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.

Süperiletkenlik

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.

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.

süperiletkenlik

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.

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 (Tc) denir.

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

Süperiletkenliğin keşfi

Tc = malzemenin altında süper iletken olduğu

kritik sıcaklık

Copper

(normal)

Hg

4.2 K

Normal

iletken ve

süper

iletkenler için

0 K civarında

elektrik

direnci-

sıcaklık ilişkisi

Süper iletkenlik

süperiletken bakır

Ele

ktr

ik d

irenci

Sıcaklık (K)

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.

Süper iletkenlik Süper iletkenlik halini 3 çok önemli parametre ile

tanımlarız:

● Kritik sıcaklık (Tc): bir malzemede süper

iletkenliğin görülebileceği en yüksek sıcaklık. Bu

sıcaklığın altında malzemenin direnci sıfırdır.

● Kritik manyetik alan (Hc): dışardan uygulanan

manyetik alan bu kritik değerin üstüne çıkarsa,

malzeme süper iletkenliğini kaybeder.

● Kritik akım yoğunluğu (Jc): süper iletkenin

direnç görmeden (süperiletkenliğini kaybetmeden)

taşıyabileceği, birim kesit alanı için maksimum

akım.

● Tc altındaki sıcaklıklarda, süper iletkenlik özelliği

kritik manyetik alan (Hc) uygulanması ile son

bulur.

● Kritik manyetik alan (Hc) sıcaklığa bağlıdır ve

artan sıcaklıkla düşer.

● Ayni durum akım yoğunluğu için de geçerlidir.

● Bir malzemenin altında süper iletkenlik kazandığı

bir kritik akım yoğunluğu değeri (Jc) vardır.

Süper iletkenlik

Süper iletkenliğin sınırları 26 metal + 100’lerce alaşım ve bileşik süper iletken!

Jc = kritik akım yoğunluğu J < Jc süper iletken

Hc = kritik manyetik alan H < Hc süper iletken

Hc= Ho (1- (T/Tc)2)

bu sınırlar içinde kalan

sıcaklık, manyetik alan ve

akım yoğunluğu değerlerinde

malzeme süper iletken gibi

davranacaktır.

Dışında ise malzeme tekrar normal bir iletkendir.

● 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.

Bardeen, Cooper ve Schrieffer (BCS) teorisi

BCS çekim mekanizması Elektronların kristal kafes yapısını hafifçe deforme etmesinden ileri gelir.

çöken matris üstündeki 2 kişiyi birbirlerine yakınlaştırır.

Elektronlar arasındaki bu çekim fonon değişimi olarak tarif edilir.

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.

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.

cooper çiftinin kafes

içindeki hareketi

süperiletkenlik

elektron elektron

Pozitif yüklü kafes iyonları

Cooper

çifti

Fonon etkileşimi ile enerji değişimi

Süperiletkenlik geçiş sıcaklığı altında çiftlenmiş

elektronlar makroskopik olarak tek bir kuantum

seviyesi oluşturan bir takımdır ve dirençle

karşılaşmadan hareket ederler.

Süper iletkenlik türleri Süper iletkenler bir dış manyetik alanla etkileşimlerine göre 2 türe ayrılırlar:

Tip I

kritik sıcaklığın (Tc) altında mükemmel diamanyetik

karakter sergiler. Tek bir kritik manyetik alana (Hc)

sahiptir.

Tip II

alt kritik alan (Hc1) altında manyetik akıyı iter ve

dışarda tutar. Hc1 ve üst kritik alan (Hc2) arasında

ise bunu kısmen yapar.

Süper iletkenlik türleri

süperiletken

normal

Tip I

süperiletken

normal

Süperiletken

+ normal

Manyeti

k a

lan

Manyeti

k a

lan

Tc Tc

Tip II

sıcaklık sıcaklık

Hc

Hc1

Hc2

Tip I vs Tip II süperiletkenlik

Süper

iletken Süper+

normal normal

Mıknatıslanma vs manyetik alan kuvveti

Bir dış manyetik alan uygulandığında Tip I

süper iletkenlerde keskin bir düşme görülür.

● 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,

(Hc) 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.

Tip I süperiletkenlik

Tip I Süperiletkenlik

Tip I akım sadece dış yüzeyde

dolayısı ile akım miktarı sınırlı

M

H HC

Meissner Etkisi süper iletken

durumda iken bir

malzeme manyetik

alanı kendi bünyesi

dışında tutar.

Bu malzeme

normal iletken

haline dönünce,

manyetik alan

malzeme

bünyesine

nüfuz eder.

Süper iletkenler manyetik alanları iterler.

Bu sayede süper iletkenler mıknatısların

üstünde havada askıda dururlar.

normal süperiletken

T>Tc

T<Tc

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.

Meissner etkisi

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

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 (Hc1 ve Hc2) arasında gerçekleşir.

● Manyetik akı malzeme bünyesine Hc1’de geçmeye

başlar ve manyetik alan arttıkça nüfuziyet artar;

nihayet Hc2 değerinde tamamlanır.

Tip II süperiletkenlik ● HC1 ve HC2 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 Nb3Sn

metaller arası bileşiğidir.

• 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

Tip II süperiletkenlik

Tip II süperiletkenlik

Tam diamanyetizm Hc2 Hc1

Hc

Süper

iletken Süper+

normal normal

H

dış manyetik alan uygulandığında Tip II

süper iletkenlerde alan kademeli olarak azalır.

Tip II akım telin içinde akıyor.

-M

Süperiletken elementler

Süper iletken malzemeler ● Elementler dışındaki tüm süper iletkenler Tip II’dir.

● Tip II süper iletkenler Tip I süper iletkenlerden daha büyük bir kritik sıcaklığa (Tc) 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.

Süper iletken malzemeler

sıcaklıklar C K

Su kaynama 100 373.2

Vücut sıcaklığı 37 310.2

Oda sıcaklığı 25 298.2

Su donma 0 273.2

Civa donma -38.8 234.4

Kuru buz -78.0 195.2

Sıvı oksijen -183.0 90.2

Sıvı azot -196.0 77.2

Sıvı helyum -269.0 4.2

Mutlak sıfır -273.3 0.0

● 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.

Saf metaller

● 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.

Metal alaşımları

• Yitriyum Baryum Bakır Oksit sıvı azotun kaynama

noktası (Tc=90 K) üzerinde Tc değerine sahip ilk süper

iletkendir.

• Talyum Baryum Kalsiyum Bakır Oksit süperiletkenler

arasında en yüksek Tc değerine sahiptir (Tc=125 K)

• Bakır oksitlerin kristal

yapı özellikleri sayesinde

iyi süperiletken oldukları

söylenebilir.

• Süperiletkenliğin ortaya

çıkması için antiferro-

mıknatıslanmanın

giderilmesi gerekir. Cu Fe

Yüksek Tc seramik süperiletkenleri

Diğer Cu-oksit süperiletkenleri

Süper iletken malzemeler ● Elektriksel olarak yalıtkan olan bazı seramik malzemeler,

yüksek kritik sıcaklıklarla süper iletken davranış gösterir.

● Araştırmalar 92 K kritik sıcaklığa sahip YBa2Cu3O7 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.

Süper iletkenlikte gelişmeler 1987- Tc > 30 K için yeni sonuçlar raporlandı

Y Ba2Cu3O7-x Tc = 90 K

Tl2Ba2Ca2Cu3Ox Tc = 122 K

YBa2Cu3O7-x 1987’de Paul Chu tarafından keşfedildi

Tc: 90-95K

Bc2: 100 Tesla

Jc: 1.0x109 A/m2

3 metalik elementin oranları nedeniyle “1-2-3” süper iletkeni denir.

Süper iletken malzemeler

Atom boşlukları (X) CuO2 düzlemleri arasında

elektron birleşmeleri sağlar.

X

X

X

X X

X

X

X Ba Ba Y

YBa2Cu3O7

CuO2 düzlemleri

lineer

zincirler

Cu

O

Cu

(001)

düzlemleri

yüksek-Tc süper iletkenliği

Alex Müller and Georg Bednorz

Paul Chu

164 K

60 yıl süren araştırmalardan sonra 1970’lerde 23 K’e kadar

süper iletken

kalabilen

metalik

bileşikler

keşfedildi.

1986’ya kadar

kritik sıcaklık

39 K’e kadar

yükseldi.

Günümüzde

kritik sıcaklık

164 K dir.

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

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.

Elektro mıknatıslar

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.

elektro mıknatıslar

tipik Nb3Sn SC mıknatısı

146 A akım ile 10.8 T kuvvetinde bir

manyetik alan oluşturur.

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.

Güç jeneratörleri

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.

Manyetik rezonans

Görüntüleme

Nukleer manyetik

Rezonans Spektroskopi

MRI tarayıcılarında

süperiletkenler

kullanır.

Manyetik görüntüleme

Manyetik görüntüleme

İnsan beyninin nükleer manyetik rezonans (NMR) tekniği ile süperiletken bir mıknatıs

tarafından oluşturulan manyetik alanda görüntülenmesi

Nöro-manyetik sinyallerin SQUID tekniği ile ölçülmesi

SQUIDs Yerkürenin manyetik alanının milyonda biri kadar olan

alanları yakalar: kalp kaslarındaki akımlar bile ölçülebilir.

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

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.

enerji nakli Süperiletken kablo – bakır tellere göre daha fazla enerji taşır.

enerji nakli

Yüksek akım için düşük gerilim gereksinimi

Daha az yer gereksinimi

Çok daha süratli bilgisayar sinyal iletimi

hesaplama hızlarında ciddi artış

Enerji nakil hatlarında

%15 seviyelerinde

kayıp!

Süperiletkenlerle

taşıma kapasitesinde

100 kat artış imkanı

1000 MW enerji 40 cm

çapında süperiletkenle

taşındı!

enerji nakil hatları

Yüksek hız trenleri manyetik levitasyonla çalışan trenler

raylarla sürtünme sıfırlanıyor.

Böylece hız/konfor artıyor.

Yamanashi MLX01 MagLev treni

Yüksek hız trenleri

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.

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

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, Hc, 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.