Karadeniz Teknik Üniversitesi

Transkript

1 Karadeniz Teknik Üniversitesi

2 Süperiletkenlik GeliĢim Süreci Mıknatıs Süperiletken Prof.Dr.Ekrem Yanmaz Karadeniz Teknik Üniversitesi Fizik Bölümü SAVUNMA SANAYİİNDE BORUN KULLANIMI ÇALIŞTAYI Savunma Sanayii Müsteşarlığı, Balgat, Ankara,14 Haziran 2011

3 Sıcaklık (K) Sıcak Gün 27 C 300 K Sıvı N 2 77 K Sıvı He 4.2 K 200 K Direnç (R) 100 K 0 K T c = 4.2 K Kamerlingh Onnes: Süperiletkenlik 1911

4 Element r(77k) Tc(K) m.m Al Tl Sn Pb Sb Bi Bileşik Tc(K) Nb3Sn 18 Nb3Ge 23 V3Si 17 La1.8Sr0.2CuO4 35 Y0.6Ba0.4CuO4 90 Tl2Ba2Ca2Cu2O Bi1 xkxbio3 y 27 MgB2 40 Yenileri! Nb Süperiletken durumunda az da olsa kalıntı bir direnç varmıdır?, kuşkusu üzerine uzun süre araştırmalar yapılmıştır: Sonuç: d.a. İçin R=0, ve S/İ farklı özelliklere haiz yeni bir FAZ! -Yeni bir faz durumu, iletkenliği yüksek olanlarda gözlenir beklentisi doğru değil! Oda sıcaklığında en iyi iletken Ag, Cu, Au ancak S/İ değil! -Çizelgede aynı gruptaki direnci yüksek olanlar daha için yüksek Tc!

5 Daimi Akımlar N S Akımlar kutuplar altında akar Süperiletken Plaka N S -ve magnet i iter sanki altta bir görüntü magnet varmıģ gibi: N den N ye ve S den S e itme kuvveti!

6 Yüksek Sıcaklık Süperiletkenler de Kaldırma Kuvveti Bir Kg kadar balık kavanozundan 202 Kg a kadar Sumo GüreĢcisi!!

7 Tipik Uygulamalar Süperakımlar bir halka etrafında da akar, B Süperiletken Magnet! Bir defa akım halkası tamamlanınca, sarım kritik sıcaklığın altında uzun süre enerji harcamaksızın manyetik alan üretir! Faraday Kafesi?, Tüp içinde manyetik akı Sıfır! Dışıradan manyetik etkileşimi keser! Bu zamanla azalmayan bir manyetik alan B üretir.

8 Meissner (ve Ochsenfeld) Etkisi Yıl s. Superiletkenler manyetik alanı dıģlarlar. T > T c T < T c - Manyetik alan, kayıpsız sürekli akan akımlar yüzünden dıģlanır. Kusursuz diamanyetik özellik, sıfır direnç durumundan daha önemlidir.

9 Kusursuz Ġletken (a)-sıfır Alanda Soğutma (b) Manyetik Alanda Soğutma Süperiletken (c)-sıfır Alanda Soğutma (d) Manyetik Alanda Soğutma Farkı fark etmek gerekir!, üstüniletken değil:süperiletken!!

10 S/İ durumda manyetik akı sıfır olduğuna göre, Meissner durumu kusursuz diamanyetizma olarak adlandırılır. H M 0 M H ve χ 1 B μ0 Mükemmel iletken (R=0) ile süperiletken arasında önemli bir fark vardır. Maxwell denklemi gereği (Faraday Yasasından xe ) bir iletken t normal durumdan R=0 mükemmel iletken duruma geçince eğer içinde manyetik alan varsa tuzaklanır, oysa süperiletkende iletken süperiletken (R=0) faza geçtiğinde elektrik alan sıfır olacağından içindeki manyetik alanı dışarı atacaktır. Süperiletken belli bir manyetik alanda Hc-Termodinamik Kritik Alanda süperiletken durumdan normal duruma geçer ve süperiletkenlik özelliğini kaybeder. B(T) B Eğim=1, N Kalay için B-H grafiği, tip I S/İ 0 S/İ mh(t)

11 Elektromanyetik Teori Açısından Yaklaşım! 1) Manyetik Akı dışarlanması S/İ içinde B=0 olacak şekilde yüzeyde akım indüklenmesini gerektirir. 2) %100 akı dışarlaması teorik açıdan mümkün ancak yüzeyde sonsuz büyüklükte akım indüklemesi anlamına gelir, buda fiziksel olarak mümkün değil! Ancak, indüklenen akımın belli bir derinlikte yüzeyde akması beklenmelidir. 3) Kütlesi m ve yükü q, birim hacimdeki yük taşıyıcı yoğunluğu n ise, akı değişiminden dolayı yüzeyde bir emk ve Elektrik Alan oluşacaktır! Oluşan bu elektrik alan yük taşıyıcıları(elektronları) ivmelendirir. Klasik fizik (EMT) açısından bu şekilde ele alınırsa, yüzeyde manyetik akının zamana göre değişimi için bir ifade bulalım.

12 1- Süperiletkenlik açısından önemli gelişme Maxwell-Reynold ve ark. tarafından 1950 yılında İzotop etkisinin Hg için bulunmasıdır! Kritik sıcaklık iyonik kütlenin karekökü ile ters orantılıdır! O halde süperiletkenlik örgü titreşimleri ile ilgili! T C 1 M M Sadece Bor izotopu!!! 1 T C

13 BCS Teorisinin (öncesi ve sonrası) oluşuma katkı veren deneylerden örnekler.

14 John Bardeen, Leon Cooper ve Bob Schrieffer B. C. S Nobel Ödülü yılında geleneksel süperiletkenliği açıklayan mikroskopik teorilerinden dolayı: YaklaĢık olarak, süperiletkenliğin keģfinden 50 yıl sonra! Not: Bardeen 1956 da Nobel ödülü almıģtı(transistör etkisi)-ġlk defa aynı alanda iki defa Nobel ödülü alan KiĢi!

15 Cooper Çiftleri Bir çiftteki her bir elektron kendine özgü davranır (Pauli DıĢarlama Ġlkesine göre öyle olmalı.) fakat bütün çiftlerin KÜTLE MERKEZLERĠ tam olarak aynı Ģeyi yapar BOSE-EINSTEIN YOĞUġMASI. (Ya hepsi durgun,ya da hepsi kararlı bir akım taģır.) Hangi kuvvet elektronları bir arada tutar? ve elektronların çiftler halinde hareket ettiklerini nasıl ispatlarız?

16 The BCS çekici(cazip) mekanizma Bu çiftlenme, elektronların kristal örgüdeki iyonları hafifce yerlerinden oynatmasından kaynaklanır. - Bazı Malzeme bilimciler süperiletkenliği sarkık yatak etkisi olarak anlayabilirler! Randy Simon, Andy Smith, Superconductors

17 Georg Bednorz ve Alex Müller 1987 Nobel Ödülü, Bakır-Oksit Süperiletkenlerin Ġlkinin KeĢfi Ġlk Duyuru

18 Özdirenç ( cm) 10 K 35 K Possible High Tc superconductivity in the Ba La Cu O system Numuneleri önce soğudukça daha dirençli hale geldi! 35 K de, numune direnci, bakır ınkinden 5000 defa büyükken, aniden düģmeye baģladı!! Acaba 10 K civarında direnç gerçekten sıfıra düģmüģ müydü! Sıcaklık ( K )

19 Süperiletkenlik ve Manyetik Malzemeler AraĢtırma Grubu 93 K! 77 K sıvı azot

20

21 Hala bu düzlem sayısı neden önemlidir? Emin değiliz! Bu malzemelerde ulaģılabilecek en yüksek T c elde edildi mi? Yüksek Sıcaklık Süperiletkenlerin kristal yapılarında bakır-oksit (CuO 2 ) düzlemleri vardır! Oda-sıcaklığında süperiletkenlik keģfedilmeyi mi bekliyor??

22 Manyetik Alanda Süperiletkenler (a) (b) (c) (d) I. tip (a) ve II. tip (b) süperiletkenlerin mıknatıslanma eğrileri ve I. tip (c) ve II. tip (d) süperiletkenlerin faz diyagramları.

23 YBCO da manyetik akı kuantumu F o ölçümü (Birmingham Grubu) kalibrasyon bobini blutak! YBCO halka Akı dedektörü

24 Rüya - Yarınların Süperiletkenlik Dünyası Enerji Tasarrufu: güç hatları elektrik motorları transformatörler Medikal Diagnostik: Manyetik Rezonans Görüntüleme SQUID: Beyin aktivitesi Kalp fonksiyonu Hesaplama: 1000 defa hızlı süperbilgisayarlar Bilgi Teknolojisi: çok hızlı, daha geniģ band haberleģmeler Manyetik olarak atılan uzay aracı KargotaĢıyan denizaltları, (US Navy) 600 km/h hızlı trenler Ankara-Ġstanbul 40 dakika!

25 SQUID Nöromanyetik sinyallerin ölçümü Süperiletken güç kablosu (Danimarka da kurulu) Rüya nın bir kısmı gerçek /indust/project1.html Japon Maglev Tren Projesi- Ray ve gövde içine montajlı magnet süperiletkenden -Temas yok! Beynin (nükleer) manyetik rezonans görüntüleme resmi- manyetik alan süperiletken magnet tarafından sağlanmakta!

26 !!MgB 2 STRATEJĠK BĠR MALZEMEDĠR!! MgB 2 40 K altında süperiletken hale gelir. Süperiletkenlikten sorumlu olan element Bor dur. Dünya toplam Bor rezervinin %72 i Türkiye dedir. Saf Bor un Türkiye ye satıģı yasaktır, yani stratejik bir maddedir! Ancak, MgB 2 yi bileģik olarak satın almak mümkündür. Ayrıca, Türkiye de öz kaynaklarla üretilebilmelidir! Bor un baģka bileģikleri de vardır. Saf Bor, bazı teknolojik uygulamalarda anahtar konumundadır. MgB 2 den yapılmıģ bir kablo ile, bir çay bardağı büyüklüğü hacimde ve 4.2 K de 1 tesla lık manyetik alan üretmek mümkündür(abd de 1 ay önce yapıldı!).alt köģedeki resim! Türkiye nin kablo üretim teknolojisi PIT veya CTFF yöntemiyle uyarlanarak, MgB 2 den süperiletken kablo yapılması potansiyeli vardır. MgB 2 nin, son geliģmeler dahilinde, bugün teknolojide kullanılan süperiletkerin yerine geçme olasılığı yükselmiģtir! Savunma sanayimizin amaçlarına uygun olarak süperiletken bobin yapılması ihtiyacı varsa, bu alandaki bilgi birikimimizi (son üç yılda MgB 2 ile ilgili 11 adet SCI yayınımız vardır) sanayicilerimize, askeri yetkililerimize ve Savunma Bakanlığımıza sunmak isteriz. ABD Savunma Sanayisindeki MgB 2 Bazlı Bazı Projeler: Cu/Cu Tek filamanlı yalıtılmıģ solenoid, 1 T, 4.2 K Air Force SBIR Phase II - MgB 2 for MHD Coils Navy STTR Phase II- MgB 2 for Inductors, Reactors and Transformer Coils NASA SBIR Phase II MgB 2 for Motor Rotor Coils NASA SBIR Phase I MgB 2 for ADR Coils Air Force SBIR Phase I MgB 2 for Gyrotron Coils

27 FĠZĠK MOTĠVASYONU: Yüksek Kritik Sıcaklık, T c ~ 40 K Yüksek Kritik Akım Yoğunluğu (J c ) Üst Kritik Manyetik Alan (H c2 ) Yüksek Uyum Uzunluğu ( ) Düşük Maliyetli!! Taneler-arası Bağlar Güçlü?

28 MgB 2 süperiletkenin Kristal Yapısı

29 MgB 2 Teli PIT Tekniği Tek Filamanlı CTFF Tekniği 18 Filamanlı 7 Filamanlı 36 Filamanlı

30 Cu/Cu Tek filamanlı yalıtılmış solenoid, 1 T, 4.2 K

31 Karadeniz Teknik Üniversitesi Fizik Bölümü SUPERCONDUCTIVITY High Temperature Superconductors Fabricaiton and Characterisation of YBCO and BSCCO Superconductors : Ceramic processing Melt Processing Quench Melt Growth (QMG) Flame Quench Melt Groth (FQMG) Top-Seeding Direct Current Zoning and Direct Current Annealing of BSCCO (2234) Rods MgB2 Superconductors Nano sized powder production by mechanical alloying Wire production by Powder In Tube Method FeSe(Te) Superconductors Single crystal production

32 Karadeniz Teknik Üniversitesi Fizik Bölümü Nd-Fe-B MIKNATISLAR Üretimi ve Karakterizasyonu

33 Current Projects Superconductivity Karadeniz Teknik Üniversitesi Fizik Bölümü 1-Numerical Calculation of Trapped Magnetic Field for Single and Multiple Bulk Superconductors and Fabrication of Bulk Superconductor 2-Investigation of the Pinning and Levitation Force Properties Depending on Changing Yb211 Doping Ratio of Produced with Melting Method (MPMG) Bulk Superconductor (Sm123)1-x(Yb211)x Composition 3-Production of Superconducting Thick Films by Sol-Gel Method 4- Production of Superconducting Thin Films of MgB2 by E-Beam and magnetrosputtering on different substrates 5-National Superconductivity Research Center Laboratory (USAML)-Ankara University

34 SEPTEMBER Chişinău, R. Moldova 5 th INTERNATIONAL CONFERENCE ON MATERIALS SCIENCE AND CONDENSED MATTER PHYSICS Superconducting Magnesium Diboride Films With Artificial Nanopinning Centres for Technical Applications Research Student (PhD) Supervisor Co-Supervisor :Ezgi Taylan Koparan :Prof.Dr. Ekrem Yanmaz :Prof.Dr. Anatoli Sidorenko (Moldova) Department of Physics Karadeniz Technical University- Turkey Institute of Electronic Engineering and Nanotechnologies-Moldova

35 SEPTEMBER Chişinău, R. Moldova 5 th INTERNATIONAL CONFERENCE ON MATERIALS SCIENCE AND CONDENSED MATTER PHYSICS The Effects of SiC Substitution on bulk MgB 2 Superconductors Research Student MSc) Supervisor : Tugba Dilek : Prof.Dr. Ekrem Yanmaz Department of Physics Karadeniz Technical University Turkey

36 SEPTEMBER Chişinău, R. Moldova 5 th INTERNATIONAL CONFERENCE ON MATERIALS SCIENCE AND CONDENSED MATTER PHYSICS Production of Nano-Structured NdFeB Magnets Research Student (PhD) Supervisor : Mehmet Basoglu : Prof.Dr. Ekrem Yanmaz Department of Physics Karadeniz Technical University Turkey

37 SEPTEMBER Chişinău, R. Moldova 5 th INTERNATIONAL CONFERENCE ON MATERIALS SCIENCE AND CONDENSED MATTER PHYSICS Shape Memory Alloys Research Student(PhD) Supervisor : Ozge Erdem : Prof.Dr. Ekrem Yanmaz 1-Production of Ni-Ti alloys in wire and ribben shapes. 2- Surface coating of NdFeB alloys by NiTi alloys for Orthodontics applications Department of Physics Karadeniz Technical University Turkey

38 SEPTEMBER Chişinău, R. Moldova 5 th INTERNATIONAL CONFERENCE ON MATERIALS SCIENCE AND CONDENSED MATTER PHYSICS Te Substitution on FeSe superconducktors and single crystal production Researc Student(MSc) Supervisor Colaboration with : Yasin Hacisalihoğlu : Prof.Dr. Ekrem Yanmaz : Prof.Dr. S.Wurmehl (IFW-Dresden)

39 Karadeniz Teknik Üniversitesi Fizik Bölümü Bor içerikli yayınlarımız Yanmaz, E., Ozturk, K., Dancer, C. E. J., Basoglu, M., Celik, S., & Grovenor, C. R. M. (2010). Levitation force at different temperatures and superconducting properties of nano-structured MgB2 superconductors. Journal of Alloys and Compounds, 492(1-2), Dancer, C. E. J., Prabhakaran, D., Baoĝlu, M., Yanmaz, E., Yan, H., Reece, M., et al. (2009). Fabrication and properties of dense ex situ magnesium diboride bulk material synthesized using spark plasma sintering. Superconductor Science and Technology, 22(9) Yanmaz, E., Şavaşkan, B., Başoǧlu, M., Koparan, E. T., Dilley, N. R., & Grovenor, C. R. M. (2009). Complete flux jumping in nano-structured MgB2 superconductors prepared by mechanical alloying. Journal of Alloys and Compounds, 480(2), Savaskan, B., Ozturk, K., Celik, S., & Yanmaz, E. (2009). Improvement of superconducting properties of MgB2 by changing the argon ambient pressure and sintering conditions. Journal of Physics: Conference Series, 153 Baltaş, H., Çelik, S., Çevik, U., & Yanmaz, E. (2007). Measurement of mass attenuation coefficients and effective atomic numbers for MgB2 superconductor using X-ray energies. Radiation Measurements, 42(1),

40 Levitation force at differe nt temperatures and superconducting properties ofnano-structured MgB2 superconductors

41 The levitation force vs. vertical distance from the permanent magnet curves of the (a) MGB24 and (b) MGB72 samples at different measurement temperatures.

42 The changing of the levitation force dependence as temperature of themgb24 and MGB72 samples for a 5mm constant gap.

43 The levitation force vs. vertical distance curves of the MGB72 sample for different cycle.

44 X-ray diffraction spectra for samples produced by spark plasma sintering, with the trace for as-supplied commercial MgB2 powder included for comparison.

45 Magnetization loops recorded for samples prepared by spark plasma sintering in vacuum under 16 and 80 MPa maximum applied uniaxial pressure. Magnetization measurements carried out at (a) 4 K and (b) 20 K.

46 Variation of critical current density with applied magnetic field for spark plasma sintered samples prepared in vacuum. These data were measured by magnetization method and calculated using the Bean model at constant temperatures of (a) 4 K and (b) 20 K.

47