engelsiz İki elektronun işbirliği!

Transkript

1 süperiletkenlik

2 Süperiletkenlik Bir metali sert yaylar ile bağlanmış ve hareket edebilen pozitif iyonlardan oluşan bir kafes olarak düşünebiliriz. Kafeste hareket eden elektronlar elektrik akımı oluştururlar. Normal olarak elektronlar birbirlerini iterler ve kafes yapısı tarafından saçılırlar ve bu şekilde ortaya bir direnç çıkar. Akım normal bir iletkenden geçerken enerji kaybı olur.

3 Süper iletkenlik Süper iletkenler elektriği enerji kaybı yaşanmadan iletirler. Empüriteler ve kafes yapısı benzer olmasına karşın, süper iletkenlerde elektronlar karmaşık kafes yapısında engelsiz hareket ederler. Hareket halindeki ikinci bir e- bu pozitif bölgeye doğru çekilir. İkinci e- birincisini takip eder ve kafes içinden birbirlerine bağlı olarak geçerler: İki elektronun işbirliği! Hiçbir şeye çarpmadıkları ve hiçbir sürtünme yaratmadıkları için elektriği kayıpsız iletirler.

4 süperiletkenlik Elektrik bir kristal yapıda atomların dış kısımlarını, elektronları kullanarak hareket eder. Kristal yapıyı bir ağaç gibi düşünürsek ve bu ağacın şiddetle sarsıldığını düşünürsek, bu durumda bir insanın ağaca tırmanması güçleşir. Özellikle tırmanan kişinin acelesi varsa! Elektronlar için de durum benzerdir. Elektronlar Kristal yapının ısısı nedeniyle sürekli olarak titreşen atomlarla çarpışırlar.

5 Süperiletkenlik Elektronların hızını arttırmak için öncelikle atomların titreşimlerini durdurmak gerekir. Süper iletkenlik bazı metal, alaşım ve seramiklerde mutlak sıfır derece yakınlarındaki sıcaklıklarda elektrik akımının bir dirençle karşılaşmadan iletilmesidir.

6 süperiletkenler Bir çok saf metal 0 K yakınlarına soğutulduklarında elektrik direnci giderek düşer ve her bir metal için karakteristik bir değere yaklaşır. Bazı malzemelerde ise çok düşük bir sıcaklıkta direnç bu küçük değerden birden sıfıra kadar düşer. Bu davranışı sergileyen malzemelere süperiletken adı verilir. Bu malzemelerin süper iletkenlik vasıfları kazandıkları sıcaklığa kritik sıcaklık (T c ) denir.

7 Süperiletkenliğin keşfi Helyum sıvılaştırıcısı 1908 de Leiden de tamamlandı. Süper iletkenlik ilk kez 1911 de Hollandalı Fizikçi Kamerlingh Onnes tarafından gözlendi. Onnes, soğuk telin direncinin azalacağını düşündü. Onnes çok saf bir civa telinden akım geçirerek sıcaklığı düşürürken direnci ölçtü. 4.2K de hiç direnç yoktu. Kamerlingh Onnes (solda) and Van der Waals (sağda) Leiden helyum sıvılaştırıcısı ile

8 Elektrik direnci Süper iletkenlik Normal iletken ve süper iletkenler için 0 K civarında elektrik direncisıcaklık ilişkisi T c = 4.2 K süperiletken Sıcaklık (K) Copper (normal) malzemenin altında süper iletken olduğu kritik sıcaklık Hg bakır

9 Süper iletkenlik Süper iletkenlik esasen elektrik iletkenliği ile ilgili bir konu olmakla birlikte, malzemenin manyetik özellikleri ile de yakından ilgilidir. süper iletkenlerden çok kuvvetli alanlar üretebilen mıknatıslar imal edilir. Kritik sıcaklık genellikle 1 K dereceden düşük, metal ve alaşımları için 20 K civarındadır. Bazı karmaşık oksit seramiklerinin kritik sıcaklıklarının 100 K üstünde olduğu belirlenmiştir.

10 Süper iletkenlik Süper iletkenlik halini 3 çok önemli parametre ile tanımlarız: Kritik sıcaklık (T c ): bir malzemede süper iletkenliğin görülebileceği en yüksek sıcaklık. Bu sıcaklığın altında malzemenin direnci sıfırdır. Kritik manyetik alan (H c ): dışardan uygulanan manyetik alan bu kritik değerin üstüne çıkarsa, malzeme süper iletkenliğini kaybeder. Kritik akım yoğunluğu (J c ): süper iletkenin direnç görmeden (süperiletkenliğini kaybetmeden) taşıyabileceği, birim kesit alanı için maksimum akım.

11 Süper iletkenlik T c altındaki sıcaklıklarda, süper iletkenlik özelliği kritik manyetik alan (H c ) uygulanması ile son bulur. Kritik manyetik alan (H c ) sıcaklığa bağlıdır ve artan sıcaklıkla düşer. Ayni durum akım yoğunluğu için de geçerlidir. Bir malzemenin altında süper iletkenlik kazandığı bir kritik akım yoğunluğu değeri (J c ) vardır.

12 Süper iletkenliğin sınırları 26 metal lerce alaşım ve bileşik süper iletken! J c = kritik akım yoğunluğu J < J c süper iletken H c = kritik manyetik alan H < H c süper iletken H c = H o (1- (T/T c ) 2 ) bu sınırlar içinde kalan sıcaklık, manyetik alan ve akım yoğunluğu değerlerinde malzeme süper iletken gibi davranacaktır. Dışında ise malzeme tekrar normal bir iletkendir.

13 Bardeen, Cooper ve Schrieffer (BCS) teorisi Bardeen, Cooper, ve Schrieffer (BCS) süper iletkenliğin elektronların Cooper çiftleri denen parçacıkları oluşturacak şekilde birbirilerine bağlanması ile ortaya çıktığını ileri sürmüşlerdir (1957). elektronlar kristal yapı ile etkileşimleri sonucunda ayni yüke sahip olmalarına rağmen birbirlerine doğru çekilirler. kritik sıcaklığa soğutulduğunda metaldeki elektronlar Cooper çiftleri oluştururlar.

14 BCS çekim mekanizması Elektronların kristal kafes yapısını hafifçe deforme etmesinden ileri gelir. Elektronlar arasındaki bu çekim fonon değişimi olarak tarif edilir. çöken matris üstündeki 2 kişiyi birbirlerine yakınlaştırır.

15 Süperiletkenler Cooper çiftleri fonon değişimine uğrayan elektronlardır ve birbirlerine bağlıdır. Birbirine bağlı elektronlar bozon gibi davranırlar. Dalga fonksiyonları Pauli Exclusion prensibine uymaz ve ayni quantum seviyesinde bulunabilirler. bağlı fononlar daha az enerjiye sahiptirler. Böylece latis çarpmaları engellenmiş ve direnç düşürülmüş olur. Kafes yapısındaki atomlar pozitif ve negatif bölgeler olarak titreştiklerinde elektron çifti çarpışma olmadan birbirlerine yakınlaşıp uzaklaşırlar.

16 Cooper çiftleri Bu elektron çiftlerinin hareketleri ısıl titreşimlerden ve yabancı-empürite atomları tarafından saçılmaya uğratılamayacak kadar koordineli ve verimli bir şekilde gerçekleşir. Dolayısı ile, elektron saçılması ile orantılı olan direnç sıfır değerine düşer. kt (kafesin ısıl enerjisi) < bağ enerjisi oldukça akım hiçbir kayıp yaşamadan metalden geçer.

17 süperiletkenlik Süperiletkenlik geçiş sıcaklığı altında çiftlenmiş elektronlar makroskopik olarak tek bir kuantum seviyesi oluşturan bir takımdır ve dirençle karşılaşmadan hareket ederler. Pozitif yüklü kafes iyonları elektron elektron Fonon etkileşimi ile enerji değişimi Cooper çifti cooper çiftinin kafes içindeki hareketi

18 Süper iletkenlik türleri Süper iletkenler bir dış manyetik alanla etkileşimlerine göre 2 türe ayrılırlar: Tip I kritik sıcaklığın (T c ) altında mükemmel diamanyetik karakter sergiler. Tek bir kritik manyetik alana (H c ) sahiptir. Tip II alt kritik alan (H c1 ) altında manyetik akıyı iter ve dışarda tutar. H c1 ve üst kritik alan (H c2 ) arasında ise bunu kısmen yapar.

19 Manyetik alan Manyetik alan Süper iletkenlik türleri Tip I H c2 Tip II H c normal normal H c1 Süperiletken + normal süperiletken süperiletken sıcaklık T c sıcaklık T c

20 Tip I vs Tip II süperiletkenlik Mıknatıslanma vs manyetik alan kuvveti Bir dış manyetik alan uygulandığında Tip I süper iletkenlerde keskin bir düşme görülür. Süper iletken Süper+ normal normal

21 Tip I süperiletkenlik Tip I malzemeler, süper iletkenlik durumunda tamamen Diamanyetiktir. uygulanan bir manyetik alanın tamamı malzeme dışında kalır (Meissner etkisi). Alan büyüklüğü H arttırıldıkça kritik alan değerine, (H c ) ulaşılıncaya kadar malzeme diamanyetik kalır. Bu noktada süper iletkenlik sona erer; iletkenlik normal hale döner ve tam bir manyetik akı geçirgenliği sağlanır. Örnek: Alüminyum, kalay, kurşun, civa.

22 Tip I Süperiletkenlik Tip I akım sadece dış yüzeyde dolayısı ile akım miktarı sınırlı M H C H

23 Meissner Etkisi T<T c süper iletken durumda iken bir malzeme manyetik alanı kendi bünyesi dışında tutar. süperiletken T>T c normal Süper iletkenler manyetik alanları iterler. Bu sayede süper iletkenler mıknatısların üstünde havada askıda dururlar. Bu malzeme normal iletken haline dönünce, manyetik alan malzeme bünyesine nüfuz eder.

24 Meissner etkisi Soğutulmuş bir süper iletken üstünde bir mıknatısın havada askıda durması Meissner Etkisi olarak bilinir. Bir süper iletken manyetik alanda iken kritik sıcaklığın altına soğutulursa, manyetik alan süper iletkeni çevreler fakat ona nüfuz edemez. Mıknatıs süper iletkende iki malzemenin birbirlerini itmesine yol açan tersine bir manyetik kuvvet yaratan bir akım oluşturur.

25 Meissner etkisi bütün manyetik alanları itecek şekilde diamanyetik! Süper iletkenliğin klasik işareti! kuvvetli bir nadir element mıknatısını havada askıda tutmak için kullanılabilir. Kritik sıcaklığın altına soğutulmuş bir süper iletkenin bir mıknatısı itmesi ve havada askıda tutması

26 Tip II Süperiletkenlik Tip II süper iletkenler düşük alan uygulamalarında tamamen diamanyetiktir. Manyetik alanın malzeme dışında tutulması tamdır. Ancak süper iletken durumdan normal iletkenliğe geçiş yavaş ve kademeli olur. Bu geçiş tek bir noktada değil, alt ve üst kritik alanlar (H c1 ve H c2 ) arasında gerçekleşir. Manyetik akı malzeme bünyesine H c1 de geçmeye başlar ve manyetik alan arttıkça nüfuziyet artar; nihayet H c2 değerinde tamamlanır.

27 Tip II süperiletkenlik H C1 ve H C2 arasındaki alanlarda malzeme çift karakterli bir durumdadır; hem süper hem de normal iletken alanları mevcuttur. Bir çok pratik uygulama için Tip II süper iletkenleri, daha yüksek kritik sıcaklık ve kritik manyetik alan değerleri nedeniyle Tip I süper iletkenlerine tercih edilir. Günümüzde en yaygın olarak kullanılan 3 süper iletken Nb-Zr ve Nb-Ti alaşımları ve Nb 3 Sn metaller arası bileşiğidir.

28 Tip II süperiletkenlik Tip II süperiletkenleri Tip I den farklı olarak 2 kritik alan sahibidirler. İlk kritik alana ulaşıldıktan sonra, manyetik akı malzemeye kısmen nüfuz eder ve normal ve süper iletkenlikten oluşan karışık bir duruma geçer. 2. kritik alan geçildikten sonra süper iletkenlik birden bire sona erer. Tip I süper iletkenler genellikle daha yüksek kritik sıcaklığa sahiptirler. örnekler YBCO, vanadyum, ve BSCCO

29 - M Tip II süperiletkenlik Tip II akım telin içinde akıyor. dış manyetik alan uygulandığında Tip II süper iletkenlerde alan kademeli olarak azalır. Süper iletken Süper+ normal normal H c Tam diamanyetizm H c1 H H c2

30 Süperiletken elementler

31 Süper iletken malzemeler Elementler dışındaki tüm süper iletkenler Tip II dir. Tip II süper iletkenler Tip I süper iletkenlerden daha büyük bir kritik sıcaklığa (T c ) sahiptir. Ti, Cu ve Pb gibi bir çok metalde kritik sıcaklıkta direnç birden sıfıra düşer. Metal ve alaşımlarda kritik sıcaklık 20 K ve altındadır ve ulaşılması güçtür. Yitriyum Baryum Bakır Oksit (YBCO) kritik sıcaklığı 92 K iken diğer seramiklerin kritik sıcaklığı daha da yüksektir. Oldukça ucuz bir soğutucu olan sıvı azottan yararlanılarak erişilebilir.

32 Süper iletken malzemeler

33 sıcaklıklar C K Su kaynama Vücut sıcaklığı Oda sıcaklığı Su donma Civa donma Kuru buz Sıvı oksijen Sıvı azot Sıvı helyum Mutlak sıfır

34 Saf metaller Bazı metaller ancak aşırı düşük sıcaklıklarda süper iletken hale geçebilirler. Bunlardan bazıları civa, kurşun, kalay, alüminyum, niobyum, kadmiyum, galyum, çinko ve zirkonyumdur. Pratik uygulamalar için kritik sıcaklıkları çok düşüktür. Örnek; Al un kritik sıcaklığı 1.20 K. ulaşılması çok güç. Alüminyum çok düşük sıcaklıklarda süper iletkendir. Pb da çok düşük sıcaklıklarda süper iletkendir.

35 Metal alaşımları Nb-Ti, ve Nb-Zr gibi metal alaşımları genellikle Tip II süper iletkenidirler. Metal Alaşımları saf metallerden daha yüksek kritik sıcaklıklara ve manyetik akılara sahiptirler. Pratik uygulamalar için Saf metallerden daha faydalıdırlar. Nb-Ti alaşımının kafes yapısı.

36 Yüksek T c seramik süperiletkenleri Yitriyum Baryum Bakır Oksit sıvı azotun kaynama noktası (T c =90 K) üzerinde T c değerine sahip ilk süper iletkendir. Talyum Baryum Kalsiyum Bakır Oksit süperiletkenler arasında en yüksek Tc değerine sahiptir (T c =125 K) Bakır oksitlerin kristal yapı özellikleri sayesinde iyi süperiletken oldukları söylenebilir. Süperiletkenliğin ortaya çıkması için antiferro- mıknatıslanmanın giderilmesi gerekir. Fe Cu

37 Diğer Cu-oksit süperiletkenleri

38 Süper iletken malzemeler Elektriksel olarak yalıtkan olan bazı seramik malzemeler, yüksek kritik sıcaklıklarla süper iletken davranış gösterir. Araştırmalar 92 K kritik sıcaklığa sahip YBa 2 Cu 3 O 7 üzerinde yoğunlaşmıştır. Bu malzeme karmaşık perovskit kristal yapısına sahiptir. Daha da yüksek kritik sıcaklıklara sahip yeni süper iletken seramik malzemeler bulunmuştur. Bu malzemelerin kritik sıcaklıkları sıvı hidrojen ve sıvı helyuma göre çok daha ekonomik olan sıvı azotun kullanılmasına izin veren 77 K üstünde olduğundan teknolojik yönden umut vericidir. Ancak bu yeni süper iletken seramiklerin kırılganlığı faydalı biçim ve formlarda üretilmelerinde sıkıntı yaratmaktadır.

39 Süper iletkenlikte gelişmeler T c > 30 K için yeni sonuçlar raporlandı Y Ba 2 Cu 3 O 7-x Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O x T c = 90 K T c = 122 K YBa 2 Cu 3 O 7-x 1987 de Paul Chu tarafından keşfedildi T c : 90-95K B c2 : 100 Tesla J c : 1.0x10 9 A/m 2 3 metalik elementin oranları nedeniyle süper iletkeni denir.

40 Süper iletken malzemeler CuO 2 düzlemleri X X Ba X X Y X X Ba X Cu X O Cu lineer zincirler (001) düzlemleri YBa 2 Cu 3 O 7 Atom boşlukları (X) CuO 2 düzlemleri arasında elektron birleşmeleri sağlar.

41 yüksek-t c süper iletkenliği 60 yıl süren araştırmalardan sonra 1970 lerde 23 K e kadar süper iletken kalabilen 164 K metalik bileşikler Paul Chu keşfedildi ya kadar Alex Müller and Georg Bednorz kritik sıcaklık 39 K e kadar yükseldi. Günümüzde kritik sıcaklık 164 K dir.

42 Süper iletkenlerin uygulamaları Parçacık hızlandırıcıları Güç iletimi Enerji transferi Elektrik motorları bilgisayarlar Tıp Manyetik kalkan cihazları İnfrared sensörleri Analog sinyal proses cihazları Mikrodalga cihazları Jeneratörlerde süper iletken mıknatıslar Enerji depolama cihazları Sürtünmesiz ulaşım Manyetik ayırıcılar

43 Elektro mıknatıslar Bir telden geçen elektrik akımı tel çevresinde bir manyetik alan yaratır. Manyetik alanın kuvveti telden geçen akım arttıkça artar. Süper iletkenler enerji kaybı olmadan büyük akımlar taşıyabildiğinden kuvvetli elektro mıknatıs yapmak için ideal malzemelerdir. Bu sayede çok küçük ve çok güçlü elektro mıknatıs yapmak mümkündür.

44 elektro mıknatıslar Süperiletkenler kayıp yaşanmadan çok büyük akımlar taşıyabildiğinden kuvvetli mıknatıslar yapmak için ideal malzemelerdir. Bir süper iletken kritik sıcaklığın altına soğutulduğunda ve etrafındaki manyetik alan arttırıldığında, manyetik alan süper iletken etrafında kalır.

45 elektro mıknatıslar tipik Nb 3 Sn SC mıknatısı 146 A akım ile 10.8 T kuvvetinde bir manyetik alan oluşturur.

46 Güç jeneratörleri Süper iletkenlerle sarılan jeneratörler çok daha küçük ekipman ile ayni miktarda elektrik üretirler. Elektrik üretildiğinde süper iletken teller tarafından iletilebilirler. Enerji, süper iletken bobinlerde ciddi miktarda kayıp olmaksızın uzun sürelerle depolanabilir.

47 Tıp uygulamaları yüksek alan üretebilen süper iletken mıknatıslar bugün tıpta manyetik rezonans görüntüleme donanımlarında kullanılmaktadır. Vücut dokularında ve organlardaki anomaliler kesit alan görüntülerinin elde edilmesi ile teşhis edilebilmektedir. Manyetik rezonans spektroskopi (MRS) ile vücut dokularının kimyasal analizi de mümkündür. Süper iletken quantum engelleme cihazları (superconducting quantum interference device: SQUIDS) manyetik alan, elektrik akım ve voltajlarda son derece küçük değişimleri ölçebilen cihazlar.

48 Manyetik görüntüleme Manyetik rezonans Görüntüleme Nukleer manyetik Rezonans Spektroskopi MRI tarayıcılarında süperiletkenler kullanır.

49 Manyetik görüntüleme Nöro-manyetik sinyallerin SQUID tekniği ile ölçülmesi İnsan beyninin nükleer manyetik rezonans (NMR) tekniği ile süperiletken bir mıknatıs tarafından oluşturulan manyetik alanda görüntülenmesi

50 SQUIDs Yerkürenin manyetik alanının milyonda biri kadar olan alanları yakalar: kalp kaslarındaki akımlar bile ölçülebilir.

51 Süper iletkenlik uygulamaları Elektrik güç dağıtımının süper iletkenlerle yapılması-güç kayıpları çok az olur ve donanımlar böylece düşük voltaj seviyelerinde çalışır. Yüksek enerjili partikül hızlandırıcıları için mıknatıslar Bilgisayarlar için daha yüksek hız sinyal gönderme kabiliyeti

52 enerji nakli Süperiletken kablo bakır tellere göre daha fazla enerji taşır. Süperiletken kablo. Sıvı azot soğutucu kablonun bir kısmını oluşturur ve süperiletken telin kritik sıcaklık altında kalmasını sağlar. Bu kablolar standart kablolara göre yer ihtiyacını kat ve kat azaltır.

53 enerji nakli Enerji nakil hatlarında %15 seviyelerinde kayıp! Süperiletkenlerle taşıma kapasitesinde 100 kat artış imkanı 1000 MW enerji 40 cm çapında süperiletkenle taşındı! Yüksek akım için düşük gerilim gereksinimi Daha az yer gereksinimi Çok daha süratli bilgisayar sinyal iletimi hesaplama hızlarında ciddi artış

54 enerji nakil hatları

55 Yüksek hız trenleri manyetik levitasyonla çalışan trenler raylarla sürtünme sıfırlanıyor. Böylece hız/konfor artıyor. Yamanashi MLX01 MagLev treni

56 Yüksek hız trenleri

57 Telekomünikasyon Süperiletkenker baz istasyonlarında verimli filtre malzemesi olarak kullanılıyor (bugün dünyada 700 istasyonda)! Telefon sinyallerini birbirinden ayırıyor. Elektriksel direnç yüzünden geleneksel filtre malzemeleri sinyallin bir kısmını kaybediyor.

58 Süper iletken ekipmanların ekonomik etkisi faydalar Daha yüksek yoğunluklu nakil kapasitesi ve daha yüksek ekonomik üretkenlik Azaltılmış çevre etkisi endüstriyel daha ekonomik endüstriyel prosesler: İmalat ve enerji üretimi Elektrik enerji depolama, nakil ve genişleme ulaşım Daha ekonomik elektrik nakli Yüksek hız ve MAGLEV tren teknolojileri Elektrikli otomobil ve otobüs gemi

59 özet Süper iletkenlik mutlak sıfır derece yakınlarında malzemelerin elektrik direnci kaybolur. Bu koşullarda iletkenlik süper olarak adlandırılır. süper iletkenlik, sıcaklık, manyetik alan ve akım yoğunluğu kritik değerlerin üstüne çıkarsa kaybolur. Tip I süper iletkenler için, manyetik alan itme kapasitesi kritik bir sıcaklığın altında eksiksizdir. Alan nüfuziyeti kritik alan, H c, aşıldığında tamamlanır. Tip II malzemelerde bu nüfuziyet artan manyetik alan ile kademeli olarak artar. yüksek kritik sıcaklıklara sahip yeni seramik malzemeler geliştirilmektedir. Bu malzemeleri sıvı azotla kullanmak mümkün olduğu için uygulama alanları da artacaktır.