Katalog

Üstüniletkenlik olayı BiliMftKNİK Elektrik akımının dirençle kârşılaşmadığı fiziksel durum ojan üstüniletkenlik, ulaşımda elektrik üretiminde ve hemen hemen bütün sanayi dallarında devrim vaat ediyor. Kimya Mühendisliği Bölümü, Hacettepe Üniversitesi, Beytepe uyun katı ve sıvı fazları olduğu gibi çoğu elementler de normal iletken ve üstüniletken olabilirler. Sjvı suy\m donma noktası sıcaklığının altında katı faza geçmesi gibı normal iletken malzeme geçiş sıcaklığı olarak tanımlanan bir sıcaklığın altında üstüniletken davranış gösterir. Yüksek basınç, suyun donma noktasını yükseltir. Benzer şekilde üstüniletkenlik geçiş sıcaklığı da basınçtın etkilenir. Geçiş sıcaklığını etkileyen en önemli diğer iki parametre ise elektrik akımı ve magnetik alandır. Elektrik akımı, malzeme içinden akan bir elektron akımıdır. Elektriksel dirence sahip normal malzemelerde elektronlar, kristal örgünün etkilediği iyonların yükleri ile etkileşmelerı nedeniyle yavaşlayarak hareket ederler. Elektronlar, bir tür sürtünme olarak isimlendirilebilecek bu etkiler nedeniyle enerjilerini ısıya dönüştürürler. Bir üstüniletkende ise direnç, malzemeye özgü, bilinen bir kritik sıcaklığın altında sıfırdır. Bu elektrik akımının malzeme içinde direnci oluşturan engellemeler olmaksızın kayıpsız akabilirliği demektir. Bir üstün iletkende do|ru akımda güç kaybı ve ısı üretimı görülmeyecektir. Alternatif akımda ise frekansa, malzemenin şekline, boyutlarına' ve yüzey koşullarına ve magnetik alanın şiddetine bağlı olarak küçük miktarda güç kayıpları oluşur. Böylece üstüniletkenlik, bir kritik sıcaklığa baj ğımlı olan elektrik akımının dirençIe karşılasmadığı fiziksel bir durum olarak tanımlanabilir. Engln Özdaş No: 8 S caklık, TC; Kritik akım voğunluğu, Ic; Kritik magnetik alan. Hc. Belirlenen bu deneysel değerler şu sorulan cevaplandıracaklar: (a) Malzemenin üstüniletken hale geldiği, üstüniletkenlik geçiş sıcaklığı olarak belirlenen kritik sıcaklık Tc, nedir? (b) Malzeme, üstüniletken özelliği kazandıktan sonra üstüniletkenlik özelliğini yitirmeden ne kadar akım taşıyabilir? (c) Malzeme, üstüniletken özelliklerini kaybetmeden hangi şiddetteki magnetik alan ile birlikte bulunabilir? Üstüniletken malzemelerin diğer önemli özelliği ise "Meissner Etki »i'.'dir. Kritik sıcaklığın altında soğutulduğu an üstüniletken malzeme, kritik alan değfrinin altında uygulanan her değerdeki magnetik alanı dışlar. Malzeme içinde oluşan kapalı döngü akımları nedeniyle magnetik alan malzeme içinde hissedilmez. Bu davranış bir mıknatısın, bir üstüniletken üzerinde neden havada kaldığını açıklar. Bir mıknatısın uyguladığı magnetik alanın malzeme içine girmemesi nedeniyle oluşan kuvvetin, mıknatısın ağırhğını dengelediği noktada mıknatıs havada asılı kalır. Meissner etkisi en basit üstüniletkenlik testidir. Üstü Ostunlletkenllk YBa 2 Cu 3 O6.9 kristal yopiM, üstüniletkenlik için gerekli elektronik ortamı yaratmaktadır. Tabakalı kristal yapıda, üstüniletkenliğe katkıda bulunan elektronların nareketi sadece tabakalar arasındodır. Elektronlar temelde yüklerinin aynı olmasından dolayı birbirlerini itmesi gerektiği halde, Cooper çiftlesmesi nedeniyle elektron çiftleri halinde hareket ederler. Kristal yapıda bir elektronun diğerini takip etmesi için {Cooper çiftlerinin oluşması) gerekli tartları, muhtemelen oksijence zengin zincirler sağlamaktadır. Bilim adamları bu davranışın temelini, YBa 2 CuîO6a0' in üstüniletken davranış göstermeyen kristal yapısında aramaktadırlar. Üstüniletkenlik ilk olarak düşük sıcaklıklarda gerçekleşen bir fiziksel durum olarak anlasıldı ve BCS teorisi ile John Bardeen, Lean Cooper ve Robert Schrieffer tarafından açıklandı. Üstüniletken davranışa BCS yaklaşımı; normal bir iletkendeki elektronların çarpışmalarından (elektriksel direnç) yola çıkarak bir üstüniletken malzemede üstüniletkenliğe gidildikçe, çarpışmanın olmadığı dolayısıyla da direncin görünmeyeceği bir elektron çiftlesmesi (Co oper Pairs) ile oluşan elektron akımı şeklindedir. Bu teori 40K'nın altında üstüniletkenliğin niçin göründüğünü açıklar. 150K gibi yüksek kritik sıcaklıkların gözlendiği günümüz yüksek sıcaklık seramik üstüniletkenlerde, BCS teorisi yetersiz kalmaktadır. Bu durum yeni bir teori olmaksızın veya BCS teorisi geliştirilmeksizin hep şüpheli bir konu olacaktır. Deneysel araştırmacılar, yüksek üstüniletken sıcaklığı veren bileşikler sentezlemek ve teorik araştırmacılar ise neden bazı bileşiklerin yüksek sıcaklıklarda üstüniletken davranış gösterdiklerini araştırmaktadırlar. Çoeu teorik araştırmacılar, bakır ve oksijenin iki boyutlu düzlemde tabakalaşması üzerinde araştırmalarım yoğunlaştırarak CuO arasındaki özel bir kimyasal bağlanmanın var olup olmadığını araştırmaktadır. Yitrium bileşiğinde bir boyutlu CuO halkaları olmasına karjın, bismuth ve thallium bileşiklerinde CuO bağları zincir ya da halka yapısında değil, tabakalar şeklindeair. Elbette bu, bakır içermeyen benzer kristal yapıdaki üstüniletkenler üzerindeki araştırmaların göz ardı edileceği anlamını taşımaz. Böyle bir üstüniletken BaKBiO, 30K gibi düşük bir sıcaklıkta üstüniletken özellik göstermesine rağmen yüksek sıcaklık üstüniletkenler, hâlâ üzerinde durulan ve yeni bir teori tarafından açıklanması gereken konudur. Yeni sentezlenen bir üstüniletken malzeme için yapılan araştırmalarda, üç temel ve kritik özellik deneysel olarak belirlenmelidir: Kritik sı Normal iletkenllk Malzemenin üstüniletken olmadığı durumda elekronlar •' hareket ederlerken kristal örgüde titreşen atomlar ile çarpısırlar. Çarpışmalar nedeni ile elektronların enerjilerini yitirmeleri sonucunda kristal örgü ısınır. Bu olay direnç olarak isimlendirilir. YBaCgO bileşiğinde üstüniletken durum ile normal iletken durum arasındaki temel fark, kristal örgüdeki bazı oksijenlerin yerlerinde ., olmamalart nedeni ile a ve b ' eksenleri boyunca çarpıjmaların* mümkün olabilmesidir. YBaîCuiCVo bilesiği yarıiletken davranış gösterir. Dosya 8 Kasım 1990 '