1
İÇİNDEKİLER
1. GİRİŞ ............................................................................................................... 2
SIFIR DİRENÇ .................................................................................................... 2
3. I. TİP SÜPERİLETKENLERİN BAZI ÖZELLİKLERİ ................................. 7
3. 1. KRİTİK SICAKLIK ................................................................................. 7
3.2. MANYETİK ÖZELLİKLERİ VE KRİTİK MANYETİK ALAN ........... 7
MEISSNER OLAYI ............................................................................................ 8
3.3 NÜFUZ DERİNLİĞİ ............................................................................... 12
3.4 MIKNATISLANMA ................................................................................ 17
4. II. TİP SÜPERİLETKEN ........................................................................... 17
5. SÜPERİLETKENLİK GEÇİŞİNİN TERMODİNAMİĞİ ......................... 21
6.SÜPERİLETKENLİK TEORİSİ (BCS TEORİSİ) ..................................... 24
7. TEK PARÇACIK TÜNELLEMESİ .......................................................... 28
8. JOSEPHSON TÜNELLEMESİ ................................................................. 30
8.1. c Josephson Olayı ............................................................................. 31
8.2. Ac Josephson Olayı ............................................................................. 32
9. OKSİTLİ SÜPERİLETKENLER .............................................................. 33
10. SÜPERİLETKENLER UYGULAMALARI ........................................... 34
10.1. Bilgisayarlar ...................................................................................... 34
10.2. Elektrik Güç Nakli ............................................................................. 34
10.3. Magnetik Ayırma .............................................................................. 34
10.4. Motorlar ............................................................................................. 35
10.5. Magnetik Enerji Depolama (SMES) ................................................. 35
10.6. Güç Transformerları .......................................................................... 35
2
1. GİRİŞ
Temel bilimle olan ilgisi ve pek çok teknik uygulamaya sahip olması
bakımından süperiletkenlik olayı her zaman çok heyecan verici bir konu olmuştur.
Kısa bir süre önce, bazı metal oksitlerde yüksek-sıcaklık süperiletkenliğin keşfi, bilim
ve iş çevrelerinde büyük bir heyecan doğmasına neden olmuştur.
Bir çok metal alaşımın elektriksel dirençlerinin yeteri kadar düşük sıcaklığa,
daha çok sıvı helyum sıcaklık ( 4 0K) bölgesine girildiğinde sıfır olduğu görülür.
Bu özelliğin görüldüğü kritik sıcaklık maddeye bağlıdır. Bu sıfır direnç (veya sonsuz
iletkenlik) süperiletken olarak bilinir. Bu çarpıcı özellik metallerin özellikle düşük
sıcaklık bölgesinde özelliklerinin anlaşılmasına büyük katkıda bulunmuştur.
Süperiletkenlik, süperiletken magnet yapımında, bilgisayar swiçlerinin yapımında ve
birçok diğer teknik araç yapımında kullanılmıştır. Bunlara ek olarak, mühendisler
süperiletkenliği taşımada ve güç iletiminde kaybı ortadan kaldırma çalışmalarında
kullanmayı amaçlamaktadırlar.
Tartışmalarımıza süperiletkenlerin elektriksel özellikleri başlayacağız.
Ardından I. tip süperiletkenlerin özellikleri ve II. tip süperiletkenleri, daha sonra
süperiletkenlik geçişinin termodinamiğini ve süperiletkenliğin mikroskobik teorisinin
ele alındığı BCS teorisini inceleyeceğiz. Bunları tek parçacık türellemesi ve
Josephsen tünellemesi izleyecek. Son olarak da oksitli süperiletkenler ve
süperiletkenlik uygulamaları ele alınacak.
SIFIR DİRENÇ
Düşük sıcaklık fiziğinin tarihi, 1980 yılında Hollandalı fizikçi Heike
Kamerlingh Onnes’in kaynama sıcaklığı 42 0K olan helyumu sıvılaştırmasıyla
başlamıştır. Üç yıl sonra 1911’de, Onnes ve yardımcılarından birisi metallerin düşük
sıcaklık dirençlerini incelerken süperiletkenlik olayını keşfettiler. İlk olarak platini
3
incelediler. Platinin 00 K e uzatılan (ekstrapole edilen) özdirencinin numunenin
saflığına bağlı olduğunu buldular. Daha sonra, damıtma yolu ile elde edilen çok saf
sıvıyı incelemeye karar verdiler. Ancak onları bir sürpriz bekliyordu. Hg nın
direncinin 4,150 K de çok keskin bir şekilde düşerek ölçülemeyecek kadar küçük
değerlere ulaştığını gördüler. (Şekil 2.1)
Şekil 2.1 T ≤ Tc için direnç sıfıra gitmektedir.
Bu sıcaklığın üzerinde civanın sonlu bir direnci vardır. Hemen altında ise
direnç sıfırdır. Bu faz geçişinin olduğu sıcaklığa, Kritik Sıcaklık (Tc) denir. Tc’nin
altındaki bu duruma süperiletkenlik fazı denilmektedir. Bu faz geçişi buharlaşma
noktasındaki sıvı-buhar ve Curi noktasındaki Ferromagnetik faz geçişlerine
eklenebilir.
Onnes süperiletkenlik geçişinin dönüşümlü olduğunu buldu. Maddeyi ısıttığı
zaman Tc sıcaklığının hemen üzerinde normal halini aldığını gördü.
Süperiletkenliğe serbest elektron teorisi ile yaklaşılarak bazı bilgiler
kazanabiliriz. Metalin direnci;
ρ =2.eN
m
J A
...................................(1)
ρ
4
E L
V..................................(2)
R ρA
L.................................(3)
ρ =1
.................................(4)
olduğuna göre
J = σ.E..............................(5)dir.
m.dtdν
= -e. E -
d m. ....(6)
Vd = - mEe .
........................(7)
Birim hacmindeki yük (-N.e) olduğundan
J = (-N.e) Vd ......................(8)
olur. (8), (5) de yerine yazılırsa,
σ = m
Ne .2
........................(9)
olur. (4) deki bağıntıya göre
2.eN
m .........................(10)
şeklinde yazılır. Burada m elektronun kütlesi, e elektronun yükü, N birim
hacimdeki elektron sayısı ve τ çarpışma zamanıdır. T sıcaklığı azaldığında örgü
titreşimleri donacak ve elektronların saçılması azalacaktır. Bu sonuç büyük τ ve
dolayısıyla küçük ρ demektir. Eğer yeteri kadar düşük sıcaklıkta τ sonsuz olursa, bu
da direncin sıfır olduğu süperiletkenliğe götürür. Bu düşük sıcaklıkta maddenin içinde
5
safsızlıklar ve yapı bozuklukları olsa bile elektronlar çarpışmaya uğramayacaklar.
Süperiletkenlerin dirençleri genellikle halka şeklindeki süperiletken bir
numunenin içinden akım geçirmek ve zamanın fonksiyonu olarak akımı
gözlemlemekle ölçülür. Eğer numune normal halde ise, sonlu direnç nedeni ile akım
çabukça sönecektir. Fakat, eğer sıfır direnci var ise, akım bir kez kuruldumu, herhangi
bir kayba uğramadan sonsuza kadar akacaktır. Fizikçiler bunu test etmek için birçok
deneyler yaptılar ve birkaç yıldan sonra bile akımın sabit kaldığını söyleyebildiler.
Süperiletken kurşun için direncin üst değeri 10-25 Ω m civarında idi ve oda
sıcaklığındaki değerin 1 / 1017 si idi.
Süperiletkenlik geçişi daima keskin değildir. Eğer örneğimiz metalik element
ve yapısal kusursuz ve saf ise, geçiş daima keskindir. Metalik alaşımlar 0,10 K ve
daha yüksek geçiş aralığına sahiptirler (Şekil 2.2).
ρ
Şekil 2.2 Safsızlıkların kolayda süperiletkenlik geçişine etkisi
Süperiletkenlik çok nadir rastlanan bir olay değildir. Önemli miktarda (bilinen
27) element ve alaşımda bu özellik görülmektedir (Tablo 2.1).
6
Element Tc, 0K Bileşik Tc, 0K
Al
Cd
Ga
In
Ir
La (α)
La ()
Pb
Hg(α)
Hg()
Mo
Nb
Os
Rh
Ry
Ta
Tc
Tl
Th
Sn
Ti
W
U(α)
U()
V
Zn
Zr
1,2
0,5
1,1
3,4
0,1
4,8
4,9
7,2
4,2
4,0
0,9
9,3
0,7
1,7
0,5
4,5
8,2
7,4
1,4
3,7
0,4
0,01
0,6
1,8
5,3
0,9
0,8
Nb3 Al0,8 Ge0,2
Nb3 Sn
Nb3 Al
Nb3 Au
Nb3 N
Mo N
V3 Ga
20,1
18,1
17,5
17,5
16,0
12,0
16,5
Tablo 2.1. Süperiletkenlerin geçiş sıcaklıkları
Süperiletkenlerin özellikle oda sıcaklığında elde edilmesi amaçlanmakta, fakat
yapılan çalışmalar başarısızlıkla sonuçlanmaktadır. Günümüzde normal atmosfer
basıncında ulaşılan en yüksek kritik sıcaklık, civa içeren, bakır oksit süperiletkenleri
için Tc = 1380 K dir. Bu durum bir hayli anlamlıdır. Bu nedenle bilim adamları daha
7
yüksek kritik sıcaklıklı maddeler bulma konusunda umutludurlar.
3. I. TİP SÜPERİLETKENLERİN BAZI ÖZELLİKLERİ
3. 1. Kritik Sıcaklık
Süperiletkenliğin 1911’deki keşfinden sonra, pek çok metalin direncinin, her
metale özgü kritik bir Tc sıcaklığının altında, sıfıra gittiği gözlenmiştir.
Çok iyi iletken olan bakır, gümüş ve altın süperiletkenlik göstermezler.
3.2. MANYETİK ÖZELLİKLERİ VE KRİTİK MANYETİK ALAN
Süperiletken, sıfır dc (doğru akım) direncine sahip olma gibi önemli bir
özelliğe sahiptir.
Ohm kanununa göre, bir iletken içindeki elktrik alan, o iletkenin direnci ile
orantılıdır. Dolayısı ile, bir süperiletken için R=0 olduğundan, süperiletkenin içinde
elektrik alan sıfır olmak zorundadır. Faraday’ın Indüksiyon Kanunu
dsE.dt
md-----------------(11)
Şeklinde yazılabilir. Yani, E nin kapalı bir ilmek (halka) boyunca çizgi
integrali, kapalı ilmek düzleminden geçen Φm manyetik akışının zamana göre
değişiminin eksi işaretlerine eşittir. Bir süperiletken içindeki her nokta E=0
olduğundan, kapalı yol boyunca alınan integral yani dt
md 0 olur. Bu da,
süperiletken içindeki manyetik akının değişmeyeceğini ifade eder. Buradan B (= m
/A) nin, süperiletken içinde sabit kalması gerektiği soncuna varılır.
1933'den öncelerde; süperiletkenlik, mükemmel iletkenliğin bir görünümü
olarak kabul ediliyordu. Mükemmel bir iletken, manyetik alan uygulanmışken kritik
sıcaklığının altına kadar soğutulursa, alan söndürüldükten sonra bile iletkenin içinde
manyetik alan tuzaklanır. Mükemmel bir iletken için denge termodinamiği
uygulamaz. Çünkü, maddenin manyetik alandaki son hali, önce alan uygulanıp sonra
8
alan uygulandığına mı bağlıdır. Maddenin son hali bu işlemlerin yapılışı sırasına
bağlı olduğundan, alan Tc nin altına soğutulduktan sonra uygulanırsa, alanın
süperiletken dışarılanması gerekir. Diğer taraftan önce alan uygulanıp, sonra Tc nin
altına soğutulursa, alanın süperiletkenden dışarılanması gerekir.
1930’larda süperiletkenlerin manyetik özelliklerinin anlaşılması için yapılan
deneyler farklı sonuçlar vermiştir. 1933 yılında Meissner ve Ochsenfeld zayıf bir
manyetik alanda soğuktan bir metal, süperiletken olduğunda, madde içinde her
noktada B=0 olacak şekilde alanın dışarılandığını keşfettiler. Böylece alan, ister
madde kritik sıcaklığın altına soğutulmadan önce, ister soğutulduktan sonra
uygulanmış olsun, aynı B=0 durumuna erişildiği bulunmuş olur.
MEISSNER OLAYI
1933’de iki Alman fizikçi Meissner ve Ochsenfeld, süperiletkenlerin manyetik
alan çizgilerini ittiklerini ve içlerine sokmadıklarını gözlediler. Bu olaya Meissner
Olayı denir. Silindir şeklindeki süperiletkenlerle yaptıkları bir seri deneyde, kritik
sıcaklığın hemen altına gelince numunenin manyetik alan çizgilerini iterek tam olarak
içlerinden kovdukları ve süperiletken olduklarını göstermişlerdir. (Şekil 3.1).
9
Şekil 3.2.1. Meissner Olayı: T<Tc sıcaklığında süperiletken tarafından itilen
manyetik alan çizgileri
Adı geçen araştırmacılar bu olayın dönüşümlü olduğunu da göstermişlerdir.
Numune içinde manyetik alan
B μ 0 ( H + M ) μ0 (1+ ) H
-------------(12)
ile verilir. Burada H, dışarıdan uygulanan manyetik alan, M ortamın
magnetizasyonu, χ ise ortamın manyetik duygunluğudur. Süperiletkenlik durumunda
B=0 olduğundan
M = - H -----------------------(13)
olur. Bu nedenle ortam diyamagnetiktir ve duygunluk
-1--------------------------(14)
dir. Bu durumda magnetizasyon dış alanın etkisini ortadan kaldırmaktadır. Bu bizi
tam diyamagnetizme götürür (Şekil 3.2)
Şekil 3.2.2. Süperiletkende magnetizasyon eğrisi
Bu davranışı normal bir metalle karşılaştıralım. Diyamagnetik bir metalde
eğer spin duygunluğu ihmal edilirse = -10-5 mertbesindedir ve (14) te verilen çok
küçüktür. Bu durumun süperiletkende elde edilişine bazı yeni mekanizmalar neden
olmaktadır. Meissner Olayı süperiletkenlik halinin anlaşılması için kuvvetli bir
tekniktir.
10
Onnes’in süperiletkenliği keşfinden çok kısa bir süre sonra, magnetik alanın
süperiletkenliği bozduğu bulundu. Hc kritik alanı denilen yeteri kadar büyük bir
magnetik alan uygulandığı zaman, süperiletken, normal hale gelmekte ve T<Tc
olmasına rağmen direnç göstermektedir.
Kritik alan sıcaklığa bağlıdır. Sıcaklık T=0 0K den T=Tc sıcaklığına
yükselirken Hc azalmaktadır. Ampirik olarak değişim bağıntısı
Hc (T)= Hc (0) 1- Tc
T 2 -----------------------(15)
yazılır. T = 0 0K de Hc (0) Maksimum değerdir, T = Tc de ise sıfırdır. Tipik
Hc değerleri birkaç yüz gauss kadardır.
I. tip süperiletkenlerde Hc (T) nin sıcaklıkla olan değişimi aşağıdaki gibidir.
Şekil 3.2.3 Birkaç I. tip süperiletken için Hc (T) nin sıcaklıkla olan değişimi
11
I.tip süperiletkenler için üst kritik olan değerler Tablo 3.1 de verilmiştir.
Süperiletken Hc (0) (Tesla)
Al
Ga
Hg
In
Nb
Pb
Sn
Ta
Ti
V
W
Zn
0,0105
0,0058
0,041
0,0281
0,1991
0,0803
0,0305
0,0829
0,010
0,1023
0,000115
0,0054
Tablo 3.2.1. Bazı I tip süperiletkenlerin T = 0 0K de ölçülen kritik magnetik
alanları.
Magnetik alan dışardan uygulamaya ihtiyaç yoktur. Halka şeklindeki
süperiletkenden akım geçirilirse kendi magnetik alanını oluşturur. Akım yeteri kadar
büyük ise alan kritik değere ulaşacak ve süperiletkenlik bozulacaktır. Bu durum,
süperiletkenden geçirilecek akımın değerini sınırlar, bu da yüksek alanlı süperiletken
magnet yapımının sınırlamasını oluşturur.
Süperiletken halde ve kritik alandan küçük alanlarda, magnetik
alan I. tip süperiletkene nüfuz edemez, fakat yüzey akımları mevcut olur.
Neticede I. tip süperiletken mükemmel bir diyamagnet gibi davranır.
Uygulanan alan kritik alanı aştığında, numune normal hale döner. Bu
durumda alan tam olarak nüfuz eder, numunenin direnci sıfırdan farklı
olur ve normal bir metal için beklenen değere erişir.
12
3.3 NÜFUZ DERİNLİĞİ
I. tip süperiletkenlerde oluşan yüzey akımları, magnetik alanların maddelerin
iç noktalarından dışarılanması sonucunu doğurur. Gerçekte bu akımlar yalnızca
numunesinin yüzeyindeki çok ince tabasından oluşmazlar. Tersine bu akımlar
yüzeyde maddeye nüfuz ederek, sonlu kalınlıktaki bir et tabakası üzerine dağılır.
Bu olayı F. ve H. London kardeşler 1935’de süperiletkenliğin
Elektrodinamiğin Teorisi olarak geliştirdiler. F. London tarafından genişletildi ve
1950’deki kitabında yayınlandı.
İki akışkan modelini kullanalım:
elektrik alanı varlığında süperelektronlar için hareket denklemi
m. dtVd s
=-e
.................................(16)
Elektron üzerine etki eden yegane kuvvetin alan tarafından uygulanan
kuvvet olması nedeni ile yazılır. Çarpışma kuvveti yoktur çünkü bu tip elektronlar
çarpışmazlar. Süper akım yoğunluğu sJ
,
sJ s (-e). sv
..................................(17)
sJ
= m
ens2
.
......................................(18)
(16) ile kombinasyon sonucu yazılır. sJ
üzerindeki nokta zaman türevini
belirtir.
Kararlı durumda sJ
süperiletken içinde sabittir. Bu da sJ
ve dolayısıyla
0.......................................(19)
olmasını gerektirir. Kararlı durumda, süperiletken içinde elektrik alanın sıfır olduğu
sonucunu elde etmiş oluruz. Diğer bir deyişle süperiletken boyunca voltaj düşmesi
sıfırdır.
13
(19) bağıntısını hemen yeni bir sonuca götürür.
(19) ile B - ...................(20)
Maxwel denkleminin kombinasyonu
B= 0 .............................................(21)
sonucu çıkar.
Kararlı durumda magnetik alanın sabit olduğu sonucu çıkar. Bu ise Meissner
Olayı ile ters düşer.
Bu eşitlik, sıcaklığa bakılmaksızın B nin sabit olduğunu belirtir. Sıcaklığın
Tc ye doğru yükseldikçe Tc de aniden magnetin alan çizgilerinin numuneden
geçeceğini hatırlarsak yukarıdaki yaklaşım bazı değişiklikler gerektirir.
(18)i, (20) de yerine koyarsak
B =
2en
m
s
sJ ........... (22)
elde edilir. Açıklandığı gibi B 0 olduğunu belirtmesi nedeniyle geçerli
değildir.
London, bu durumu ortadan kaldırmak için (22) ye benzeyen
B= 2en
m
s sJ .............. (23)
şeklinde bağıntıyı postülasında önerdi. Bu bağıntı London denklemi olarak
bilinir ve deneylerde uyumlu sonuçlar verir. Bu denklem B ile sJ ilişkili olup,
maxwell denklemleri ile de,
Bμ0. sJ ......................(24)
şeklide bağlıdır.
(24) ün rotasyonelini alır ve
14
B . ( . B ) 2 B 2 B , . B 0
özdeşliğini kullanırsak (23) ve (24) ten sJ yok edilirse,
2 2
0 ..
m
ens . B ................... (25)
bulunur. Bu denklemi basit bir geometri için uygulayalım;
Örneğimizin yüzeyi y-z düzleminde yarısonsuz uzunlukta olsun ve alan y
yönünde uygulansın. Bütün nicelikler x yönünde değişeceğinden (25) denklemi
2
2
. By 2
0 ..
m
ens. By.............................(26)
yazılır. Bu basit diferansiyel denklemin çözümü;
By (x) = By (0) . e-x/λ................................(27)
2
0 .. en
m
s2/1 ...................................(28)
olur. (27) numaralı denklemin sonuçları
λ
15
1. Süperiletken yüzeyinden içine doğru gidildiğinde alan exponansiyel olarak
azalmaktadır. Böylece magnetik alan, Meissner Olayı ile uyumlu olarak numunenin
içinde sıfır olmaktadır. Bu da London deklemine destek vermektedir.
Alan numuneye belli bir miktar nüfuz etmekte λ , nüfuz derinliği olarak
adlandırılır.
Alan süperiletken tarafından bütünüyle itilmektedir daha önce düşünüldğü
gibi ancak yüzeye yakın küçük bir bölge vardır ki burada alan belli bir miktar da
vardır.
Bu durum deneysel olarak açıklandı ve London Teorisi önemli bir ilgi topladı.
(28) de nümetrik değerler yerine konursa λ 500 Å bulunur ki deneyle uyumlu
değerdir.
Element λ(0) , Å
Al
Cd
Hg
In
Nb
Pb
Sn
500
1300
380-450
640
470
390
510
2. London denkleminin önemli diğer bir tesbiti ise, nın sıcaklıkla
değişmesidir.
ns = n.
4
1Tc
T ifadesi (28) de yerine konursa
λ= λ(0). 2
1
4
4
1
Tc
T...................................(29)
16
elde edilir. Burada
λ(0)
2
0 .. en
m
s2
1
..................................(30)
olup, T=0 0K de nüfuz derinliğidir.
(29) a göre λ, sıcaklık 0 0K den itibaren artarken artar ve T= Tc de sonsuz
olur.
3. London teorisinden çıkarılan üçüncü sonuç ise, yüzey yakınlarında elektrik
akımının varlığıdır.
(27) de London denklemini ( B yi) koyar ve akım için çözülürse
Jz (x) -2
1
0
2
m
ens
. By(x) - Js.(0). E –x/...........(31)
Elde edilir. Bu akım negatif ve z yönünde akan bir akımdır. Bu akım
expononsiyel olarak azaldığından, yüzeyden içe doğru girildiğinde gerçekten yüzey
akımının olduğu görülr.
Bu nedenle Meissener Olayına bir yüzey akımı eşlik eder ve bu
akım süperiletkenin iç kısımlarını dış alana karşı koruyuculuk yapar ve
engel olur. Sonuç olarak da süperiletken numune kusursuz bir
diyamagnet olur. Diğer bir deyişle, yüzey akımları nedeni ile oluşan
magnetik alan, numune içinde dış alanın etkisini bütünüyle yok eder.
Buradan enteresan bir durum ortaya çıkar. Akım taşıyan
süperiletkendeki akım, yüzeye yakın bölgeye sınırlandırılmış.
17
3.4 MIKNATISLANMA
H gibi bir dış magnetik alana konulan bir numune M mıknatıslanması kazanır.
Şekil 3.4.1 İç alana uygulanan alanla değişimi, burada Hiç< Hc için Hiç =0
olur.
Şekil 3.4.2 Mıknatıslanmanın uygulanan alana bağlılığı, H>Hc için M 0
olduğuna dikkat ediniz.
4. II. TİP SÜPERİLETKEN
1950’lere kadar, II. tip süperiletkenler olarak bilinen başka bir grup maddenin
varlığı tespit edilmiştir. Bu maddeler, Şekil 4.1 de Hc1 ve Hc2 olarak gösterilen iki
18
kritik alan tarafından belirlenmektedir. Uygulanan alan, Hc1 alt kritik alanından
küçükse, madde tam olarak süperiletkendir ve I. tip süperiletkenlerde olduğu gibi
hiçbir akı maddeye nüfuz edemez. Uygulanan alan, Hc2 üst kritik alanı aştığında, akı
numunenin tamamına nüfuz eder ve süperiletken hal ortadan kalkar. Fakat Hc1 ile Hc2
arasındaki alanlar için malzeme “Girdaplı hal” (Vorteks hali) olarak bilinen karışık
halde bulunur.
Şekil 4.1 II. tip süperiletkenler için, kritik alanların sıcaklığın fonksiyonu
olarak değişimi
Alt kritik alan Hc1 in altında numune, I. tip süperiletken gibi davranır. Üst
kritik alan Hc2 nin üzerinde, madde normal bir iletken gibi davranır. İki alan
arasında, süperiletken karışık haldedir.
Girdaplı halde madde sıfır dirence sahip olabilir ve akı kısmen nüfuz edebilir.
Uygulanan alan alt kritik alanı geçtiğinde, girdaplı bölgeler, Şekil 4.2 de görüldüğü
gibi normal kısımlardan oluşan fitiller şeklinde olur. Uygulanan alana ulaştığında;
numune normal hale geçer.
19
Şekil 4.2 Karışık haldeki II. tip süperiletkenin şematik çizimi.
Girdaplı hali, gözümüzde, silindirik normal bir metal çekirdekle sarılmış,
süperiletkenlerin silindirik anatoru olarak adlandırabiliriz. Bu çekirdekler, akının
II.tip süperiletkenlere nüfuz etmesini sağlar. Magnetik alan, girdap fitillerinin
merkezinde maksimum olup, çekirdeğin dışına doğru belirli bir nüfuz derinliği (λ) ile
üstel olarak azalır. Her girdap için H nin “kaynağı” üstünakımlardır. II.tip
süperiletkenlerde, normal, metal çekirdeğinin yarıçapı, nüfuz derinliğinden daha
küçüktür.
Şekil 4.3 II. tip süperiletkenin magnetik davranışı (a) Hiç alanın uygulanan
alanla değişimi (b) mıknatıslanmanın uygulanan alanda değişimi
-
20
Şekil 4.3.a, II. tip süperiletken için iç alanın uygulanan alanla nasıl değiştiğini;
şekil 4.3.b ise buna karşı gelen mıknatıslanmanın uygulanan alanla nasıl değiştiğini
göstermektedir. Yani madde, H< Hc, için akı dışarılayan süperiletken halde ,
Hc <H<Hc2 için karışık halde ve H> Hc2 için ise normal haldedir.
II.tip süperiletkenler karışık halde iken, yeterince büyük bir akım, girdapların
akıma dik olarak hareketine neden olabilir. Bu girdap hareketi, akının zamanla
değişimi anlamına gelir ve madde içinde direnç meydana getirir. Safsızlıklar
ekleyerek, girdapları bir yere çivilemek (Puining) ve hareketlerini engellemek;
dolayısıyla karışık bir haldeki bir süperiletken için sıfır direnç oluşturmak mümkün
olabilir. II. tip bir süperiletken için kritik akım şu şekilde elde edilebilir: bu akım
değeri de, girdaptaki akının çarpımı, girdapları bir yara çivileyen kuvveti yenecek bir
Lorentz kuvveti vermelidir. Bu olgu kritik akının değeri belirler.
II. tip süperiletkenler için üst kritik alan değerleri Tablo 4.1 de verilmiştir.
Süperiletken Hc (0) (Tesla)
Nb3 Al
Nb3 Sn
Nb3 Ge
Nb N
Nb Ti
Nb3 (Al Ge)
V3 Si
V3 Ga
Pb MoS
32,4
24,5
38
15,3
15
44
23,5
20,8
60
Tablo 4.1. I. tip süperiletkenler için T = O 0K de ölçülen üst kritik magnetik
alanları
21
5. SÜPERİLETKENLİK GEÇİŞİNİN TERMODİNAMİĞİ
Bu bölümde termodinamiğin tartışılması, farklı deneylerle bulunmuş sonuçları
birleştirmektedir. Bu tartışma, mikroskobik kuvvetler hakkında kesin sonuçlar
vermemekle birlikte geçişin doğasını anlatacaktır.
Şekil 5.1 Molar m kapasitesinin sıcaklığa göre grafiği (Kalay için).
Noktalı Eğri, T<Tc için normal haldeki m kapasitesinin alacağı değerin ne
olacağını göstermek için extrapolasyon eğrisi
Şekil 5.1 de süperiletkenin m kapasitesinin sıcaklığa göre değişim grafiği
görülmektedir. Tc nin altındaki Cv piki entropide düzensizlik ulaşılabilecek artışı
belirtmektedir. (T Tc ye artarken). Böylece, süperiletken hal, normal halden daha
fazla düzenlilik derecesine sahiptir.
Yapılan deneysel çalışmalar, düşük sıcaklıkta elektronların ısı kapasitesinin
Cv a.e –b(T/Tc) ......................(32)
Exponansiyel ifadesi ile verilebileceğini göstermiştir. Bu exponent, elektronun
enerjisinde bir enerji aralığının varlığını ifade edecek şekilde davranır. Bu enerji
aralığı tam Fermi seviyesinin üzerinde olup, elektronun kolayca uyarılmasını önler.
Bu da küçük ısı kapasitesi değerine götürür. Enerji aralığının genişliği mertebesinde
olmalıdır, çünkü numune Tc sıcaklığına yükseldikçe normal hale gelmekte ve
22
elektron kolayca uyarılmaktadır.( kTc)
Şekil 5.2 Süperiletkende yörüngeler yoğunluğu D (ε)nin enerjiye karşı grafiği
Tc = 5 0K tipik değerini yerine koyarsak 10-4 ev değerini elde ederiz. Bu
enerji aralığının değeri daha önce tanıttığımız enerji aralıklarının yanına çok
küçüktür. Bu nedenle süperiletkenlik düşük sıcaklıklarda görülür.
Süperiletkenlik halini normal hale nazaran daha düzenli durumu olan sıvı hale
yoğunlaşması olarak düşünebiliriz. Benzer olarak geçiş sonucu enerjide azalma
beklenir. Süperiletkenlik yoğunlaşma enerjisini hesaplayalım.
Şekil 5.3 süperiletkenlik yoğunlaşma enerjisi hesabı
23
Numunenin T1<Tc sıcaklığında olduğunu varsayalım. Alnın arttığını
düşünürsek N noktasında normal hale gelecektir. Buradan yoğunlaşma enerjisi
E = EN - EA ...................................(33)
olur. Bu enerji kolaylıkla hesaplanabilir. Numune AN yolu boyunca tam
diyomagnet olduğundan E, diyomagnetizasyonu bozma enerjisi olacaktır.
E cH
0
B.dM =- μo cH
0
H.(-dH) = 2
1 μo. Hc2........(34)
Birim hacim başına E = 2
1 Mo. Hc2 olacaktır. Bu enerji süperiletken bir
halden normal hale dönmek için gerekli enerjidir. Tersini söyleyecek olursak;
sistemin normal halden süperiletken hale geçmek için kaybettiği enerjidir. Sistemin
mümkün en düşük enerjili durumda olmayı istediğinden, süperiletken hal T<Tc için
kararlı bir durumdur. Maksimum yoğunlaşma enerjisi;
E = 2
1 μo. Hc2 (o) ..........................(35)
dir ve 0 0K de olur.
Tipik Hc (0) = 500 Gauss kullanılırsa, E = 103 J /m3 elde edilir.
Şimdi kritik sıcaklık ile kritik alan arasında yararlı bir bağıntı kuralım.
Yoğunlaşma enerjisi Tc cinsinden bulmak istiyoruz. Bunu yapmak için Fermi
yüzeyinin kTc kabuğundaki elektron sayısı hesaplamalıyız. Çünkü bunlar
süperiletkenlik geçişi etkiler. Fermi küresinin derinliklerinde bulunan elektronlar, 5
eV mertebesinde enerji ile uyarılabilirler. Bundan dolayı etkin elektronların
yoğunlaşmasını kestirebiliriz.
neff n. Ef
kTc.............................(36)
24
burada n, iletkenlik elektronların toplam yoğunluğudur. Herbir elektron enerji
aralığı boyunca uyarılması için kTc mertebesinde ek bir enerjiye ihtiyaçları vardır.
E neff k.Tc = n(kTc)2 /Ef .......(37)
olur. Bu (35) te bulduğumuzla aynıdır. Buradan,
Hc (o) =
2/1
0
2
.
2
fE
nk
.Tc ...............(38)
yazılır. Kritik alan, kritik sıcaklık ile orantılıdır. Yani, geçiş sıcaklığının
yükselmesi, süperiletkenliği bozmak için daha büyük enerjiye ihtiyaç duyar.
6.SÜPERİLETKENLİK TEORİSİ (BCS TEORİSİ)
Süperiletkenliğin modern teorisi, Cooper, Barden ve Schrieffer tarafından
1957 de “Phys. Rev. 106,162 (1957)” yayınladı. Süperiletken ile ilgili gözlenen tüm
olayları açıklaması dolayısıyla milletlerarası bir kabul görmüştür. İlk prensibinden
başlayarak ve kuantum yöntemleri kullanarak sıfır direnç ve Meissner Olayı gibi bir
takım gözlenen olayları açıklamıştır. Adı geçen teori, kuantum mekaniğin içine o
kadar girmiştir ki bu teori kuantum kavramları ve matematik teknikler kullanılmadan
tam olarak anlaşılmaz. Bu nedenle BCS teorisini ayrıntısına dalmadan anlatmaya
çalışacağız.
İletim elektronları Fermi küresinin içinde bulunana bir metal düşünelim.
Fermi yüzeyinin hemen içinde bulunan iki elektronu düşünecek olursak, bunlar
birbirlerini Coulomb kuvveti ile iteceklerdir. Fermi küresinin içindeki diğer
elektronların perdelenmesi nedeni ile bu kuvvet azalacaktır. Perdelenmeyi de dikkate
aldıktan sonra iki elektron arasında mevcut kuvvet, itici küçük bir kuvvettir.
Bunun yanında, bazı nedenlerden dolayı iki elektron birbirini çeker. Cooper,
bu elektronların Fermi yüzeyine yakın, bağlı halde olacağını göstermiştir. Bu durum
çok önemlidir. Bağlı durumdaki iki elektron tek bir sistem oluşturacak şekilde
çiftlenirler ve hareketleri ortaktır. Bu çiftleme, sisteme bağlanma enerjisine eşit
25
miktarda enerji uygulayınca ancak bozulabilir. Bu elektronlara Cooper çifti denir. Bu
elektronlar zıt mement ve zıt spine sahip oldukları zaman bağlanma enerjileri en
kuvvetlidir. Bu nedenle, elektronlar arasında herhangi bir çekim olursa Fermi
yüzeyinin komşuluğunda tüm elektronlar Cooper çifti olarak sisteme yığılır. Bu
çiftler süperlektronlardır.
Şekil 6.1. Metalde Fermi Yüzeyi yakınındaki 1 ve 2 elektronları arasındaki
etkileşme.
Şekil 6.1’de görülen ve birbirinin yanında geçen iki elektron düşünelim. 1
nolu elektron negatif yüklü dolayısıyla (+) yüklü iyonları kendine doğru çeker
(elektron-örgü etkileşmesi). Bu nedenle 2 nolu elektron 1’den etkilenmez. 1 nolu
elektron iyonlarla perdelenmiştir denir. Perdelenme dolayısıyla bu elektronun net
yükü azalır hatta net pozitif yük oluşur. Bu olunca, 2 nolu elektron 1’e doğru çekilir.
Bu da Cooper çiftlerinin oluşması için gerekli olan net çekim etkileşmesine götürür.
1 numaralı elektron fermi enerjisi seviyesine yakın olduğundan hızı büyüktür.
Ağır kütlesinden dolayı iyonun cevabı daha yavaştır. Buna rağmen 1 nolu elektronu
hissederek ona cevap verir ve sonuç olarak 1 yerini değiştirir. Teknik yayınlarda her
bir elektronun fonon bulutuyla sarıldığını ve herbir elektronun fonon değişimi ile
birbirlerine çekici kuvvet uyguladıkları söylenebilir. Mesela 1 tarafından yayılan
fonon 2 tarafından çabukça soğurulur.
26
Şekil 6.2. 1 ve 2 elektronları arasında çekici etkileşmeden sorumlu olan fonon
değişimi
1 ve 2 elektronları arasındaki bağlanmanın bir sonu olarak elektronun
spektrumunda enerji aralığı görülür.
Şekil 6.3. Yörüngeler yoğunluğu D (E) süperiletkenler için enerji aralığını da
gösterecek şekilde, şekilde gösterilmiştir. Taralı alan T = O 0K de dondurulmuş
yörüngelerdir.
( EF - 2
1 0 , EF +
2
1 0) enerji aralığındaki durumlar şimdilik yasaktır.
Buradaki durumlar bu enerji aralığının hemen altına veya üstüne çekilmiştir.
Süperiletkenler için Fermi enerjisinden uzakta durumlar yoğunluğu normal metallerde
olduğu gibidir. Teori, sıfır derece sıcaklıkta enerji aralığının
0 = 4. ħ WD.e - (2/ D(Ef)ıv ) ..................(39)
ile verildiği gösterir. Burada WD, Debye Frekansı, D (Ef) Fermi enerji
27
seviyesindeki normal metalde durumlar yoğunluğu ve V1 elektron–örgü
etkileşmesinin gücünü gösterir. (39) bağıntısında WD nin yer almasının nedeni,
elektron çiftleri arasında Fonon değişiminin olmasıdır. (39) bağıntısından elde edilen
birkaç yararlı sonuç aşağıda sıralanmıştır.
1. Kabaca 0 ħWD dir ve tipik Fonon enerjisidir. Bu bağıntı doğru genlikte
sonuç verir.
ħWD 10–27 x 10 13 10-14 erg 10-2 eV
(39)daki expononsiyel terim de dikkate alınırsa 10-4 eV elde edilir ki deneysel
sonuçlarla uyuşmaktadır.
2. WD M-1/2, burada M titreşen iyonun kütlesidir. Buradan 0 M-1/2 olur.
Böylece enerji aralığı ve kritik sıcaklık M artarken azalır. Bu durum, metal içindeki
izotop oranını değiştirmek suretiyle gözlenebilir. Bu olaya izotop etkisi denir.
3. Enerji aralığı ve dolayısıyla Tc, elektron–örgü etkileşmesi arttıkça artar.
Diğer bir deyişle kuvvetli V1 ler süperiletkenliği destekler. Bu doğru ve akla uygun
gibi görünür. Çünkü iyonlar elektrona daha kuvvetle çekilerek üzerine yığılma şansını
artırırlar. Bu garip bir durumdur. Normal durumda büyük V1, yüksek direnç demektir.
Burada çelişkili karışık bir sonuç çıkarılır: zayıf normal bir iletkenden iyi bir
süperiletken, iyi bir normal iletkenden kötü bir süperiletken yapılır. Bu durum
deneysel sonuçlarla uyum halindedir. Birinci grup Pb ve Nb içerir. İkinci grup alkali
ve asil metalleri içerir ki bunlar ulaşılabilecek en düşük sıcaklıkta bile hiç
süperiletkenlik göstermez.
BCS teorisi, kritik sıcaklığın aşağıdaki şekilde verilebileceğini göstermiştir.
0 = 3,52 kTc .............. (40)
Bu sonuç, 0 kTc ve Tc nin deneyde bağımsız olarak ölçülmesinden
yararlanarak test edilebilir. Deneylerde 0 = 4kTc bulunarak bu bağıntıyı doğrular.
Enerji aralığı birkaç farklı yöntemle deneysel olarak tayin edilebilir.
28
Bunlardan bir tanesi Infrared soğurmadır. Infrared demeti süperiletken üzerine
düşürüldüğünde (alçak sıcaklıkta) radyasyon frekansı, Cooper çiftini enerji aralığı
boyunca uyarmaya yetecek kadar büyük olduğu zaman radyasyon soğurulması olur.
Yani,
W 20 .................(41)
dır. Dolayısıyla ışığın frekanslarından 0 bulunur.
Cooper çiftlerinin uyarılması için gerekli minimum enerji 20 dır. Elektron
çiftinin birisini uyarmak olanaksızdır. Çünkü çift bir bütün halde olup birbirinden
ayrılmazlar. Eğer herhangi bir şekilde Cooper çifti bozulursa iki tane normal elektron
oluşur ve enerji aralığı boyunca uyarılırlar.
0 10-4ev olduğundan karşılık gelen frekans kırmızı ötesi bölgededir.
BCS teorisi sıfır direnci şöyle açıklar: Bir kere sürüklenme hareketi kuruldu
mu, Cooper çiftlerine çarpışma mekanizması ile 20 dan daha büyük enerji
verilmelidir ki, cooper çiftleri saçılsın. Mevcut düşük sıcaklıkta, düşük enerjili
fononlar uyarıldığından, fononlar bu enerjiyi temin edemezler. Cooper çiftleri de
sonsuz olarak sürüklenme hareketine devam ederler.
7. TEK PARÇACIK TÜNELLEMESİ
Süperiletkenlerde enerji aralığı, tek parçacık tünellemesi deneyleri ile çok
duyarlıklı olarak ölçülebilir. Bu yöntem ilk defa 1960 yılında Giaver tarafından
yayınlanmıştır.
Bir yalıtkanla ayrılmış iki metal gözönüne alalım. Yalıtkan tabaka, bir
metalden diğerine iletkenlik elektronları geçişine bir engel gibi davranır. Bu engel
yeterince (10 veya 20 Å dan daha az) ince ise, yalıtkan üzerine düşen bir elektronun
engeli aşarak bir metalden diğerine geçme olasılığı yüksek olur. Bu olaya tünelleme
denir.
29
Şekil 7.1. İki metal arasındaki ince bir yalıtkandan tünellenen elektronlar için
Akım-Voltaj ilişkisi
İlk olarak Şekil 7.1 de görüldüğü gibi, ince bir yalıtkan engele ayrılmış iki
normal metal göz önüne alalım. İki metal arasına bir V potansiyel fark
uygulandığında, elektronlar bir metalden diğerine geçebilir ve bir akım oluşur.
Uygulanan küçük potansiyel farkları için akım-gerilim bağıntısı doğrusaldır ve eklem
için Ohm kanunu geçerlidir.
30
Şekil 7.2. Süperiletken-normal metal arasındaki ince bir yalıtkandan elektron
tünellemesinde Akım-Voltaj ilişkisi.
Ancak Şekil 7.2’de görüldüğü gibi metallerden birisi yerine Tc den daha
düşük sıcaklıklarda tutulan süperiletken konulacak olursa, hiç de olağan olmayan bir
durum ortaya çıkar. Uygulanan potansiyel farkı, eşik değer olarak bilinen bir Ve
değerine erişinceye kadar her hangi bir akım geçmez. Bu eşik değer, enerji
aralığının yarısı olmak üzere
Ve = eo
2
=
e
......................(42)
Bağıntısı sağlar. Buradaki 1/2 çarpanı, tek parçacık tünellemesi ile
ilgilenilmesinden ve kullanılan enerjinin, bir çifti kırmak için gereken 2 nın yarısı
olmasından kaynaklanmaktadır. Yani eV çarpımı, enerji aralığının deneysel olarak
doğrudan ölçülmesini sağlamaktadır. Bu tür deneylerden elde edilen değeri, düşük
sıcaklık ısı kapasitesi ölçümlerinden elde edilen değerlerle uyum içindedir.
8. JOSEPHSON TÜNELLEMESİ
1961 yılında Brion Josephson, tek parçacık tünellemesine ek olarak, Cooper
çiftlerinin de tünellenebileceği fikrini ortaya attı. Josephson, çiftlerin hiçbir dirençle
karşılaşmadan tünellenerek bir dc akımı oluşturacağını öngörmüştür. Üstelik bu akım
hiçbir gerilim farkı uygulanmadan da vardır. Josephson ayrıca, ekleme bir de gerilim
31
uygulandığında; ikinci bir olay olarak bir ac akımının ortaya çıkacağını öngörmüştür.
8.1. Dc Josephson Olayı
Şekil 8.1.1 Çok ince bir yalıtkanla ayrılan iki süperiletkenden Josephson
eklemi.
Şekil 8.1.1 de görüldüğü gibi, 1-2 nm kalınlığında ince bir oksit tabakası ile
ayrılan iki süperiletken gözönüne alalım. Böyle bir yapı Josephson eklemi olarak
bilinir. Bir süperiletkende çiftler = 0 . ei dalga fonksiyonu ile temsil edilebilir.
Burada , her çift için aynı olan fazı göstermektedir. Bir eklemdeki süperiletkenden
birinin fazı 1, diğerinin ki 2 olmak üzere Josephson, sıfır gerilim farkı altında
eklemden;
Is = Im . Sin (1, 2) = Im. Sin δ .... (43)
İle verilen bir süperakım geçtiğini göstermiştir. Burada Im sıfır gerilim farkı
altında eklemden geçen maksimum akımı göstermektedir. Im in değeri,
süperiletkenlerin temas yönlerine bağlıdır ve oksit tabakasının kalınlığı ile üstel
olarak azalır. Jesephson etkisinin ilk doğrulanması 1963 yılında Rowell ve
Anderson’dan geldi. O zamandan beri Jesephon’un tüm teorik öngörüleri
kanıtlanmıştır. Bir Josephson eklemi için akım-voltaj grafiği şekil 8.12 de
görülmektedir.
32
Şekil 8.1.2. Josephson ekleminin Akım – Voltaj eğrisi
8.2. Ac Josephson Olayı
Bir josephson eklemine bir de voltajı uygulandığında çok dikkat çekici bir
olay ortaya çıkar. Bu dc voltaj
I = Im Sin (-2ft) .......(44)
İle verilen bir ac akımı üretir. Burada bir sabt olup t=0 daki faz, F de
Josephson akımının
f = h
2ev......... (45)
ile verilen frekansıdır. 1 V lik bir gerilim fark 483,6 MHz lik bir frekans
doğrunun Frekans ve voltajın duyarlı ölçümleri, fizikçilerin e/h oranını daha önce
düşünemeyecekleri bir doğrulukla tayin etmelerini mümkün kılmıştır.
Ac Josepson olayı değişik yollarla gösterilebilir. Bu yöntem, bir dc gerilim
farkı uygulamak ve eklem tarafından üretilen elektromanyetik ışımayı algılamaktadır.
Başka bir yöntem de eklemi, frekansı f olan bir dış ışınım ile ışınlamaktır. Bu
yöntemde Josephson frekansı f, dış frekans f’nin tam katlarına eşit olduğunda; f’ye
karşılık gelen voltaj değeri için I-V grafiklerinde basamaklar meydana gelir. Yani
V=fh/ze=nfh/2e değerinde basamaklar oluşur.(Şekil 8.2.1). Eklemin iki tarafı farklı
kuantum durumunda bulunduğundan; eklem, enerji soğutarak yada yayarak iki durum
33
arasında geçiş yapan bir alan gibi davranır. Sonuç olarak bir Cooper çifti eklemi
geçtiğinde, frekansı f=2eV/h olan birr foton yayılır ve soğurulur.
Şekil 8.2.1. Josephson ekleminde akımının beslem voltajı ve değişimi
9. OKSİTLİ SÜPERİLETKENLER
Oksit süperiletkenlik çalışmaları 1960 ların başlarında başladı. Oksitler, ReO3
ve RuO2 gibi çok iyi metalik özelliklere sahip olanları da olmasına rağmen genellikle
iyi metalik özelliğe sahip değillerdir. Diğer taraftan süperiletkenler Tc nin üstünde iyi
metalik özelliklerden geçmezler. İlk oksitli süperiletkenlik Nb0 ve TO ile bulundu.
Bu oksitler, içinde bir miktar oksijen çözünmüş metaller olarak düşünülebilir. Bunlar
NaCl’a benzer bir yapıya sahiptirler fakat direkt metal-metal etkileşmesi metalik
özellik oluşturacak kadar kuvvetlidir. Diğer bazı oksitli süperiletkenlerde direkt
metal-metal etkileşmesi yüksek iletkenlik gibi metalik özellik vermekten çok uzak
olup çok zayıftır. Bunun yerine, iletkenlik bandı oksijen ve metal arasındaki kuvvetli
kovalent band üzerine kurulmuştur.
Müller ve Bednorz, 1986’nın ortalarında kritik sıcaklığı 35 0K e kadar
çıkardılar. 1987’nin başında Paul Chu 90 0K in biraz üzerine çıkarmıştır. Bu,
süperiletkente ilk defa sıvı azot sıcaklığında süperiletkenlik elde edildiğinden devrim
olarak nitelendirilir.
e2
34
10. SÜPERİLETKENLER UYGULAMALARI
Yüksek Tc süperiletken teknolojisinin tesiri transistör veya Laserinkine eşit
veya onu geçecektir.
10.1. Bilgisayarlar
Süperiletkenler kullanılarak daha hızlı ve küçük bilgisayarlar yapılabilir.
Süperiletken ısı yaymadığından devreler daha yakın paketlenebilir. Sonuç, daha
komplex ve daha küçük hacime yerleştirilmiş hızlı devreler olacaktır. SC lerin
bilgisayarda bir uygulaması yarıiletken araçları bağlamak için kullanılan SC bağlantı
hatlarıdır. Diğer bir uygulama Josepson eklemleridir. Bunlar SC elektroniğinde açma-
kapama zamanları 6 pikosaniye mertebesindedir. Yarıiletken swiçlerden 10 defa daha
hızlıdır. 770 MHz de çalışan 4 bit SC mikroişlemci deneysel olarak geliştirilmiştir.
10.2. Elektrik Güç Nakli
SC iletim hatlarının alışılmış bakır kablolarına göre birçok avantajı vardır.
Ana yararı çok önemli miktarda daha fazla akım taşıma kabiliyetidir. Deneysel sıvı
helyum çok önemli miktarda daha fazla akım taşıma kabiliyetidir. Deneysel sıvı
helyum sıcaklığına kadar soğutulmuş bakır kablodan aynı boyutlar ve voltajdaki bakır
kablodan üç kat daha fazla akım taşıyabileceğini göstermiştir. SC nin diğer yararı
direnç nedeni ile olan güç kaybının yokluğudur. Bu, çok uzun mesafeerden güç
kaybını ekonomik yapar. Jeotermal, hidroelektrik ve güneş enerjileri santrallerin
olduğu bölgelerden nüfus yoğunluğu olan bölgelere verimli olarak enerji nakli yapılır.
Kirletici olan nükleer ve kömür santralleri yerleşim bölgelerinin dışına inşa edilebilir
(Tokyo’da SC iletim hattı inşaatı vardır.)
10.3. Magnetik Ayırma
Magnetik ayırma bir karışım içinden bilinen bazı bileşenleri ayırma
metodudur. Değişik bileşenlerin magnetik özellikleri farklı olduğundan bazıları
çekilip alınırken bazıları karışımda kalır. HTSC magnetler bir çok uygulamalar
sunacaktır; kömürden kükürt ayırma, madenlerden safsızlıkların ayrılması, artık
suyun arıtılması, kimyasalların saflaştırılması ve gazların ayrılması gibi düşük
35
maliyet, küçük boyut ve daha yüksek magnetik alan ile HTSC ler bu uygulamalar için
çok çekici olacaktır.
10.4. Motorlar
Meissner olayına dayanan SC motorlar, magnetik alan çizgilerini iterler. SC
motorlar akım kaybını %50 civarında azaltır. SC motorlar, arabalarda, pompalarda,
dönen millerde vs. kullanılır.
10.5. Magnetik Enerji Depolama (SMES)
Magnetik enerji depolamada enerji toprağa gömülen büyük SC magnet ile
oluşturulur. Enerji bobinde depolanır ve güç kaybı olmadan sonsuza kadar
dolandırılır. Depolamak için enerjiden başka formlara çevrilmesine gerek yoktur.
Enerjiye ihtiyaç olduğu zaman çabukça boşaltılır. Bu ise magnetik alanda ve
dolayısıyla depolanan enerjide azalmaya neden olur. SMES sistemi % 90 verimle
çalışır.
10.6. Güç Transformerları
Bilimadamları, transformerların verimsiz çalışması nedeniyle elektrik güç
nakli sırasında enerjinin 1/6 sının kaybedildiğini tahmin etmektedirler. Eğer
transformerlarda SC sarımlar kullanılsa verim artacak ve maliyet düşecektir.