayımını getirmiştir. Kuantumlanmanın makroskobik ölçekte olduğunun varsayımını veya beklentisini bir süperiletkendeki elektron sisteminin ileri düzeyde korelasyonlu oluşu getirmiştir. Çünkü süperiletkendeki her elektron çiftinin hareketi diğerlerinin hareketine bağlanmıştır. Metal bir halkada kalıcı bir süperiletken akımın dolaştığını düşünelim, bu akımın davranışı bir atomun orbitalindeki bir elektronun hareketine benzemektedir. Kuantum teorisine göre böyle bir elektronun durumunu tanımlayan nicelikler kesikli değerler alır (kuantum kümesi n, l, m). Atomda doğrudan gözlemleyemediğimiz bu mikroskobik kuantumlanma olayı ile karşılaşırken süperiletkenlerde makroskobik bir 11

22 1. GİRİŞ Selda KILIÇ nicelik olan elektrik akımının kuantumlandığını görmekteyiz. Böylece süperiletken bir halkadaki akımın sürekli değerler almayacağı yani kesikli olduğu gösterilmiştir. Elektrik akımı gibi magnetik akı da kesikli değerler alabilmektedir. Sonuçta süperiletken halkadan geçen magnetik akı Φ = B.A kuantumlanmıştır. Yani, Φ o temel akı kuantumu ve n tamsayı olmak üzere halkadan geçen magnetik akı Φ = n.φ o (1.2) olmaktadır. Φ o = hc/2e olarak bulunmuştur ve London Φ o a fluksoid adını vermiştir. London yaptığı çalışmalar sırasında süperiletkenlik teorisi henüz ortaya çıkmadığı yani elektron çiftlenmesi bilinmediği için yukarıdaki Φ o değerinin iki katı büyüklüğünde bir değer elde etmişti (Φ o = hc/e). Fononlar tarafından uygulanan kuvvet, elektronlar arası itici kuvvetin üstesinden gelerek elektronların belli mesafede belli bir süre bir arada kalmalarını sağlar ve kristal yapı içerisinde elektronlar herhangi bir engele takılmadan ilerlerler. Fononlar tarafından oluşturulan bu elektron çifti belli bir mesafeden sonra ayrılırlar. Elektronlardan herhangi bir Cooper çifti oluşturulacağı ve kristal örgü içerisinde kendisine en yakın iyonun yanından geçeceği zaman, negatif elektron ve pozitif iyon arasındaki çekim etkisi iyondan iyona geçen bir titreşime neden olacak ve bunun sonucunda Cooper çiftini oluşturacak diğer elektronu bu bölgeye çekecektir. Burada gerçekleşen olay, elektron tarafından yayılan fononun, diğer elektron tarafından soğurulmasıdır (Şekil 1.7). Bu değiş tokuş, Cooper çiftlerini oluşturan elektronların bir arada bulunmasını sağlar. Dikkat edilmesi gereken diğer bir önemli nokta ise, elektron çiftlerinin oluşması, birlikte hareket etmeleri, ayrılmaları ve başka elektronlarla başka Cooper çiftlerini oluşturmak için bir araya gelmeleridir. 12

23 1. GİRİŞ Selda KILIÇ Şekil 1.7. Örgü içerisinde elektronların cooper çifti oluşturması BCS teorisinden sonra aynı yıllarda Abrikosov numune içerisinde karışık durumu keşfetti. Böylece, bazı numuneler içerisinde hem süperiletken hem de süperiletken olmayan bölgelerin varlığı ortaya çıkarıldı (Abrikosov, 1957) yılında Brian D. Josephson (Josephson, 1962), iki süperiletken arasına sıkıştırılmış ince bir normal metal tabakasının içinden kararlı akımların geçebileceğini öne sürmüştür. Kısa zamanda doğrulanan bu görüş, süperiletkenlerin elektroniğin uygulamalarında kullanılmasına yol açmış oldu. Daha sonra, çalışmalar oksitler üzerine yoğunlaşmış ve ilk olarak SrTiO 3 ve LaAlO 3 perovskit yapıya sahip kristaller üzerinde çalışılmıştır yılında Alex Müller ve Georg Bednorz (Bednorz, 1986), bir lantan, baryum ve bakır oksit seramiğinin 35 K de süperiletkenliğe geçtiğini gösterdiler. Bir seramiğin, hatta oksijen içeren bir seramiğin, bir anda var olduğu söylenen kritik sıcaklık sınırını aşması fizik dünyasında büyük bir şok yarattı. Kuramlara dayalı bütün öngörüler bir anda altüst oldu. Böylece yüksek sıcaklık süperiletkenlik çalışmaları başlamış oldu. İkinci büyük şok, 1987 yılında Wu ve arkadaşlarının (Wu, 1987) lantan yerine yitriyum kullanarak geçiş sıcaklığı 92 K olan Y Ba Cu O süperiletken ailesini keşfettiklerini açıklamalarıyla yaşandı. Böylece süperiletkenlikte ilk defa 77 K de olan azotun kaynama sıcaklığı geçilmiş oldu. Helyum yerine, azotla çalışan 13

24 1. GİRİŞ Selda KILIÇ soğutucularla süperiletkenler üzerinde çalışmak ve teknolojik uygulamalarını görmek mümkün olmuştur yılında Mitchell ve arkadaşları (Mitchel, 1987), 20 K civarında geçiş sıcaklığı olan Bi Sr Cu O süperiletken ailesini keşfettiler yılında Maeda ve arkadaşları (Maeda, 1988), Bi Sr Cu O süperiletken sistemine Ca ekleyerek geçiş sıcaklığını 80 K e yükselttiler yılında K arası geçiş sıcaklığına sahip Tl Ba Ca Cu O sistemi keşfedildi yılında Hebard ve grubu (Hebard, 1991) K3C 60 ın 18 K de süperiletken olduğunu buldular yılında kritik sıcaklığı 133 K olan Hg Ba Ca Cu O sistemi keşfedildi (Gao, 1994). Hg0.8Tl0.2 Ba2Ca2Cu3O 8.33 numunesi, normal basınç altında 166 K değeri ile şimdiye kadar bilinen en yüksek kritik sıcaklık rekoruna sahiptir. Son olarak 2001 yılında, Jun Akimitsu ve ekibi (Akimitsu, 2001) MgB 2 nin 39 K de süperiletkenliğe geçtiğini gösterdiler. Vanadyum, teknetyum ve niyobyum elementleri haricinde, ikinci tip süperiletkenlerin tamamı metalik bileşikler ve alaşımlardır. İkinci tip süperiletkenlere giren perovskit yapıların keşfedilmesi çok uzun olmamıştır. İkinci tip süperiletkenlerde çok yüksek T c değerlerine ulaşılmakla beraber bu mekanizmanın teorisi tam olarak açıklanamamıştır. Birçok araştırmacı, kristal yapı içerisinde meydana gelen düzlemsel tabakalarla bunun sebebini açıklamaya çalışmışlardır. Buna rağmen, son zamanlarda yapılan araştırma sonuçlarına göre, yük birikimi içerisindeki çok yüklenmiş oksijenlerden dolayı meydana gelen boşlukların bu mekanizmadan sorumlu oldukları belirtilmiştir. Süperiletken bakır-oksit tabakalar, 1986 yılına kadar ulaşılan en yüksek değer olan 23 K e göre oldukça yüksek T c değerlerine sahiptirler. Bugüne kadar herhangi bir basınç uygulamadan çıkılan en yüksek sıcaklık 166 K dir. Bazı araştırmacılara göre, süperiletkenlikte ulaşılacak en yüksek sıcaklığın 200 K çalışmalar için herhangi bir sınırlama yapmak yanlış olacaktır. olduğu söylense de, bazılarına göre bu Sıkı süperiletken olarakta adlandırılan II. tip süperiletkenler, sıcaklıklarından ve karışık durum davranışlarından dolayı I. tip süperiletkenlerden farklılıklar gösterirler. II. tip süperiletkenler uygulanan bir dış magnetik alanda, alan çizgilerinin yüzeyden içeri girmelerine izin verirler. I. tip süperiletkenlerde 14

25 1. GİRİŞ Selda KILIÇ Meissner olayından ötürü bu olay meydana gelmemektedir. Bugüne kadar bulunan süperiletkenlerle ilgili çok uzun liste yapılabilir. Bunlar arasında çok ilginç olanları geçiş sıcaklıkları ile beraber aşağıda listelenmiştir. Hg 138 K 0,8Tl0,2Ba2Ca2Cu3O8,33 HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 HgBa 2 Ca 1-x Sr x Cu 2 O 6 HgBa 2 CuO 4 Tl 1,6 Hg 0,4 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 TlBa 2 Ca 2 Cu 3 O 9 Tl 0,5 Pb 0,5 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 9 TlBa 2 Ca 3 Cu 4 O 11 Tl 2 Ba 2 Ca 3 Cu 4 O 12 TlBa 2 Ca 4 Cu 5 O 13 Tl 2 Ba 2 Ca 4 Cu 5 O 14 TlBa 2 CaCu 2 O 7 Tl 2 Ba 2 CaCu 2 O 8 Bi 1,6 Pb 0,4 Sr 2 Ca 2 Sb 0,1 Cu 3 O x Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 9 Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 Bi 2 Sr 2 (Gd,Ce) 2 Cu 2 O K K K 130 K 127 K 123 K 120 K 112 K 112 K 107 K 105 K 103 K 99 K 115 K (MgO üzerine ince film olarak) 110 K 110 K 80 K 34 K Ca 1-x Sr x CuO K (4 elementli en yüksek değer) TmBa 2 Cu 3 O K YBa 2 Cu 3 O 7 93 K Y 2 Ba 4 Cu 7 O K YBa 2 Cu 4 O 8 80 K 15

26 1. GİRİŞ Selda KILIÇ YPbBaSrCu 3 O 8 (Ba,Sr)CuO 2 (Sr,Ca) 5 Cu 4 O 10 Pb 2 Sr 2 YCu 3 O 8 GaSr 2 (Y,Ca)Cu 2 O 6 (La,Sr,Ca) 3 Cu 2 O 6 (Eu,Ce) 2 (Ba,Eu) 2 Cu 3 O 10 SrNdCuO La 1,85 Sr 0,15 CuO 4 (La,Ba) 2 CuO 4 La 1,85 Ba 0,15 CuO 4 50 K 90 K 70 K 70 K 70 K 58 K 43 K 40 K (süperiletken tabakalar olmadan bulunan ilk örnek) 40 K K 35 K (keşfedilen ilk yüksek sıcaklık süperiletken, 1986) Yukarıdaki tüm örnekler perovskitlerdir, fakat oksijen metal oranları tam olarak ikiye üç oranında değildir. Bu bileşikler içinde en iyi performans gösteren, bir yada daha fazla elektron veren BaO, SrO, CaO metalleri içerenlerdir. Bunlar 6. periyottaki Civa, Bizmut, Talyum gibi ağır metallerdir. Cs 3 C 60 Ba 0,6 K 0,4 BiO 3 40 K 30 K Nb 3 Ge 23,2 K Nb 3 Si 19 K Nb 3 Sn 18,1 K Nb 3 Al 18 K V 3 Si 17,1 K Ta 3 Pb 17 K V 3 Ga 16,8 K Nb 3 Ga 14,5 K V 3 In 13,9 K 16

27 1. GİRİŞ Selda KILIÇ MgBr 39 K Yukarıdaki metaller içerisinde en iyi performansa sahip olanlar 5B grubuna dahil olan ve atom oranları 3 e V olan 4A ve 3A elementleridir. Nb Tc V 9,25 K 7,80 K 5.40 K Bu üç element sadece II tip süperiletken özellik gösteren metallerdir. HoNi 2 B 2 C Fe 3 Re 2 GdMo 6 Se 8 CoLa 3 MnU 6 AuZn 3 7,5 K 6,55 K 5,6 K 4,28 K 2,32 K 1,21 K Bu örnekler antiferro- ve ferromagnetik element içeren örneklerdir. Sr 0,08 WO K Tl 0,3 WO 3 2 2,14 K AuIn 3 0,00005 K ( ferromagnetik özellik gösteren ilk örnek) Tüm yüksek sıcaklık süperiletken malzemeler, yapılarında iki boyutlu bakır - oksit tabakalar içermektedirler. Elektriksel iletkenlik genellikle bakır-oksit tabakalarında oluşmaktadır. Yüksek geçiş sıcaklıklı süperiletkenliğin bu bölgelerde oluştuğu da bilinen bir gerçektir. Yüksek geçiş sıcaklıklı süperiletkenlik, malzeme yapısındaki kusurlara oldukça duyarlıdır. Yapı içerisindeki oksijen eksikliği, 17

28 1. GİRİŞ Selda KILIÇ kristal yapı içerisindeki düzensizlikler, süperiletken malzemenin kritik sıcaklığını etkilemektedir. Malzemeye magnetik alan uygulandığında, kritik sıcaklık değeri azalmaktadır. Bu durum tanecikler arası zayıf bağların bulunması ile ilişkilendirilmiştir. Bu zayıf bağların varoluşu ve davranışı, süperiletken olmayan fazın varlığına, düşük sıcaklık fazlarından birinin oluşmuş olmasına ve örnek içerisindeki tanecikler arası boşlukların olmasına bağlıdır. Uygulanan alan, zayıf bağlarla bağlanmış olan tanecik sınırında numune içerisine nüfuz etmekte ve bundan dolayı tanecik sınırlarında oluşmuş olan süperiletkenlik yok olmakta ve böylece sıfır direnç geçiş sıcaklığı azalmaktadır. Bilindiği gibi süperiletkenler iki türlü kritik akım değerine sahiptir. Birincisi, tanecikler arasında oluşan kritik akım yoğunluğu J cm diğeri ise tanecikler içerisinde meydana gelen kritik akım yoğunluğu J cg dir. Genellikle tanecikler içi kritik akım yoğunluğu tanecikler arası kritik akım yoğunluğundan daha büyüktür. Malzemenin kritik akım yoğunluğu uygulanan magnetik alana da bağımlıdır. Akım yoğunluğu, tanecikler arası kritik akım yoğunluğuna yaklaşan alan tarafından oluşturulduğunda tanecikler arası süperiletkenlik bozulur. Bunun sonucu olarak geçiş sıcaklığında biraz azalma meydana gelir. Fakat uygulanan alan H c1 ve H c2 gibi kritik iki değer arasında ise, girdap durumları oluşmaya başlar ve tanecikler arası süperiletkenlik devam eder. Eğer uygulanan alan H c2 ye kadar arttırılırsa tanecikler içerisindeki süperiletkenlik de yok olur ve bir direnç durumu gözlenir. 1.7.Yüksek Sıcaklık Süperiletkenliği 1986 yılından önce ve sonra keşfedilen Cu-O düzlemi içermeyen bütün süperiletkenler konvansiyonel (bilinen) veya düşük sıcaklık süperiletkenleri olarak adlandırılır ve yüksek sıcaklık süperiletkenliği deyimi T c değerine bakılmaksızın günümüzde sadece Cu-O düzlemi içeren tabakalı yapıya sahip süperiletkenler için kullanılmaktadır yılına kadar yapılan süperiletkenlik çalışmalarında kritik sıcaklığın 30 K civarında olduğu bulunmuştur. Ancak 1986 yılından itibaren ard arda bulunan La-Ba-Cu-O, Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O, Tl-Ba-Ca-Cu-O ve Hg-Ba-Ca- 18

29 1. GİRİŞ Selda KILIÇ Cu-O sistemleri ile bilinen en yüksek kritik sıcaklık, günümüzde Hg-tabanlı süperiletken sistem için 166 K e kadar yükseltilmiştir. Bu yüksek sıcaklık süperiletken sistemlerinden görüldüğü gibi yüksek T c li malzemelerin hemen hepsi bakır-oksit tabakası içermektedir. Tüm bakır-oksit tabakalara ait çok önemli bir gözlemde bulunmak mümkündür. Bu bileşiklerdeki bakır-oksit tabakalarının sayısı ile kritik sıcaklık arasında doğrudan bir ilişki olduğu görülmektedir. Bakır-oksit tabakalarının, yapı periyodik olarak kendini tekrarlayıncaya kadar eklenmesi T c yi artırır. CuO ve CuO 2 tabakalarındaki bakırın değerliğinin ve kimyasal bağ doğrultusunun rolü araştırılmaktadır. Buna göre, bu karmaşık oksitlere fazladan bakır-oksijen tabakası eklenmesinin, kritik sıcaklığı daha yüksek değerlere çıkarması beklenebilir. Bu sonuçlardan yola çıkan bazı araştırmacılar, T c için 200 K nin üzerindeki değerlere erişilebileceği beklentisi içerisindedirler. Süperakımların maksimum değerlerinin, bakır-oksit düzlemlerinde yüksek ve bu düzlemlere dik doğrultuda çok düşük olduğu gerçeği kesin olarak bilinmektedir. Gerçekten de YBa 2 Cu 3 O 7-δ ince filmlerindeki bakır-oksijen düzleminde A/m 2 lik kritik akım yoğunlukları literatürde yayınlanmıştır. c-doğrultusundaki akım yoğunlukları çok daha düşüktür. Bu aslında akımın iki boyutlu olması anlamına gelmektedir. Maalesef, sınır etkileri gibi faktörler yüzünden, hacimli (bulk) seramiklerde akım yoğunluğu çok daha düşüktür. Örneğin, çok kristalli yapıdaki YBa 2 Cu 3 O 7-δ örneklerinde kritik akım yoğunluğu A/m 2 arasındadır. Pek çok uygulama için bu değerlerin çok düşük olduğu görülmüştür. Bu malzemelerde içinde akımın çok iyi aktığı tanecikler ve bu tanecik ara yüzeylerinde yalıtkan gibi davranan safsızlıklar mevcuttur akım hem taneciklerden, hem de tanecikleri ayıran sınırlardan geçmek zorundadır. Bundan dolayı tanecikler arası akım sadece zayıf bağ davranışı olarak bilinen Josephson olayı ile geçer. Pek çok bilim adamı, bu malzemelerdeki kritik akımı bu etkilerin sınırladığına inanmaktadır. Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde eşuyum uzunluğu girme derinliğinden çok küçük olduğundan bu materyallerin hemen hepsi II. tip süperiletkenlerdir. Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin alt kritik magnetik alan H c1 değeri düşük, üst kritik magnetik alan H c2 değeri çok yüksektir, böylelikle magnetik vortekslerin sabitlenmesi zayıflamakta ve bu durum kritik akım I c yi azaltmaktadır. Yeni oksit 19

30 1. GİRİŞ Selda KILIÇ süperiletkenlerde fluksoidler için enerji bariyer büyüklüğünün bilinen süperiletkenlerden daha küçük olduğu ve küçük eş uyum uzunluğunun küçük enerji bariyerine neden olduğu belirlenmiştir (Yeshurun ve Malozemoff,1988). Hemen hemen tamamı izotropik olan düşük sıcaklık süperiletkenlerinin aksine, yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde yüksek uzaysal anizotropi görülmektedir. Anizotropi; kritik alan, kritik akım yoğunluğu, magnetik alanın girme derinliği ve direnç ölçümlerinde kendisini göstermektedir. Bi-tabanlı bileşikler La ve Y tabanlı bileşiklerden daha anizotropiktir, Tl bileşikleri ise muhtemelen hepsinden daha anizotropiktir. Anizotropi, yüksek sıcaklık süperiletkenliği için esas olduğu varsayılan tabakalı kristal yapıdan kaynaklanmaktadır. Yüksek kritik sıcaklıklı yeni materyaller yapmak için araştırmacılar yüksek sıcaklık süperiletkenlerine çeşitli nadir element iyonları katkıladılar. Bu değişimlerin bazıları T c yi arttırmasına rağmen bazılarının azalttığı bulunmuştur. Düşük sıcaklık süperiletkenleri ile yüksek sıcaklık süperiletkenleri arasındaki önemli bir farklılıkta yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin homojen olmamalarıdır. Süperiletken materyaller için serbest gözenek, yüksek yoğunluk, tanecikler arası güçlü bağlantı ve şekillendirilebilir homojen yapı gibi özellikler önemlidir Yüksek Sıcaklık Süperiletkenleri Bilim adamları, yıllarca, daha yüksek sıcaklıklarda süperiletkenlik gösteren yeni malzemeleri bulmaya çalıştılar. Yakın zamana kadar, bilinen en yüksek kritik sıcaklığa sahip olan malzeme, T c si 23.2 K olan Nb 3 Ge alaşımı idi. Değişik teorik beklentilere göre, elektron-örgü etkileşmelerinin önemli olduğu süperiletkenler için maksimum kritik sıcaklık 30 K civarında idi nın başlarında, Zürich IBM Araştırma Laboratuvarında J. George Bednorz ve Karl Alex Müller adlı iki bilim adamı, süperiletkenlik alanında devrim yaratan bir keşifte bulundular. Bu araştırmacılar, lantan, baryum ve bakırın karışık fazda bulunan bir seramiğinin yaklaşık 35 K de süperiletken olduğunu buldular. Bundan sonra diğer laboratuvarlarda yapılan çalışmalar, süperiletken fazın, x=0.2 olmak üzere La 2- xba x CuO 4 olduğu bulunmuştur. Böyle yüksek kritik sıcaklıklar, özellikle metal 20

31 1. GİRİŞ Selda KILIÇ oksitler için beklenmediğinden, yüksek sıcaklık süperiletkenliğiyle ilgili haberler şüphe ile karşılanmıştır. Kısa bir süre sonra araştırmacılar, baryum yerine stronsiyum koyarak T c nin değerini 36 K e yükselttiler. Bu gelişmeden ilham alan dünyanın her tarafındaki bilim adamları, daha yüksek T c değerlerine sahip malzemeler keşfetmek için neredeyse çılgınca çalışmaya başladılar. Metal oksitlerin süperiletken davranışları üzerinde yapılan çalışmalar müthiş bir hız kazandı yılı, yüksek sıcaklık süperiletkenliği üzerine yapılan çalışmaların başlangıcı sayıldı nin başlarında, Alabama ve Houston Üniversitesindeki araştırma grupları; yitriyum, baryum, bakır ve oksijenden oluşan karışık bir fazda 92 K e yakın bir sıcaklıkta süperiletkenlik gözlendiği haberini verdiler (Wu ve Ashburn, 1987). Bu keşif, dünyanın başka yerindeki gruplar tarafından da doğrulanarak, süperiletken fazın YBa 2 Cu 3 O 7-δ olduğu belirlenmiştir. Bu bileşiğin geçiş sıcaklığı, kolayca bulunabilen ve bir soğutucu olan sıvı azotun kaynama sıcaklığı olan 77 K in üzerindedir. Bu bakımdan bu buluş yüksek sıcaklık süperiletkenliği için bir dönüm noktası olmuştur. Süperiletken cihazların, sıvı azot sıcaklığı, hatta oda sıcaklığında çalışması ihtimalinin ortaya çıkması üzerine, değişik disiplinlerden binlerce bilim adamı, süperiletkenlik üzerine çalışmaların yapıldığı arenaya katılmıştır. Yakın geçmişte, seramik yapıda pek çok kompleks metal oksit incelendi ve kritik sıcaklık için 100 K nin üzerinde değerler gözlendi. Araştırmacılar 1988 in başlarında, Bi-Sr- Ca-Cu-O bileşiği için süperiletkenliğin 120 K de, Tl-Ba-Ca-Cu-O bileşiği içinse 125 K de başladığını haber verdiler. Yine Hg-Ba-Ca-Cu-O bileşiği için süperiletkenlik 134 K de başlarken basınç uygulaması ile bu değer 166K e ulaşmıştır. Görülebileceği gibi, yeni yüksek T c li malzemelerin hepsi, şu veya bu şekilde bakır oksittirler. Şu ana kadar ayrıntılı olarak incelenen değişik süperiletken bileşikler, perovskit olarak adlandırılan kristal yapılar cinsinden sınıflandırılırlar: İlk sınıf BaPb 1-x Bi x O 3 gibi kübik perovskitlerdir (a=b=c). Bilindiği gibi bu malzeme ilk yüksek T c li malzemelerden birisi olup, geçiş sıcaklığı 10 K dir. KNiF 4 yapısı olarak bilinen ikinci sınıf ise, tetragonal bozulmaya sahip (a=b c) tek tabakalı perovskitlerdir. Buna bir örnek T c si yaklaşık olarak 38 K olan La 1.85 Sr 0.15 CuO 4 dür. Burada a ile b örgü sabitleri, bakır-oksijen düzleminde ölçülmektedir ve c bu düzleme diktir. Üçüncü sınıf ise ortorombik yapıya sahip (a b c), YBa 7 Cu 3 O 7 gibi 21

32 1. GİRİŞ Selda KILIÇ (T c 92 K) çok tabakalı perovskitlerdir. Bu sınıftaki bileşikler, metallerin bağıl oranlarından dolayı, bazen malzemeleri olarak da adlandırılmaktadır. Bakıroksit tabakalarının, yapı periyodik olarak kendini tekrarlayıncaya kadar eklenmesi T c yi artırır. Bu yeni bakır oksitlerin sıfır direnç ve diamagnetizma gibi, süperiletkenlerin iki belirgin özelliğine sahip oldukları gerçeği de iyice yerleşmiştir. Buna ek olarak bu malzemelerin aşağıdaki özelliklere de sahip oldukları bilinmektedir. - Bu malzemeler, üst kritik alanları 100 T dan daha büyük olan II.tip süperiletkenlerdir. - Bu malzemeler aşırı derecede anizotropiktirler, yani yöne bağımlı özelliklere sahiptirler. Bunun en belirgin delili; direncin, bakır-oksijen düzleminde çok küçük, bu düzleme dik doğrultuda ise çok büyük olmasıdır. - Bunlar granül (taneciksel) veya seramik yapıdadırlar. Seramik yapıda olmalarından dolayı; esnek olmamak ve kırılgan olmak gibi uygun olmayan mekanik özelliklere sahiptirler. - Bu malzemelerin süperiletkenlik özellikleri ile kristal yapıları arasında doğrudan bir ilişki olduğu görülmektedir. Bu kristal yapı, oksijen eksiği olan bakır-oksit tabakaları ve zincirleri olan bir yapıdır. - Bakır-oksit tabakalarındaki atomların yerine başka atomların yerleştirilmesi süperiletkenliği bozmakta ve yok etmektedir. Başka konumlara yapılan yerleştirmelerin süperiletkenliğe etkileri ise çok küçüktür. - Band aralıkları, yüksek sıcaklık özdirençleri, kritik akım yoğunlukları, kritik magnetik alanlar ve benzeri özellikleri farklı olmalarına rağmen; hemen hemen tüm malzemelerinin T c kritik sıcaklıkları 90 K e yakındır. - Hacimli (bulk) çok kristalli yapıdaki malzemeler için kritik akım yoğunlukları çok düşüktür. Bu akım, iyi yönlendirilmiş ince filmlerde çok daha yüksektir. 22

33 1. GİRİŞ Selda KILIÇ 1.9. Yüksek T c Süperiletkenliğin Mekanizması Eski kuşak süperiletkenlerin davranışlarının ve özelliklerinin açıklanmasında BCS teorisinin koyduğu çerçeve oldukça başarılı olmuştur. Ancak, hemen belirtelim ki teorik çalışan bilimadamları yeni kuşak metal oksitlerdeki süperiletkenliği anlamak için uğraşmaya devam etmektedirler. Burada tartışılması, teknik bakımdan çok yüksek olan değişik modeller ve mekanizmalar teklif edilmiştir. Ancak ilginçtir ki, bakır-oksit süperiletkenlerle ilgili deneysel gözlemler BCS teorisinin bulguları ile uyum içindedir. Buna ilişkin deliller şunlardır. - Değişik araştırma grupları tarafından yayınlanan sonuçlar arasında farklar olmakla beraber, pek çok bakır-oksitin enerji aralığı BCS teorisinin öngördüğü 3.53k B T c mertebesindedir. - Akı kuantumlanması deneyleri, süperiletkenlik sürecinde Cooper çiftlerine benzer yük taşıyıcı çiftlerin rol aldığını göstermektedir. - Özgül ısıda T=T c de gözlenen süreksizlik, BCS modelinin öngörüsüne benzemektedir. BCS modeli bu gözlemlerle uyum içerisinde olmasına rağmen bakır-oksit süperiletkenlerinin davranışlarını açıklayan mekanizmalar henüz tam olarak belirlenebilmiş değildir. Yüksek geçiş sıcaklıklı oksitlerdeki eksik oksijen atomlarına ilişkin hole (boşluk) çiftlerinin varlığını gösteren yeterli delil mevcuttur. Yakın geçmişte ortaya konan teoriler, üç sınıfta düşünülebilecek mekanizmalar ortaya atmıştır. Bu mekanizmalar, yük taşıyıcı çiftler arasında etkin çekici etkileşmeler elde etmekte kullanılabilirler. Bunlardan birincisi, BCS elektron-örgü-elektron çiftlenim modelinin bazı özelliklerini muhafaza eden sınıftır. Bu mekanizma gereği, daha yüksek T c ler veren çok daha kuvvetli bir çiftlenim, harmonik olmayan örgü titreşimlerinden kaynaklanabilir. Bu mekanizmalardan ikinci sınıfa gireni elektrik yük salınımları ile olan etkileşmelerle ilgilidir. Üçüncü sınıf ise spin salınımları ile olan etkileşmelerden ve bunlara eşlik eden magnetik etkileşmelerden kaynaklanmaktadır. Son zamanlarda, çiftlenmiş elektronlu oksit süperiletkenlerin keşfi bilmeceyi daha karmaşık hale sokmuştur. Bu, ya çeşitli mekanizmaların mümkün olduğunu ya da elektron ve boşluk çiftlerini açıklayan ayrıntılı teorilere 23

34 1. GİRİŞ Selda KILIÇ ihtiyaç olduğunu göstermektedir. Bir kere yüksek T c den sorumlu mekanizmalar belirlenip, formal teori geliştirilirse, daha yüksek kritik sıcaklık ve akım yoğunluklarına erişmek için ipuçları da ortaya çıkacaktır Özdirenç ve Magnetik Duygunluk Günümüzde süperiletkenliğin iki temel özelliği vardır; sıfır direnç ve mükemmel diamagnetizm. İdeal bir süperiletkende direnç ve magnetik ölçümler birlikte yapılır. Birçok durumda sıcaklığa karşı özdirenç eğrisi, mıknatıslanma eğrisinden daha keskindir ve özdirenç eğrisinin düşmeye başladığı sıcaklık, magnetik duygunluk eğrisinden daha yüksektir. Çoğunlukla T c geçiş sıcaklığı özdirenç eğrisinin değişmeye başladığı andan itibaren orta noktasından hesaplanır (Şekil 1.8). Şekil 1.8. HoBa 2 Cu 3 O 7 için magnetizasyon ve özdirenç eğrisi Duygunluk (mıknatıslanma) ölçümleri ise numunenin tamamının magnetik durumunu belirler. Numunenin tamamının süperiletken duruma geçtiğinin iyi bir göstergesidir. Özdirenç ölçümleri daha ziyade sürekli süperiletken yollar meydana geldiğinde kendini gösterir. Magnetik duygunluk ölçümleri süperiletken durumun 24

35 1. GİRİŞ Selda KILIÇ iyi bir göstergesi iken özdirenç ölçümleri de uygulamalı amaçlar için güzel bir pratik yoldur. Şekil 1.8. HoBa 2 Cu 3 O 7 için K arasında elektriksel özdirenç ve mıknatıslanma (magnetizasyon) eğrisini göstermektedir (Ku ve Yang, 1987) Süperiletkenlerde Akımın Taşınması Metallerde akım iletim elektronları tarafından taşınırken süperiletkenlerde cooper çiftleri tarafından taşınmaktadır. Metallerde akım taşınırken iletim elektronları dirençle karşılaşır. Direnç, iletim elektronlarının saçılmaları sonucu momentumlarının değişimi ile oluşur. Süperiletkenlerde ise direnç sıfırdır. Cooper çiftindeki iki elektron birbirlerini saçılmaya uğratırlar ancak bu saçılmada tek tek elektronların momentumları değişse de çiftin toplam momentumu sabit kalır. Süperiletkendeki çiftleri oluşturan elektronlar birbirlerini sürekli olarak saçılmaya uğratmalarına rağmen çiftin toplam momentumu değişmediği için bir direnç oluşmaz ve böylece akımda bir kayıp olmayacağı için akım değişmez. Akımın değişmesi için çiftin toplam momentumunun değişmesi gerekir. Çiftin toplam momentumunu değiştirmek (direnç oluşturmak) için çifte dışarıdan bir enerji verilmelidir. Bu enerji cooper çiftindeki elektronların ayrışması için gerekli olan enerjidir. Bu enerjiyi elektron çiftine veren bir akım yoğunluğu vardır, bu akım yoğunluğuna kritik akım yoğunluğu denir. Kritik akım yoğunluğunun değeri üzerindeki akım yoğunluklarında cooper çiftleri parçacıklara ayrılır ve bu parçacıklar normal elektron gibi davranırlar; uyarılabilirler, saçılabilirler ve akım taşıyabilirlerse direnç oluşturabilirler. Süperiletkenlikten sorumlu olan cooper çiftleri kritik sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda oluşur üstündeki sıcaklıklarda ise ayrışarak dirence neden olur Kritik Akım Kritik akım, bir süperiletkende akımın bir dirençle karşılaştığı andaki büyüklüğü olarak tanımlanır. Direnç ilk olarak yüzeyin herhangi bir kısmında toplam magnetik alan değeri kritik magnetik alan değeri H c ye eriştiğinde görülür. Ancak 25

36 1. GİRİŞ Selda KILIÇ cisimlerin geometrik şekilleri (demagnetizasyon faktörü) nedeniyle magnetik alan tüm yüzeylere aynı oranda etkimeyebilmektedir. Örneğin, magnetik alandaki bir kürenin ekvator çevresi magnetik akı çizgilerinin yoğunluğu nedeniyle kritik magnetik alan H c değerine daha çabuk ulaşarak ekvator çevresini normal hale geçirir ve diğer bölgeler süperiletken olmaya devam eder. Ancak bu durum II. tip süperiletkenlerdeki süperiletken-normal durum geçişleri ile karıştırılmamalıdır. Kritik akım yoğunluğunu incelemek için silindirik yapıda, r yarıçaplı yeterince ince (r = λ) süperiletken bir tel düşünelim. Bu telden I akımı geçirilirse Amper Yasası; B.dl = µ o.і (1.3) ya göre süperiletken teli çevreleyen bir B alanı oluşur. Bu eşitlikten B.2πr = µ o.і eşitliği elde edilir ve B değeri kritik B c değerine ulaştığında teldeki akımda kritik değerine ulaşır, çünkü kritik akım süperiletkende kritik magnetik alan oluşturan akımdan büyük olamaz. Şekil 1.9. kritik akım yoğunluğunun magnetik alan ve sıcaklıkla değişimini gösteren kritik faz diyagramını göstermektedir. Kritik akım durumunda tel süperiletken olma özelliğini tamamen kaybeder bu durumda kritik akım І c = 2πrB c /µ o (1.4) ve kritik akım yoğunluğu da J c = 2B c /µ o r (1.5) şeklinde ifade edilir. II. tip süperiletkenlerin keşfine kadarki süreçte I. tip süperiletkenler yüksek akımlar taşıyamadıkları için pratikte kullanılmamışlardır. II. tip süperiletkenlerin keşfi ile I. tip ve II. tip süperiletkenlerin taşıyabildikleri akım değerleri arasında büyük fark görülmüş böylece hem II. tip süperiletkenler üzerine çalışmalar yoğunlaşmış hem de endüstride yaygın olarak kullanılmaya başlanmışlardır. 26

37 1. GİRİŞ Selda KILIÇ Şekil 1.9. Kritik yüzey faz diyagramı Tünelleme ve Josephson Olayı 1960 yılında, elektronların iki süperiletkeni ayıran çok ince yalıtkan bir filmden tünelleme yoluyla geçerek oluşturdukları akımın incelenmesiyle süperiletken bir metaldeki enerji aralığının deneysel olarak doğrudan ölçülmesi sağlanmıştır (Şekil 1.10). Tünelleme sırasında enerji korunmalı yani sistemin tüm enerjisi tünelleme öncesi ve sonrası aynı olmalıdır. Ayrıca elektronların tünelleme yapacakları boş parçacık durumları bulunmalıdır aksi takdirde tünelleme gerçekleşmez. Tünelleme için gerekli bir diğer şart ta metaller arasındaki mesafenin çok büyük olmamasıdır, süperiletken için bu mesafe eş uyum uzunluğu mertebesinde olmalıdır. Normalde, elektron çiftlerinin (cooper çiftleri) tünelleme olasılığının tek bir elektronun tünelleme olasılığından daha düşük olması beklenmektedir. Ancak deneysel sonuçlar tünelleme olasılığının cooper çiftleri ve tek parçacıklar için aynı olduğunu göstermiştir yılında Brian Josephson farklı iki süperiletkenden yapılan bir eklemde dışarıdan voltaj uygulamaksızın bir doğru akım geçebileceği dc Josephson Olayını ve daha sonra ekleme dışarıdan bir voltaj uygulandığında eklemden bir alternatif akım 27

38 1. GİRİŞ Selda KILIÇ geçebileceği ac Josephson Olayını teorik olarak öngörmüştür. Bu iki olayı incelemeye çalışalım : Şekil İnce bir yalıtkan tabakayla ayrılmış iki süperiletkenin oluşturduğu eklem DC Josephson Olayı Uygun koşullarda iki süperiletken arasına konmuş çok ince yalıtkan tabakalı bir eklemi düşünelim. Bir süperiletken içindeki bütün elektron çiftleri aynı faza sahip olduğundan özdeş iki süperiletkene dışarıdan bir voltaj uygulanmadığı ve sıcaklığın mutlak sıfırın üzerinde olduğu durumlarda iki yöne tünelleme yapmaları olası olduğundan net bir akım gözlenmez. Buna karşın eğer iki farklı süperiletken ile bir eklem oluşturulursa bir voltaj uygulanmasa da eklemden akım geçecektir. Bu eklemde elektronlar çiftler halinde tünelleme yaparlar ve engeli geçtikten sonra da momentum çiftlenimlerini korurlar. Bu şekilde bir voltaj farkı olmadan geçen akıma dc-josephson akımı denir ve bu akım, eklemi oluşturan süperiletken tabakalardaki elektronların dalga fonksiyonlarının faz farkı Φ = Φ 1 Φ 2 ile belirlenir. Akımı sağlayan aslında iki taraftaki elektron çiftlerinin bu faz farkıdır. Akım yoğunluğu ise; J o, maksimum akım yoğunluğu ve Φ, faz farkı olmak üzere J = J o sinφ (1.6) ile verilir. Bu dc Josephson Olayı olup Josephson un teorik önerisinden kısa bir süre sonra 1963 te Anderson ve Rowell tarafından gözlenmiştir. 28

39 1. GİRİŞ Selda KILIÇ AC Josephson Olayı AC Josephson Olayı teorik öngörüsünden sonra 1965 yılında gözlenebilmiştir. Farklı süperiletkenlerden oluşturulan ekleme dc voltaj (doğru akım voltajı) uygulandığında herhangi bir ac devresi gibi deneysel olarak tespit edilebilecek elektromagnetik dalga yayar. Ekleme sabit V voltajı uygulandığında elektron çiftleri yalıtkan tabakayı geçecek ve 2eV değerinde bir enerji kazanacaktır. Normal bir metalde bu enerji direnci yenmek için kullanılırken süperiletkende akım geçişinde hiç enerji harcanmadığından elektron çiftinin kazandığı bu enerji w=2ev/ħ frekansında bir ışık kuantumu olarak yayınlanacaktır. Bu yayınlanma yukarıda bahsettiğimiz gibi deneysel olarak gözlenebilmektedir. Buradaki akım yoğunluğu, J = J o sin[φ-wt] (1.7) şeklinde verilir. Hacimsel süperiletkenler basitçe tane sınırları ile birbirlerinden ayrılmış kristallerden oluşmuştur. Kristal-tane sınır eklemi Josephson eklemine benzerdir ve akım bu şekilde akar. Bu eklemin akım yoğunluğunun eşik değeri hacimsel materyallerdeki J c ye karşılık gelir ki bu değer aynı süperiletken materyalin tek kristalinin J c değerinden çok küçüktür. 29

40 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Selda KILIÇ 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Kamerlingh Onnes tarafından 1911 yılında 4 K sıcaklıkta civanın süperiletken olduğunun bulunmasından sonra, yeni süperiletken malzemeler elde etmek için yapılan araştırmalar, o günün koşullarında en yüksek kritik T c geçiş sıcaklığının üzerinde bir değer bulmaya yönelmiştir. Çalışmaların ilk on yılı içerisinde bulunan en yüksek T c değeri Nb 3 Ge malzemesi için elde edilen 23 K dir (Gavaler, 1974). Sonraki onüç yılın ardından 1986 yılında Bednorz ve Müller tarafından, ki 1987 yılında Nobel ödülü ile mükafatlandırıldılar, LBCO (lantinanium, baryum ve bakır karışımı bir oksit) süperiletkeninin 35 K de süperiletkenlik göstermesi ile asıl yüksek geçiş sıcaklığına giden yol açıldı. Buluş şaşırtıcı ve heyecan vericiydi. Sadece T c deki büyük artıştan dolayı değil, beraberinde oksitlerin yüksek potansiyeli beklenmeyen yeni bir süperiletken madde sınıfını ortaya çıkardı. T c sıcaklığında diğer bir önemli sıçrama 123 süperiletken maddesinin 1987 de bulunuşuyla 90 K e kadar çıkan sıcaklıkta olmuştur, bu örnek Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-n malzemesidir. Bu aynı zamanda Amerika, Japonya ve Çin deki çalışma gruplarınca gerçekleştirilmiş bir çalışmadır (bu yapı içerisindeki yitrium birçok nadir elementle, örneğin La, Nd, Sm, Eu, Gd, Er ile yer değiştirebilir). Çok kısa süre sonra daha yüksek T c değerleri 1988 de BSCCO (bizmut, stronsiyum, kalsiyum ve bakır oksit karışımı) ve yine 1988 de TBCCO (talyum, baryum, kalsiyum ve bakır oksit karışımı) sistemlerinin oluşturulmasıyla bulundu. Bütün bu sistemlerdeki bakır-oksit tabakaları, süperiletkenlik özelliklere hükmeden ortak yapısal bir element olarak ortaya çıkarlar. Sitokiyometrinin seçimine bağlı olarak kristalografik birim hücresi çeşitli sayılarda CuO 2 yüzeyleri içerir. Ayrıca 123 bileşikleri, yüzeylerdeki elektron yoğunluğunu kontrol eden depolar gibi davrandığı düşünülen CuO zincirlerini içerirler. Kesin T c değerleri bu özelliklere bağlıdır. Aşağı yukarı YBCO, BSCCO, TBCCO sistemlerinde ulaşılan en yüksek T c değerleri, sırasıyla 93,110,130 K dir. Yapılan bu kısa açıklama 1911 yılında civanın yaklaşık 4 K de bulunan kritik geçiş sıcaklığı ile, 1994 yılında civa tabanlı malzemenin 130 K de bulunan geçiş sıcaklığına kadar ki süreçte, süperiletkenlik konusundaki yapılan çalışmaların çok yüzeysel olarak gelişimini içermektedir. 30

41 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Selda KILIÇ Yüksek sıcaklık süperiletkenliği konusunda yapılan çalışmalar adeta bir yarış halindedir. Bir grup çalışmacı deneysel olarak yaptığı çalışmalarla bu olayda yerini alırken, diğer bir grup teorik olarak çalışmalarda bulunmaktadır. Fakat, genelde deneysel çalışmalar, teorik çalışmaların çok önünde gitmektedir.deneysel olarak elde edilen bir sonuç için, birden çok model ortaya atılmıştır.bunun yanı sıra teorik bazı düşüncüler de deneysel olarak kanıtlanmak istenmiştir. Bu teorilerin büyük bir çoğunluğu deneysel olarak onaylanmış olsa da, çok az bir kısmı henüz deneysel olarak ispatlanamamıştır. Kısaca bu işin en heyecanlı ve zevkli kısmı da aslında budur.yani, deneysel ve teoriksel uyum ve uyumsuzluk, süperiletkenlik konusunda ilginç tartışmalara ve yeni araştırmaların günden güne bu olay içerisindeki yerini almasına teşvik eder bir durum yaratmıştır.1911 ve 1998 e şöyle bir kronolojik olarak göz atarsak, birbirini izleyen ve birbirine bağımlı olarak süperiletkenliğin tarihsel gelişimini şu şekilde sıralayabiliriz. Heike Kamerlingh Onnes ve asistanı Van Holst un 1911 de süperiletkenliği keşfi ve hemen üç yıl sonra yani 1914 yılında yüzey akımları ile ilgili deneylerin yapılması bu konudaki çalışmaların başlangıcını teşkil etmektedir. Daha sonraki ilk önemli deneysel çalışma, Meissner ve Ochsenfeld in (1933) yapmış olduğu çalışmadır. Bu çalışmada süperiletken maddelerin magnetik özellikleri ile ilgili ilk bulgular saptanmıştır. Daha sonra Fritz ve Heinz London (London, 1935) kardeşler süperiletkenliğin makroskopik teorileri üzerinde çalışmışlardır. Ginzburg ve Landau (Landau, 1950) uyarlanmış bazı formüller elde ederek bu çalışmalara önemli katkılarda bulunmuşlardır. Ve 1950 lerde izotop etkisinin (E. Maxwell, 1950), deneysel olarak gözlenmesinin hemen ardından Barden-Cooper ve Schrieffer (1957) bu konuda BSC teorisi olarak bilinen bir teoriyi ortaya atmışlardır. Enerji aralığı için yapılan ilk deneyler 1957 yılı içerisindedir. Bunun hemen ardından 1961 yılında akı kuantalanması ve iki süperiletken arasındaki tek bir elektronun tünel olayı için deneysel çalışmalar yapılmıştır. Bu deneylerden elde edilen sonuçları değerlendiren Josephson etkisi olarak bilinen teoriyi ortaya atmıştır (Josephson,1962). Bundan dört yıl sonra (Abrikosov, 1957), ikinci tip süperiletkenler içerisindeki akı tüpleri için yapılan çalışmlarda da oldukça başarılı olan modeller geliştirilmiştir. 31

42 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Selda KILIÇ Saymış olduğumuz bu çalışmalar süperiletkenlik konusundaki çalışmalara ışık tutan, referans olan belli başlı sonuçlardır. Bu sonuçların her biri ortaya atılışları itibarı ile adeta bilim dünyasını sarsan ve araştırmacıların, bu yeni sonuçlara göre kendilerini yönlendirilmesini sağlayan sansasyonel olaylardır. Bu konularda yüzlerce araştırmacı ve sonuçları ile literatürde yerlerini almıştır.şimdi bunlardan bazılarına kısa bir şekilde göz atalım. HTc süperiletken malzemeler üzerine yönelen araştırmalar, ele aldıkları malzemeler ve bulguları şöyle özetleyebiliriz. Chu (C.W.Chu ve ark. 1993), HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 malzemesinde basınç uygulaması ile (yaklaşık 30 Gpa) kritik sıcaklık için 164 K lik bir değere ulaşmıştır. Oysa basınç uygulamadan bu değer yaklaşık 133 K civarındadır. M.B.Maple ve ark. Lantanit tabanlı LnBa 2 Cu 3 O 7-n malzemesinde yaptıkları ölçümlerde kritik sıcaklık için yaklaşık 95 K ve kritik magnetik alan için 102 tesla değerini elde etmişlerdir. Bunun teknolojik uygulamalar açısından oldukça iyi bir sonuç olduğu görüşüne varmışlardır. Lantanit tabanlı malzemeler üzerinde yapılan çalışmalarda bu malzemelerin içerisinde düşük sıcaklıklarda magnetik momentlerin antiferromagnetik düzende oldukları gözlenmiştir (Orlando,1987). LuNi 2 B 2 C nadir toprak elementleri içeren süperiletken malzeme üzerinde yapılan çalışmalarda kritik sıcaklık değeri 16.5 K olarak bulunmuştur (Nagarenon, 1994). Bu malzemelerle ilgili olarak yapılan çalışmaların diğer bir şekli, malzemeye yapılan katkıların etkilerini incelemek olmuştur. Örneğin, La 2 CuO 4 malzemesine Sr eklenmesi ile maksimum kritik sıcaklık değeri 40 K olmuştur (Cava ve ark. 1987).Yine yapılan çalışmalarda süperiletken malzemelere C 60 elementlerinin katkılanmasıyla kritik sıcaklık değerinin değişikliği gözlenmiştir (Sarrao, 1994). Örneğin, Rb3C 60 ve K 3 C 60 malzemelerinin sırasıyla, 29 K ve 18 K sıcaklık değerlerinde olduğu gözlenmiştir (Holczer, 1991). Bunların yanı sıra enerji aralığı ile ilgili yapılan çalışmalarda süperiletkenlerin Fermi enerjileri ve durum yoğunlukları ile ilgili sonuçlar elde edilmiştir (D.L.Cox ve ark, 1995). Girme derinliği λ (W.N.Moler, 1994) ile ilgili yapılan deneysel çalışmalar ve sonuçları literatürde mevcuttur. 32

43 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Selda KILIÇ Dersch ve Blatter (1988), YBa 2 Cu 3 O 7 ailesinin seramik süperiletkenlerinin büyük bir miktarında kritik akım ve magnetizasyon ölçümleri gerçekleştirdiler. Sonuçlar, mevcut seramiklerdeki kritik akımların kuvvetli bir şekilde örneğin geometrisine bağlı olduğunu ve aslında tamamıyla kendi alan sınırlamaları tarafından belirlendiğini gösterdi. Bu güçlü magnetik alan bağlılığı onları kritik akım ve magnetizasyon arasında deneysel olarak sağlaması bulunmuş genel bir ilişkiye götürdü. Bean teorisinin bir uzantısına dayandırdıkları, magnetik alana karşı mikroskobik akım ilişkisini kullanarak transport ve magnetik özellikleri öngören nicel bir kritik durum modeli taslağı oluşturdular. Yüksek sıcaklık süperiletkenleri magnetik alanların artmasıyla birlikte keskin bir şekilde bozulan J c kritik akım yoğunluklarına sahiptir. Kumar ve Chaddah ( 1989) Bean in modelini J c nin H ile üstel azalışı için çözdüler ve saf magnetizasyon eğrileri ve histeresiz çevrimi elde ettiler. Uygulanan maksimum alan yeterince büyük olmadığında histeresiz çevriminin şeklinin önemli bir şekilde değişebildiğini gösterdiler ve literatürde rapor edilmiş çeşitli magnetizasyon verileri arasındaki uyumsuzlukları açıkladılar. Wagner, Talvacchio ve Panson (1988), transport akım ve magnetometre tarafından ölçülen Bi-Sr-Ca-Cu-O nun preslenmiş ve sinterlenmiş tabletlerinin kritik akım yoğunluklarını rapor ettiler. 860 º C de sinterlenmiş bir örnek için, mıknatıslanmadan çıkarılan kritik akım yoğunluğunu, ölçülen transport akım yoğunluğundan 40 kez daha büyük buldular. Bu sonuçla ve ezilmiş bir tabletin mıknatıslanmasıyla olan karşılaştırmalar ile taneli yapının etkilerinin, polikristal YBa 2 Cu 3 O 7 de ki kadar büyük olduğunu gösterdiler. Chen, Sanchez ve arkadaşları (1990), 2a 2b şeklinde dikdörtgensel yatay kesitli son derece uzun bir geometriye sahip olduğu varsayılan II.tip süperiletkenlerin M(H) eğrilerini hesaplamak için Bean, Kim ve üstel-yasa kritik durum modellerini kullandılar. Farklı b/a değerleri ve diğer ilgili parametreler için kendi analitik sonuçlarını göstermek amacıyla bazı M(H) eğrilerini hesapladılar. Elde ettikleri sonuçların birçok deneysel veriye özellikle de yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin çalışmalarına uygulanabildiğini gösterdiler. 33

44 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Selda KILIÇ Xu, Shi ve arkadaşları (1990), II.tip süperiletkenler için, kritik durum modelinin önceki tüm formlarını birleştiren genelleştirilmiş bir model geliştirdiler. Fiziksel olarak orijinal Bean modeliyle tutarlı olduğunu, bu modelden üretilen M(H) eğrileriyle gösterdiler. Kritik akım yoğunluğunun diğer tüm ifadelerinin bu genelleştirilmiş kritik durum modelinden türetilebildiğini gösterdiler. Däumling, Triscone ve Flükiger (1993), (Bi,Pb) 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O x malzemesinin tozlarındaki kritik akım yoğunluğunun (J c ) magnetik ölçümlerini gerçekleştirdiler. Akı hafiflemesini dikkate alarak ve dirençli J c ölçümleri için kullanılan kriterlerin aynısını uygulayarak J c 2x10 4 A/cm 2 (77K,0T) değerine ulaştılar. Eyleme geçmiş akı çivilemesi bozukluğu ve tanecik sınır çivilemelerinin şeritlerdeki J c yi belirlemede birtakım rol oynayabileceğini göstererek, bu değerin aynı malzemenin gümüş kaplı şeritlerinde elde edilen en yüksek değerlerden küçük olduğunu rapor ettiler. Shi,Wang ve arkadaşları (1993), gümüş kaplanmış yüksek sıcaklık Bi2Sr2Ca 2Cu2O x süperiletken şeritleri için transport verileri, magnetik histeresiz ve akı sürüklenmesi aktivasyon enerjisi konularındaki deneysel sonuçlarını çalışmalarında vermişlerdir. 110 K de süperiletkenlik fazını Bi-Sr-Ca-Cu sistemine katkılama yaparak oluşturmuşlardır. Transport kritik akım yoğunluğu 4.0 K de ve sıfır alanda ve 12T alanda H // ab iken A / cm olarak ölçülmüş (karşılık gelen kritik akım ise 74A dir) A / cm bulmuşlardır. a-b düzlemindeki mükemmel tanecik dizilişi kısa eritme metodu ile elde edilmiştir. Bunun da kritik akım yoğunluğu ve tersinmezlik çizgisini oldukça geliştirdiğini rapor etmişlerdir. Magnetik gevşeme ölçümlerine dayanarak akı sürüklenme aktivasyon enerjisini akımın bir fonksiyonu olarak elde etmişlerdir. Dewhurst ve arkadaşları (1995), Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ bileşiğinde alçak sıcaklık tersinmezlik çizgisinin ve bulk çivilemenin başlangıcını tespit etmişlerdir. Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ tek kristallerinin dc mıknatıslanma ölçüm sonuçlarını sıcaklığın bir fonksiyonu olarak vermişlerdir. Histeresiz eğrisinin sıcaklık ile gelişimini incelenmiş ve tersinmezlik çizgisi çıkarmışlardır. Eğrilerin alçak alanlı kısımları T c ' ye kadar ölçeklendirilirken, bu eğriler birbirlerinin üzerinde 4.2 K den 20 K e kadar ölçeklendirilebilmiştir. Orta sıcaklıklarda 20K civarında görülen ve 30K nin üzerinde 34

45 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Selda KILIÇ dereceli olarak kaybolan ikinci pikin gözlemlenmesiyle ölçeklendirmenin kırıldığını tespit etmişlerdir. Alçak sıcaklıklarda davranış şiddetli bulk çivilemesi ile domine edilirken, yüksek sıcaklıklarda histeresiz ve tersinmezliğin kayda değer bir şekilde geometrik ve yüzey engelleri etkileri tarafından değiştirildiğini gözlemlemişlerdir. Taban yüzey engelleriyle belirlenen mıknatıslanma eğrisinden gelen ikinci pikin oluşum özelliklerinden artan alanla birlikte bulk çivilemenin ve şiddetli kritik akımın başlangıcını tespit etmişlerdir. Düşük alan düzeninde ölçeklendirme ve daha önce bilinenlere dayanan tahminler, 0 K deki tersinmezlik çizgisinin 110 T civarında tahmin edilebilmesine olanak vermiştir. Geniş bir sıcaklık aralığında yüksek alanlara kadar bir faz diyagramı önermişlerdir. Khaykovich ve arkadaşları (1996), yerel mıknatıslanma ölçümlerini kullanarak farklı oksijen stokiyometrileri ile Bi2Sr2CaCu 2O8 kristallerindeki vorteksörgü faz geçişlerini çalışmışlardır. Üç yeni buluş rapor etmişlerdir: Birinci dereceden faz geçişi çizgisinin yükseltilmiş sıcaklıklarda daha izotropik az katkılanmış numunelerde yukarıya itildiğini bulmuşlardır. Alçak sıcaklıklarda, ikinci mıknatıslanma pikinde gelişmiş bulk çivilemesi olarak sonuç veren başka bir keskin geçiş gözlemişlerdir. İki çizginin de, anizotropiden bağımsız görünür, sürekli bir geçiş çizgisi oluşturan orta sıcaklıklarda, birçok kritik noktada birleştirildiğini bulmuşlardır. Zhang, Liu ve arkadaşları (1998), teknolojik uygulamalar için anahtar bir gereklilik olan, pratik çalışma sıcaklıkları ve magnetik alanlarında yüksek kritik akım yoğunluklu süperiletkenlere sahip olma yönünde çalışmalarına yön vermişlerdir. Bu kritik akım yoğunluğu, yüksek T c li süperiletkenlerin konum, anizotropi ve diğer öncelikli özellikleriyle son derece ilişkilidir. Talyum tabanlı süperiletkenler yüksek süperiletken geçişlerinden dolayı ilk aşamada çok dikkat çekmişti ve onlar da bu malzeme üzerinde çalıştılar. Onların TlBa 2 Ca 3 Cu 4 O 11+δ üzerindeki tekil kristal çalışmaları bu malzemelerin süperiletken tabakalar arasındaki güçlü bir ara tabaka bağlantısından dolayı daha yüksek kritik akım yoğunluğuna ulaşmada daha iyi bir seçenek olduğunu gösterdi. Goffman ve arkadaşları (1998), Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ nin vorteks faz diyagramını geniş bir sıcaklık ve magnetik alan aralığında çizgisel enine ac geçirgenliği çalışarak 35

46 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Selda KILIÇ araştırmışlardır. Geniş bir sıcaklık ve magnetik alan aralığında µ = µ ' + µ '' (h ac H//c ekseni) olmuştur. (H<300Oe) gibi alçak alan değerlerinde c yönündeki süperiletkenlik faz uyumu; numune kalınlığı d ile sınırlandırılan c-ekseni vorteks uyum uzunluğu l c ile karakterize edilen düzenli katı vorteks durumunu gösterdiğini belirtmişlerdir. ( T<20 o K ) gibi alçak sıcaklıklarda nokta düzensizlik yeterince şiddetli ve faz uyumlu düzenli vorteks katısını yarı durgun olarak gözlemlemişlerdir. 20<T<42 K sıcaklık aralığında uygulanan alan H ent (T) yi geçtiğinde düzenli vorteks durumu l c nin azalmasına ilişkin hiçbir işarete sahip olmayan karışık bir duruma dönüştüğünü görmüşlerdir. Yüksek bir geçit alanında çizgisel tepkinin Ohm yasasına uyarak lc<d şeklinde olduğu tespit edilmiştir. Yüksek sıcaklıklarda vorteks yapısının her yönde uyumsuz bir sıvıya dönüştüğünü gözlemlemişlerdir. Monier ve arkadaşları (1998), Bi2Sr2CaCu 2O 8 tek kristalinde K sıcaklık aralığında, dinamik mıknatıslanmanın ve gevşeme hızının sıcaklığa bağlılığını ölçmüşlerdir. Isısal ve kuantum düzenler arası geçiş sıcaklığını K arasında bulmuşlardır. Daha sonra akı akışı iletkenliğinin düşük sıcaklık değişiminden dolayı olabilecek olan, şiddetli bir lineer sıcaklık bağımlılığı gözlemişlerdir. Kukushkin, Osipov ve Ovid ko (1999), yüksek sıcaklık süperiletkenlerindeki kritik akım yoğunluğu üzerinde karmaşık bir şekilde düzenlenmiş dislokasyonlar ile eğik (tilt) sınırların etkilerini tanımlayan teorik bir model önerdi. Yüksek sıcaklık süperiletkenliğini durduran böyle sınırların gerilim alanlarını,uzun erimli olması için eğik sınırların periyodik olarak düzenli tanecik sınır dislokasyonları ile karşılaştırarak ortaya koydu. Dikkate alınan bu faktörlerle birlikte, eğik sınırları geçen kritik akım yoğunluğunun bu bağlılığını hesapladılar ve deneysel verilerle karşılaştırdılar. Baziljevich ve arkadaşları (2000), Hall sensörü zincirlerini kullanarak Bi1.6Pb0.4Sr2 CaCu 2O8 + δ bileşiğinin magnetik vorteks faz diyagramını ölçmüşlerdir. Pb katkılanmasının ikinci mıknatıslanma pikinin başlangıç alanının sıcaklık bağımlılığı ve tersinmezlik çizgisinde önemli bir artış ile magnetik faz diyagramını şiddetli bir şekilde değiştirdiğini görmüşlerdir. Anizotropiyi son 36

47 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Selda KILIÇ zamanlarda kullanılan ve anizotropi ve tersinmezlik çizgisini ilişkilendiren bir ölçeklendirme ifadesi ile belirlemişledir. Elde edilen anizotropiye dayanarak, mükemmel bir B on (T) verisini düzensizlik indüklü geçiş modeline göre üç temel düzende bulmuşlardır: T<48 K için L c <s<l 0, 48<T<66 K için s< L c < L 0 ve T>66 K için s< L 0 < L c elde etmişlerdir. Burada s, L 0 ve L c sırasıyla tabakalar arası uzaklık, kafes içinde boyuna dalgalanmaların karakteristik boyutu ve uyumlu şekilde çivilenmiş vorteks parçasının boyutu olduğunu belirtmişlerdir. Haken, Eck ve Kate (2000), yüksek sıcaklık süperiletken bantlarındaki J c yanal kritik akım yoğunluğu dağılımını yeni bir deneysel metotla belirlediler. Bu metotla, zarar vermeyecek biçimde bir J c profilini belirlemek mümkündür. Deneylerinde bir Bi-2223 bandına düşey bir magnetik alan uygulandığında kritik akımda meydana gelen güçlü baskıları kullandılar. Düşey bir magnetik alanı bir banda uygulayarak düşey alanın küçük olduğu bir bölge seçtiler ve magnetik olarak seçilen bu bölge ile daha sonra bütün bandın I c sini belirlediler. Bu alan gradiyentinin bant boyunca hareket etmesiyle birlikte J c deki uzamsal değişimleri gözlediler. Kritik akım yoğunluğunun nicel bir analizi için sistem yanıtlarıyla ölçülen I c profilinin bir ters bükümünü oluşturdular. Band kesitinin optik bir mikrografından yerel süpriletken bölgeyi elde ettiler. Sonuç olarak süperiletken bandın faklı iki tipi için J c ye bağlı bir durum belirlediler. Khaykovich ve arkadaşları (2000), Bi2Sr2Ca 2Cu2O 8 kristallerinde aynı anda transport ve mıknatıslanma ölçümlerini yapmışlardır. Hall sensör zincirleri kristaller boyunca yerel magnetik alanı ölçerken transport akımı üst yüzeye uygulanmıştır. Şaşırtıcı bir şekilde yüksek akımlarda, vortekslerin çivilenmiş olduğu magnetik tersinmezlik çizgisi altında, sonlu direnç bulmuşlardır. Direnç sıcaklık ile değişmez kalmamış ve şiddetli non- lineerlik özelliği göstermiştir. Yeni gözlemlerini, vortekslerin sadece üst tabakalarda aktığı ve kristalin kalan kısmındaki çivilenmiş vortekslerden ayrıldığı bir kesme indüklü ayrılma olarak yorumlamışlardır. Ling Hua ve Guiwen Qiao (2000), çok ince MgO parçacıklarını Bi-2223 tozuna katkılamışlardır. (PIT) tüp içinde toz yöntemi ile üretilen gümüş kaplamalı Bi-2223 şeritlerinin akı çivilemesi üzerinde MgO katkılamasının etkilerini araştırmışlardır. Kütlesinin %1 i MgO ile katkılanmış 835 ve/veya 839 o C de 37

48 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Selda KILIÇ sinterlenmiş numunelerin transport kritik akım yoğunluğunun katkısız numunelere nazaran anlamlı bir şekilde geliştiğini bulmuşlardır. Kütlesinin %1 i çok ince MgO ile katkılanmış numuneler katkısızlara göre fazla J ct -B davranışı gösterir. 77 K de kütlesinin %1 i MgO ile katkılanmış numunelerde, kendi alanı içinde 33.6 A/cm 2 lik bir J ct ve 0.1T alan içinde ( H c ekseni) ise 11.2k A/cm 2 lik bir J ct elde etmişlerdir. Yinede ( kütlenin %3) fazla katkılama ve yüksek sinterleme sıcaklıkları MgO parçacıklarının topaklanması ve artan ikinci faz büyümesinin neden olduğu taşıma özelliklerini bozulması ile doğrulamışlardır. Van der Beek (2000), en uygun şekilde katkılanmış Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ kristallerinde düzen-düzensizlik (order-disorder, Or-D) geçişinde vorteks örgüsü yakınında, kararlı zamanlı yerel indüksiyon ölçümlerinin yüksek alanda düzensiz fazın geçiş alanının yarısı kadar düşük alanlara bastırılabileceğini gösterdiğini belirtmişlerdir. Önemli bir alan aralığı üzerinde, vorteks sisteminin elektrodinamik davranışının numunedeki düzenli ve düzensiz fazların birlikte var olmaları ile yönetildiğini görmüşlerdir. Yüksek sıcaklık fazının ve ''ikinci mıknatıslanma pikinde'' Or-D geçişinin mümkün olan birinci dereceden doğasının sonuçlarını yorumlamışlardır. Zhang ve arkadaşları (2001), s zaman penceresinde vorteks dinamiğini çalışmak için gümüş kaplanmış (Bi,Pb) 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O y şeritin karmaşık ac duyarlılık ölçümlerini yapmışlardır ( χn = χ n iχ n ). Sıcaklığın bir fonksiyonu olarak şeridin temel ac duyarlılığını, ac alan genliği ve frekanslarını elde etmişlerdir. Vorteks camının/kollektif çivileme modelinin karakteristiği olan, akıma bağımlı aktivasyon enerjisini U(j) j 0.42 şeklinde türetmişlerdir. Böyle bir U(j) ilişkisi kullanarak yüksek harmonik duyarlılıkları (n=2-7) akı yayılma denklemine dayanarak elde etmişlerdir. Teorik sonuçlarını deneysel verilerle uyumlu bulmuşlardır. Moodenbaugh, Suenaga ve arkadaşları (2002) çok filamentli bileşik süperiletkenlerin (şerit) bir serisi olan (Bi,Pb) 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O y (Bi-2223)/Ag üzerinde c- ekseni yapı çalışmalarını içeren iletim sinkrotron X-ışını kırınımı ve kritik akım ölçümleri yaptılar. Bu kırınım ölçümleri şeritlerin tipik olarak aşağı yukarı %90 38

49 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Selda KILIÇ civarında Bi-2223 fazından oluştuğunu gösterdi. Bi-2223(2 0 0) faz pikinin salınan eğri çalışmaları 13-19º aralığında yarı maksimumda tam genişlikler (FWHM ler) ortaya çıkardı. Salınan eğri FWHM ler ve kritik akım yoğunlukları arasındaki zayıf bir bağıntıyla bu şeritlerin içindeki kritik alan değerlerinin Bi-2223 c-eksen yönelimiyle sınırlandırılamayacağını gösterdiler. Avraham ve arkadaşları (2002), vorteks çalkalama tekniğiyle birleştirilmiş yerel mıknatıslanma ölçümlerini kullanarak Bi2Sr2CaCu 2O 8 yüksek sıcaklık süperiletkenindeki vorteks olayının faz geçişini çalışmışlardır. Ölçümlerin, görünür kritik nokta T cp nin altındaki sıcaklıklardaki ikinci mıknatıslanma pik çizgisi boyunca birinci dereceden bir geçişin termodinamik delilini ortaya çıkardığını bulmuşlardır. Burada birinci dereceden faz geçişinin T cp de bitmediğini çünkü en azından 30 K e kadar devam ettiğini bulmuşlardır. Bu gözlem, düzenli vorteks örgü fazının karakterinin birleşmiş bir geçiş ile yüksek sıcaklıklarda ısısal olarak erimiş bir durumdan alçak sıcaklıklarda düzensizlik indüklü bir geçişe bozulduğunu söylemişlerdir. Orta sıcaklıklarda geçiş çizgileri yükselirler bunun da vorteks ortamının ters erime davranışı durumuna karşılık geldiğini söylemişlerdir. Radzyner ve arkadaşları (2002), ısısal olarak ve aynı zamanda düzensizlik ile indüklenmiş birleştirilmiş bir düzen-düzensizlik (order-disorder, Or-D) faz geçişini kabul ederek, çeşitli yüksek sıcaklık süperiletkenlerde vorteks erimesinin çeşitliliğini ve katı-katı geçiş çizgilerini ölçmüşlerdir. Geçiş çizgisinin sıcaklık bağımlılığının ve düzensiz fazın doğasının (katı, sıvı, çivilenmiş sıvı), çivileme mekanizması ve bu dalgalanmaların ilgili katkıları tarafından belirlendiğini bulmuşlardır. Çivileme mekanizmasını ve çivileme şiddetini değiştirerek Bi2Sr2CaCu 2O 8, YBa 2Cu3O7 δ Nd1.85Ce0.15CuO4 δ Bi Pb Sr CaCu O + δ, ve (La 0.937Sr 0.063) 2CuO4 bileşiklerinde, yapılan ölçümlere benzer olarak monoton ve monoton olmayan geçiş çizgileri spektrumunu elde etmişlerdir. Zavaritsky ve arkadaşları (2002), 55T ya kadar bir alan menzilinde ve Kgibi geniş bir sıcaklık aralığında BSCCO-2212 kristalinin normal ve süperiletken durumlarında boyuna magnetodirenç özelliklerini araştırmışlardır. Bu sonuçları temel alarak aşırı anizotropik olarak tabakalaşmış bakır oksitin normal ve, 39

50 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Selda KILIÇ karışık durumlarının spesifik özelliklerini çıkarmışlardır. Ayrıca normal durumda boyuna magnetodirencin yeni bir şeklini deneysel olarak oturtmuşlardır. Alan indüklü sözde boşluk çökmesini bu olayın sebebi olarak sunmuşlardır. Dirençsel üst kritik alan şeklini yüklü bozonların Bose-Einstein yoğunlaşma alanı ile çok iyi uyum içinde bulunmuşken, geleneksel BCS söylemleriyle uyumsuz olduğunu bulmuşlardır. BSCCO-2212 de yapılan daha yeni deneylerin bu bileşikte düşük sıcaklıklarda çift geçişli (re-entrant) normal durumun işaretlerini ortaya çıkardığını rapor etmişlerdir. İçsel Josephson Etkisinin yeni bir açıklamasını deneysel olarak doğrulamışlardır. Nabialek ve arkadaşları (2003), 1.95 Kve T c sıcaklık aralığında mıknatıslanma ölçümleri vasıtasıyla tabakalı Bi2Sr2CaCu 2O8 + δ da 9T ya kadar olan dış magnetik alan içinde magnetik akı sıçramasını çalışmışlardır. Akı sıçramalarını, araştırılan numunenin c-eksenine paralel dış alan içinde, K sıcaklık aralığında bulmuşlardır. Malzeme geçmişinin akı sıçraması üzerindeki etkilerini çalışmışlar ve geçerli teorik modellere göre iyi bir şekilde açıklanmış olduğunu bulmuşlardır. Magnetik alan tarama hızının şiddetli şekilde akı sıçramasını etkilediğini ve bu etkinin akı sürüklenmesi ve numunenin dış çevresinin etkisi şeklinde yorumlanabileceğini söylemişlerdir. Şiddetli akı sürüklenmesini akı sıçramasının magnetik alan ve sıcaklık ile bir ilişki içinde olduğu aralıkta bulmuşlardır. Deneysel çevre ve numune arasındaki ısı alışverişi şartlarının da akı sıçrama davranışını etkilediğini söylemişlerdir. Bu her iki etkinin de numuneyi akı dengesizliklerine karşı dengede tuttuğunu görmüşlerdir ve bu dengeleyici etkilerin magnetik alan tarama hızının azalmasıyla arttığını gözlemlemişlerdir. Mıknatıslanmanın kalkması etkilerinin de yine akı sıçraması üzerinde şiddetli etkileri olduğunu göstermişlerdir. Zhao ve arkadaşları (2003), Bi2Sr2Ca 1 xgdxcu 2O8 + δ tek kristallerinde magnetik durulma ve histeresiz ölçümleri aracılığıyla vorteks dinamiğini araştırmışlardır. Ca yerine Gd katkılaması yapılmasının, tabakalar arası Josephson çiflenmesini zayıflattığı ve anizotropiyi arttırdığı bununda vorteks dinamiğinin üç boyutta elastik vorteks sürüklenmesinden iki boyutlu plastik vorteks sürüklenmesine değişmesine yol açtığını bulmuşlardır. Ayrıca optimal katkılamaya yakın olan numunelerde gözlemlenebilen ikinci mıknatıslanma pikinin, şiddetli az katkılamalı (iki boyutlu vorteks olan) bölgede olmadığını gözlemlemişlerdir. 40

51 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Selda KILIÇ Bauernfeind, Papageorgiou ve Braun (2003), B magnetik alanın bir fonksiyonu şeklinde M magnetik momentinin ölçümlerini bir süperiletken örnek içinde magnetik alanın girme davranışı hakkında bilgi edinmek için kullandılar. Tanecikli süperiletkenlerde uygulanan bir AC alana karşı yanıt tanecikler arası perdeleme akımları tarafından yönetilir. Süperiletken durumunda zayıf ferromagnet bir RuSr 2 GdCu 2 O 8 polikristalinin magnetik özelliklerini incelemek için düşük alan AC duygunluk ölçümlerini kullandılar. C1 mt nın altındaki alanlar için sonuçları Bean kritik durum modeliyle uyumlu buldular. B >1 mt için Kim modelinin örneklerin özelliklerinin tanımlanması için daha uygun olduğunu gösterdiler. Ekicibil ve arkadaşları (2005), T c nin altındaki farklı sıcaklıklarda, yüksek sıcaklık Bi1.7Pb0.3Sr2 Ca 2 xcu3o12 (x=0.03) sisteminin magnetik özelliklerini araştırmışlardır. 2 Ca + yerine 3 Sm + katkılanmasının, 3 Sm + iyonunun zayıf paramagnetik doğasına rağmen, sistemin süperiletkenlik özelliklerini değiştirdiğini bulmuşlardır. Bileşik üzerinde yapılan dc mıknatıslanma ölçümlerinin sıcaklığın ve magnetik alanın artmasıyla süperiletken bölgelerin azaldığını ortaya çıkardığını görmüşlerdir. Sonuçları, üç değerlikli nadir toprak elementi iyonunun katkılanması ile boşluk konsantrasyonunun azaltılması ve ayrıca katkılanmış magnetik doğası temellerinde açıklamışlardır. 3 Sm + iyonlarının Gamkrelidze ve arkadaşları (2008), YBa 2 Cu 3 O 7-x yüksek sıcaklık seramik süperiletkeninin T=77 K de mıknatıslanmasının analitik ifadesini ve ölçümlerini sunmuşlardır. Mıknatıslanmanın davranışını dış alanın bir fonksiyonu olarak çalışmışlardır. Mıknatıslanma ölçümlerini balistik metot ile yürütmüşlerdir. Analitik ifadeleri Bean kritik modelinde H c1 alanını hesaba katarak elde etmişlerdir. Numunenin polikristal yapısının deneysel histeresiz tanımlarını ve granüle yapının anizotropisini de yine hesaba katmışlardır. Long (2008), bir dış magnetik alan yönünün fonksiyonu şeklinde süperiletken tellerdeki kritik akımları üzerinde anizotropik çivileme etkisi için bir model önerdi. Bu model, gözlenen fonksiyonel biçimleri belirleyerek bir vorteksle karşılaşan çivilemenin istatistiksel dağılımını vurgular. Anizotropik kusur popülasyonunu çivilemenin normal dağılımlarıyla birlikte varsayarak kritik akım için açının bir fonksiyonu J c (θ) şeklinde tam bir fonksiyon türetti. Bu model ile c-ekseni ve ab- 41

52 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Selda KILIÇ düzleminde genişletilmiş kusurların kombinasyonunun ara açılarda piklere götürebildiğini öngördü. Bu öngörülmüş biçimlerin ara açılarda piklerin ortaya çıktığı durumları içeren tabaka yapılı süperiletkenlerdeki deneylerle uyum içerisinde olduğunu gördüler. Bu sonuçlar J c (θ) nın yaygın özelliklerinin kusurların kombinasyonlarıyla tanımlanabildiğini gösterdi. 42

53 3.MATERYAL VE METOD Selda KILIÇ 3. MATERYAL VE METOD 3.1. Materyal Bu kısım iki ana başlık altında incelenebilir. Materyal olarak literatürde rastlanan ve yoğun bir şekilde araştırma konusu olan HTc süperiletken malzemelerin genel özelliklerini; metod olarak ise malzeme hazırlama teknikleri ele alınacaktır. Süperiletkenlik ilk olarak metallerde gözlenmiştir te Cohen yarıiletken tipi malzemelerinde süperiletken olabileceğini önermiştir (Cohen, 1964). Bu tahmin p- tipi yarıiletken olan GeTe da süperiletkenliğin gözlenmesiyle doğrulanmıştır (Mozelsky, 1964). NbO ve TiO malzemeleri ilk süperiletken oksitler olarak bilinmektedirler. Bu malzemelerin içerisinde oksijen girmesine rağmen metalik özellikleri devam edebilmektedir. SrTiO 3 bileşiği ilk perovskit süperiletken malzeme olarak bilinmektedir. Perovskit kristal yapısı ABO 3 formundaki bileşiklerin kübik yapıdaki şekillenimidir. A iyonları kübün köşelerindeki yerini alırken, O iyonları yüzey merkezlerinde ve bir B iyonu da merkeze yerleşmektedir. Bu yapı Şekil 3.1 de görülmektedir. Şekil 3.1 Perovskit kristal yapısı. 43

54 3.MATERYAL VE METOD Selda KILIÇ Tüm yüksek sıcaklık süperiletken malzemeler, yapılarında iki boyutlu bakır - oksit tabakalar içermektedirler. Elektriksel iletkenlik genellikle bakır-oksit tabakalarında oluşmaktadır. Yüksek sıcaklık süperiletkenliğin bu bölgelerde oluştuğu da bilinen bir gerçektir. Yüksek sıcaklık süperiletkenliği, malzeme yapısındaki kusurlara oldukça duyarlıdır. Yapı içerisindeki oksijen eksikliği, kristal yapı içerisindeki düzensizlikler, süperiletken malzemenin kritik sıcaklığını etkilemektedir. Malzemeye magnetik alan uygulandığında, kritik sıcaklık değeri azalmaktadır. Bu durum tanecikler arası zayıf bağların bulunması ile ilişkilendirilmiştir. Bu zayıf bağların var oluşu ve davranışı, süperiletken olmayan fazın varlığına, düşük sıcaklık fazlarından birinin oluşmuş olmasına ve örnek içerisindeki tanecikler arası boşlukların olmasına bağlıdır. Uygulanan alan, zayıf bağlarla bağlanmış olan tanecik sınırında numune içerisine nüfuz etmekte ve bundan dolayı tanecik sınırlarında oluşmuş olan süperiletkenlik yok olmakta ve böylece sıfır direnç geçiş sıcaklığı azalmaktadır. Bilindiği gibi süperiletkenler iki türlü kritik akım değerine sahiptir. Birincisi, tanecikler arasında oluşan kritik akım yoğunluğu J cm diğeri ise tanecikler içerisinde meydana gelen kritik akım yoğunluğu J cg dir. Genellikle tanecikler içi kritik akım yoğunluğu tanecikler arası kritik akım yoğunluğundan daha büyüktür. Malzemenin kritik akım yoğunluğu uygulanan magnetik alana da bağımlıdır. Akım yoğunluğu, tanecikler arası kritik akım yoğunluğuna yaklaşan alan tarafından oluşturulduğunda tanecikler arası süperiletkenlik bozulur. Bunun sonucu olarak geçiş sıcaklığında biraz azalma meydana gelir. Fakat uygulanan alan H c ve H 1 c2 gibi kritik iki değer arasında ise, girdap durumları oluşmaya başlar ve tanecikler arası süperiletkenlik devam eder. Eğer uygulanan alan H c2 süperiletkenlik yok olur ve bir direnç durumu gözlenir. ye kadar arttırılırsa tanecikler içerisindeki 44

55 3.MATERYAL VE METOD Selda KILIÇ Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n+4+y Sisteminin Kristal Yapısı Bi-Sr-Ca-Cu-O (BSCCO) sistemlerinde süperiletkenlik Maeda ve arkadaşları tarafından 1988 yılında keşfedilmiştir (Maeda ve Tanaka, 1987). Bu süperiletken grubun özelliklerinin başlangıç kompozisyonlarına, hazırlama yöntemlerine ve seçilmiş olan yöntemin değişken parametrelerine (sinterleme sıcaklığı ve sinterleme süresi vb.) oldukça hassas olduğu görülmüştür (Tarascon, 1988). BSCCO sistemlerinde, Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n+4+y genel formülü ile elde edilebilen üç faz mevcuttur. Genel denklemde n, bir birim hücrede bulunan Cu-O tabakalarının sayısını vermektedir. n=1 için 30 K sıcaklığa sahip Bi 2 Sr 2 CuO 6+y (2201), n=2 için yaklaşık 85 K sıcaklığa sahip Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+y (2212), n=3 için 110 K kritik sıcaklığa sahip Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+y (2223) fazları elde edilmektedir (Tarascon, 1988). Şekil 3.2. de gösterilen bu fazların birim hücreleri iki çift Bi-O tabakaları arasına yerleşmiş Sr-O, Cu-O ve Ca-O tabakalarından ibarettir. n=1 fazında Cu atomları, O atomları ile kare piramidal bir yapı göstermektedir. Piramidal yapının alt ve üst kısımlarında Sr-O tabakaları bulunmaktadır. Bir birim hücrede, dört tane Bi-O tabakası bulunmaktadır. Yalnızca Cu-O kare piramidal yapının üst kısmını düşünürsek, ilk Bi-O tabakası olan BiO 3, Sr-O 2 tabakasından 2.9 A, ikinci Bi-O tabakası olan BiO 2 ise 2.0 A uzaklıktadır. Bu uzaklıklar, benzer olarak alt Bi-O tabakaları için de geçerlidir (Şekil 3.2.a). n=1 fazının, a b=5.4 A ve c=24.4 A birim hücre boyutlarına sahip hacim merkezli tetragonal ya da a b=3.9 A ve c=24.4 A birim hücre boyutlarına sahip ortorombik simetride olduğu ileri sürülmektedir (Tarascon, 1988: Mei, 1988). n=2 fazı ise, n=1 fazından, Cu-O tabakaları arasında bir Ca-O tabakasının bulunması dışında farklı değildir. Yani, iki Sr-O 2 ve bir Cu-O tabakasından oluşan Sr-Cu-Sr düzeni bozulmakta, iki Sr-O 2 tabakası arasında ikinci bir Cu-O tabakası oluşmakta ve yine bu iki Cu-O tabakası arasına, bir Ca-O tabakası girmektedir (Şekil 3.2.b). 45

56 3.MATERYAL VE METOD Selda KILIÇ a b c Şekil 3.2. BSCCO sisteminin kristal yapıları a) n=1 fazını b) n=2 fazını c) n=3 fazını göstermektedir. Böylece, Sr-Cu-Ca-Cu-Sr düzeni oluşmaktadır. Bu fazda Cu-O tabakaları, CuO 5 piramitleri şeklindedir. Birim hücre boyutları a b=5.37 A ve c=30.8 A olarak verilmektedir (Tarascon, 1988). Kristal simetrinin, ortorombik ya da psuedo tetragonal olduğu ileri sürülmektedir. n=3 fazında ise, Bi-O ve Sr-O tabakalarının sayısı ve düzeni değişmemekte ve birer tane daha Cu-O ve Ca-O tabakalarının yapıya girmesi ile Sr-Cu-Ca-Cu-Ca- Cu-Sr düzeni oluşmaktadır (Şekil 3.2.c). Son oluşan Cu-O tabakasında bakırın 46

57 3.MATERYAL VE METOD Selda KILIÇ oksijen ile karesel bir yapıya sahip olduğu görülmektedir. Örgü parametreleri a b=5.4 A ve c=37.1 A boyutlarındadır ve kristal simetri tetragonaldir (Gupta, 1990, Zhu, 1991, Subramanian, 1988). Bu sistemlerde süperiletkenlik geçiş sıcaklığının, Cu-O tabakalarının artması ile arttığı görülmektedir. BSCCO sistemlerinin genel yapısal karakteristiklerinden birisi de bunların tek faz olarak elde edilmesinin zorluğudur. Bir başka özellikleri de sonuç stokiyometrilerinin başlangıç stokiyometrilerinden oldukça farklı olabilmeleridir. Maeda ve arkadaşları (Maeda, 1988) bakırca zengin 2223 (n=3) fazını hazırlayabilmek için 1112 çıkış stokiyometrisini, Tarascon ve arkadaşları (Tarascon, 1988) ise 4336 çıkış stokiyometrisini kullanmışlar ve genelde tek faz elde edememişlerdir. Tek bir tanecikte bile görülen bu karışık faz özelliği, BSCCO sistemlerini bozuk ve karmaşık yapılı bir hale getirmektedir. Mikro yapıda bile görülen bu bozukluk ve karışık faz özelliği, bu sistemlerin bütün özelliklerini (kritik sıcaklık, kritik akım yoğunluğu ve kritik magnetik alan gibi) etkilemektedir. Örneğin, 110 K kritik sıcaklığına sahip n=3 fazında kritik sıcaklığın başlangıcı 110 K olmasına rağmen, tanecik sınırları yakınlarında n=1 ve n=2 fazlarının oluşması nedeniyle sıfır direnç daha düşük sıcaklıklarda elde edilebilmektedir. Yapıda bizmut ile kurşunun kısmi yer değiştirmesinin direnç-sıcaklık (R-T) eğrilerinde görülen bu istenmeyen durumu ortadan kaldırarak özelliklerde iyileşme sağladığı görülmüştür (Gren, 1990). Bütün yüksek sıcaklık süperiletken sistemlerinde olduğu gibi, BSCCO sistemlerinin kristal yapısı da c örgü parametresinin a ve b örgü parametrelerine göre oldukça büyük olmasından dolayı büyük bir anizotropi göstermektedir La-Ba-Cu-O (LBCO) Bileşiklerinin Kristal Yapıları La-Ba-Cu-O ilk yüksek sıcaklık süperiletkenidir. La-tabanlı bu süperiletken sistemin genel formülü La 2-n Ba n CuO 4-y şeklinde verilmektedir. Baryumun yerine Lantanın yerleşmesi rasgeledir ancak bu yer değiştirmenin olumlu sonuçlar (daha yüksek geçiş sıcaklığı, kritik magnetik alan ve kritik akım) vermesi için yer değiştiren atomların iyonik yarıçaplarının, yük dağılımlarının ve yaptıkları kimyasal bağların biçimlerinin benzer olması gereklidir. Atomik yarıçapı lantanın atomik 47

58 3.MATERYAL VE METOD Selda KILIÇ yarıçapına yakın olan baryumun da lantan ile aynı oksijen komşuluğuna sahiptir. Latabanlı bu bileşiğin en yüksek geçiş sıcaklığı n=0,15 değerinde 35 K olarak elde edilmiştir. n nin 0,2 den büyük değerleri için yapıda süperiletkenliğin kaybolduğu gözlenmiştir. Ayrıca bu sistemde baryumun yerine stronsiyum ve kalsiyum konulduğunda bu elementlerin de baryumun gösterdiği özellikleri gösterdiği gözlenmiştir. La 2-n M n CuO 4-y (M: Ba, Sr, Ca) bileşikleri yüksek sıcaklıklarda cisim merkezli tetragonal KNiF 4 yapıda olup, düşük sıcaklıklarda ise bu bileşikler tetragonal fazdan ortorombik faza geçmektedirler Y-Ba-Cu-O (YBCO) Bileşiklerinin Kristal Yapıları Sıvı azot kullanılarak soğutulan ve sıvı azot sıcaklığının üzerinde geçiş sıcaklığı gösteren ilk süperiletken malzemedir. Bu süperiletken sistemine ait kararlı bileşiklerden en çok çalışılanı YBa 2 Cu 3 O 7-n genel formülü ile verilmektedir. Yapıdaki atom oranlarına bağlı olarak YBCO süperiletken malzemeler malzemeleri olarak da anılmaktadırlar. Bu süperiletken bileşikler oksijen stokiyometrisine çok hassastır ve buna bağlı olarak farklı fiziksel ve yapısal özellikler göstermektedir. Bu farklılıklar n nin iki farklı değerinde belirgin olarak görülmektedir. n = 0 için YBa 2 Cu 3 O 7 bileşiğinin geçiş sıcaklığı 92 K olup ortorombik yapıda düzenli zincir yapıya sahiptir, buna karşın n = 1 için YBa 2 Cu 3 O 6 bileşiğinin geçiş sıcaklığı yaklaşık olarak 60 K olmakta ve kristal yapı tetragonal olup zincir yapı göstermemektedir. Yitriyum, Eu ve Gd gibi nadir elementlerle yer değiştirebilmektedir Tl-Ba-Ca-Cu-O (TBCCO) Sistemlerinin Kristal Yapıları Süperiletken BSCCO sistemlerinin keşfinden sonra 1988 yılında Sheng ve Hermann geçiş sıcaklığı K de gözlenen Tl-Ba-Ca-Cu-O sistemini bulmuşlardır. Daha sonra Hazen ve arkadaşları bu sistemi Tl 2 Ba 2 Ca n-1 Cu n O 2n+4 şeklinde formülize ettiler ve geçiş sıcaklığını K e kadar yükselttiler. Bu sistem n = 1, 2 ve 3 olmak üzere üç farklı sınıfta incelenmiştir. 48

59 3.MATERYAL VE METOD Selda KILIÇ n = 1 için Tl 2 Ba 2 CuO fazı Tc 80 0 K tetragonal yapı n = 2 için Tl 2 Ba 2 CaCu 2 O fazı Tc K tetragonal yapı n = 3 için Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O fazı Tc K ortorombik yapı Tl-Ba-Ca-Cu-O sistemi Bi-Sr-Ca-Cu-O sistemi ile aynı kristal yapıya sahip olmasına rağmen farklı süperiletken özelliklere sahiptir. Tl-tabanlı süperiletken bileşiklerde Bi-tabanlı bileşikler gibi bir deşik süperiletkenidir, yani hall katsayısı pozitiftir. Ayrıca talyum zehirli bir element olduğu için çalışmalarda pek tercih edilmemektedir Hg-Ba-Ca-Cu-O (HBCCO) Sistemlerinin Kristal Yapıları Civa içeren ilk süperiletken malzeme 1993 yılında S. N. Putilin ve arkadaşları tarafından keşfedilmiştir. Tek bir bakır-oksit düzlemi içeren bu süperiletken sistemin geçiş sıcaklığı 94 K olarak bulunmuştur (Putilin, vd., 1993). Aynı yıl A. Schilling ve arkadaşları bu sisteme kalsiyum ilave ederek geçiş sıcaklığını 130 K olarak bulduktan sonra 1994 yılında Gao ve arkadaşları geçiş sıcaklığını 133 K e yükseltmişlerdir. Günümüzde ise yapılan basınç uygulamaları ile kritik sıcaklık 166 K e kadar yükseltilebilmiştir. Schilling ve arkadaşları yapıya ait örgü parametrelerini a = b = 2,7 Å ve c = 16,1 Å olduğunu belirleyerek yapının tetragonal olduğunu bulmuşlardır Süperiletkenlerin Teknolojideki Kullanım Alanları Süperiletkenliğin Kammerling Onnes tarafından keşfinden sonra bilim adamları teknolojideki pratik uygulamaları için araştırmalar yapmışlardır. Bilim adamlarının öncelikli amacı oda sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta süperiletken özellik gösteren süperiletkenleri keşfetmektir. Çünkü ne kadar oda sıcaklığına yakın olursa kullanımı daha ucuz ve yaygın olabilir. Ancak teknolojide uygulanması hususunda pek çok önemli malzeme bilimi problemlerinin çözülmesi gerekmektedir. En zor olanı da kırılgan olan bu malzemelere şekil vermektir. Büyük ölçekli uygulamalar için tel ve şerit şeklinde malzeme elde etmek SQUID gibi küçük cihazlarda 49

60 3.MATERYAL VE METOD Selda KILIÇ kullanılacak ince filmler üretmek, hepsi çözülmesi gereken teknik problemlerdir. Diğer önemli bir problem de seramik bileşiklerdeki düşük akım yoğunluğudur. Fakat bunlara rağmen istenilenler elde edilebilirse günlük hayatımızda önemli kolaylıklar sağlanacaktır Metod Süperiletken Malzeme Hazırlama Teknikleri Yüksek geçiş sıcaklığına sahip olan bakır-oksit tabanlı süperiletken ailelerini ( YBCO, BSCCO, TBCOO, HgBaCO) hazırlamak çok zor değildir. Ancak kimyasal malzemelerle çalışıldığı için, bu malzemeler ile yapılacak olan çalışmaların her aşamasında sağlık açısından oldukça dikkatli olunmalıdır. Bu malzemelerin göstereceği süperiletkenlik özellikler, hazırlama yöntemine, ısısal işlem süresi ve sıcaklığına, çalışılan malzemenin cinsine doğrudan bağlantılıdır. Kaliteli bir malzeme hazırlamak için, sıcaklık ve zamanın kontrol edilmesi, malzemenin ısısal işleme tabi tutulduğu ortamdaki kısmi oksijen basıncının bilinmesi, tanecik boyutları, malzeme içerisine katkı yapılan diğer elementlerin özelliklerinin iyi bilinmesi ve malzemenin konulduğu potanın cinsi oldukça önemlidir. Yüksek sıcaklık süperiletkenlerini farklı yöntemler kullanarak hazırlamak mümkündür. Mikroelektrik uygulamaları için ince film hazırlama yöntemleri kullanılırken, büyük çaplı uygulamalar içinse, başlangıç malzemelerinin karıştırılarak sinterlenmesine dayanan klasik seramik hazırlama yöntemi veya amorf fazdan kristal faz eldesine dayanan eritme yöntemi tercih edilmektedir. Malzeme hazırlama yöntemleri süperiletken malzemelerin kalitesi (yapısal kararlılık, yüksek Tc ve J c ) açısından oldukça önemlidir. Konvansiyonel seramik malzemelerin hazırlanması için geliştirilmiş olan çözelti-jel teknikleri de süperiletken malzemelerin hazırlanmasında kullanılmıştır (Yoldaş, 1977). Yine de yığın malzeme hazırlama yöntemleri, henüz ince film hazırlama kadar başarılı olamamıştır. Özellikle BCSCO ve TBCCO sistemlerinde, malzeme içerisinde diğer alternatif fazların oluşumu, çok fazlı 50

61 3.MATERYAL VE METOD Selda KILIÇ yapılaşmayı beraberinde getirmiştir. YBCO süperiletkenlerinde bu problem kısmen çözülmüş olsa bile, BCSCO süperiletkenlerinde güncelliğini korumaktadır. Seramik süperiletken hazırlamanın birkaç değişik yöntemi vardır. Bunlardan genel olarak kullanılan, katıhal tepkime yöntemi, kimyasal olarak elde etme yöntemleri, başlangıç tozlarını eriterek döküm yapma veya ani soğutma ile malzeme elde edilmesi, ince ve kalın film hazırlama yöntemleridir Katıhal Tepkime Yöntemi Katıhal tepkime yöntemi, seramik süperiletken hazırlamak için kullanılan en genel yöntemdir. Bu klasik hazırlama tekniği, malzemelerin birbirleri ile homojen olarak karışmasını ve bu karışmış numunelerin yüksek sıcaklık fırınlarında bir takım ısısal işlemlere tabi tutulmasını içermektedir. Hazırlamak istenilen malzemeyi elde edecek şekilde tartıp karıştırılan başlangıç tozları, genellikle otomatik agat havan kullanılarak öğütülür. Öğütme işleminin süresi hazırlanacak malzemenin cinsine ve miktarına göre değişiklik göstermektedir. Öğütme işleminden sonra, malzeme üzerindeki ilk ısısal işlem olan kalsinasyon aşamasına geçilir. Bu işlemin amacı, öğütme esnasında toz karışım içerisine giren atıkların, yabancı maddelerin, oksit ve karbondioksitlerin sıcaklıkla ayrışmasını sağlamaktır. Başka önemli bir olay ise, toz karışımda homojenliği sağlamaktır. Bu da zaten katıhal tepkime yönteminin temelini teşkil eder. Bunun için tozlar bir potaya konularak sıcaklığı ayarlanabilir bir fırın içerisinde belli bir sıcaklıkta belirlenen bir sürede tutulur. Daha sonra fırından çıkarılan tozlar tekrar agat havan yardımıyla öğütülür. Öğütülen tozlara uygulanacak sinterleme işlemi için, şekil vermek amacıyla presleme yapılır. Presleme için genellikle 4-6 ton arası basınç uygulanarak toz numuneler tablet haline getirilir. Son aşama ise, süperiletkenliğe geçiş sıcaklığını yükseltmek ve bazı örgü kusurlarını ortadan kaldırmak için oksijen ortamında yüksek sıcaklıkta belirli sürede hazırlanan tabletleri tavlamaktır. Bu tavlama işlemi numunenin oda sıcaklığından belirlenen sıcaklığa arttırılması ve tavlama zamanı dolduktan sonra da yavaşça oda sıcaklığına soğutulmasını içermektedir. Bu yöntemde numunenin öğütülme, 51

62 3.MATERYAL VE METOD Selda KILIÇ kalsinasyon ve sinterleme süresi hazırlanan süperiletken malzemenin cinsine göre değişmektedir Eriyik Döküm Yöntemi Yüksek sıcaklık süperiletken hazırlamak için kullanılan tekniklerden en kullanışlı olanıdır. Çünkü pota içerisinde yüksek sıcaklıkta eriyik haline gelen başlangıç numune tozları eridikten sonra, atomik ve moleküler düzeyde birbiriyle karışırlar ve karışım maksimum düzeyde homojen olur. Diğer yöntemlerde olduğu gibi stokiyometrik oranlarda tartılan başlangıç tozları karıştırılıp öğütülür. Öğütülen tozlar kalsinasyon işlemine tabi tutulur. Kalsinasyon işlemi sonunda, ayarlanabilir bir fırın içerisine platin pota içerisine konulan başlangıç tozları, oda sıcaklığından itibaren belirli bir artış oranında malzemenin eriyebileceği yüksek bir sıcaklığa ( o C ) çıkartılır ve belirli bir süre bekletilir. Bu sıcaklıkta eriyik haline gelen toz karışımları, daha önceden başka bir fırında ısıtılmış olan bakır kalıplara dökülür. Bu aşamada dikkat edilmesi gereken en önemli şeylerden biri, döküm yapılan bakır kalıbın sıcaklığının eriyik halde bulunan numunenin sıcaklığına yakın değerde olmasıdır. Çünkü aşırı sıcaklık farkı olursa, bakır kalıp bu farktan dolayı çatlayıp parçalanabilir. Döküm işleminde hazırlanan bakır kalıbın şekline göre numuneler elde edilir. En genel elde edilen numuneler silindir şeklinde elde edilen çubuk numunelerdir. Döküm işleminden sonra tavlama işlemi için malzeme hazır hale gelmiş olur. Tavlama işleminde, fırın içerisine potayla konulan çubuk numenler, oda sıcaklığından başlayarak malzemenin erime sıcaklığının hemen altındaki bir sıcaklığa kadar ısıtılır. Bu sıcaklıkta yaklaşık olarak saat arası tavlandıktan sonra süperiletken fazlar elde edilmiş olur. Bu yönteme benzeyen ancak döküm sırasında farklılık gösteren bir yöntem daha vardır. Bu yöntemde takip edilen yol yukarıda anlatılan eritme işlemine kadar aynıdır. Farklılığı ise, pota içerisindeki eriyiğin bakır kalıp yerine bir bakır plaka üzerine dökülerek başka bir kalıpla hızlı bir şekilde üzerine vurularak aniden soğutulmasıdır. Çok ince tabakalar şeklinde elde edilen malzeme, öğütme aleti kullanılarak birkaç saat öğütülüyor ve toz hale gelmesi sağlanıyor. Daha sonra 52

63 3.MATERYAL VE METOD Selda KILIÇ presleme aleti yardımıyla istenilen kalınlıkta tablet haline getiriliyor ve erime sıcaklığının hemen altındaki bir sıcaklıkta tavlanarak süperiletken malzeme elde ediliyor Çökeltme Yöntemi Bu yöntemde, hazırlanmak istenilen malzeme miktarı kadar, amonyum nitrat malzemeye karıştırılır. Bu karışım bir beher içerisine konarak yaklaşık o C arasındaki bir sıcaklıkta karıştırılarak ısıtılıp, sıvı hale gelmesi sağlanır. Renginin kontrolü sağlanarak mürekkep mavisi rengini alana kadar karıştırılır. Kısa bir süre sonra zehirli gaz çıkışları ( CO2, NO2, N2O v. b.) gözlenir. Karıştırma sırasında tozların eriyip sıvı hale geldiği gözlenir. Isıtma işlemi sıvı halden katı hale (çökelti) gelene kadar devam eder. İşlem sonucunda beher tabanında siyah renkli bir çökelti oluşur. Bu çökelti alınır ve öğütülür. Toz haline getirildikten sonra saat arasında kalsine edilir. Kalsine edildikten sonra istenilen ağırlıkta tablet olarak preslenir. Daha sonra süperiletken yapıyı elde etmek için tavlanır. 53

64 4. BULGULAR VE TARTIŞMA Selda KILIÇ 4. BULGULAR VE TARTIŞMA Süperiletkenler pek çok olağan dışı elektromagnetik özelliklere sahiptir ve uygulamalarda genellikle bu tür özelliklerinden yararlanılır. Örneğin, yeterince düşük sıcaklıkta tutulan süperiletken bir halkada oluşturulan elektrik akımı, kayda değer bir azalma göstermeden geçmeye devam eder. Süperiletken halka, doğru akıma karşı bir direnç ortaya koymaz, dolayısıyla bir ısınma ve kayıp söz konusu değildir. Sıfır direnç özelliklerine ek olarak, süperiletkenler uygulanan magnetik alanı da dışlarlar. Bu tür süperiletken içerisinde her yerde magnetik alan sıfır olmaktadır I. ve II. Tip Süperiletkenler Süperiletkenler uygulanan alana karşı göstermiş oldukları magnetik davranışlarından dolayı I. ve II. tip süperiletkenler olmak üzere iki grup altında incelenmektedir (Şekil 4.1). I.tip süperiletkenler genellikle saf, basit metallerdirler. Süperiletkenliğe geçiş sıcaklık eğrileri oldukça keskindir. Bu malzemeler kritik bir değere kadar uygulanan alanı dışlarlar. Eğer uygulanan alan değeri, kritik alan değerini aşarsa malzeme süperiletkenlik özelliklerini kaybederek normal duruma dönecek ve artık alan çizgileri malzeme içerisinden geçmeye başlayacaktır. Bu tür malzemelerin kritik geçiş sıcaklıkları oldukça düşüktür. II. tip süperiletkenlerin magnetik davranışları ise tamamen farklıdır. Bu tür malzemeler daha komplike ve genellikle geçiş elementleri ve diğer metallerden oluşmaktadır. II. tip süperiletkenlerde, I. tip süperiletkenlerden farklı olarak, ilk kritik alan değerinden daha yüksek ikinci bir kritik alan değeri daha vardır (Şekil 4.1). Malzemenin magnetik davranışı birinci kritik alan değerine kadar I. tip süperiletkenlerle benzer davranış göstermektedir. Fakat uygulanan dış alan birinci kritik alan değerini aştığında malzemenin süperiletkenlik durumu devam etmektedir. İki kritik alan değeri arasında malzeme içerisinde hem süperiletken hem de normal bölgeler karışık olarak bir arada bulunmaktadır. Bu durum girdap (vorteks) mekanizması olarak da bilinmektedir (Şekil 4.2). Eğer uygulanan alan değeri ikinci kritik alan değerini 54

65 4. BULGULAR VE TARTIŞMA Selda KILIÇ aşarsa, malzemenin süperiletkenlik özellikleri yok olacak ve normal davranış göstermeye başlayacaktır. Şekil 4.1. Süperiletkenler uygulanan alana karşı göstermiş oldukları magnetik davranışlarından dolayı I. ve II. tip süperiletkenler olmak üzere iki grup altında incelenmektedir Şekil 4.2. İki kritik alan değeri arasında malzeme içerisinde hem süperiletken hem de normal bölgeler karışık olarak bir arada bulunmaktadır. Bu durum girdap (vorteks) mekanizması olarak da bilinmektedir. 55