Süperiletkenlerin Manyetik Özellikleri

Süperiletkenler manyetik özelliklerine göre I. tip ve II. tip olmak üzere iki gruba ayrılır. Bir süperiletkenin hangi gruba gireceği ise Ginzburg-Landau parametresi k= ’ nın 1/ değerinden küçük (I. tip süperiletken) ya da büyük (II. tip süperiletken) olmasına göre değiĢir. Burada süperiletken içindeki manyetik nüfuz alanının derinliğini ve ise 0’dan n’ye kadar değiĢen Cooper çifti yoğunluğunun eĢ uyum uzunluğudur. Bu iki tür süperiletkeni birbirinden ayırmanın bir diğer yöntemi ise dıĢ manyetik alandaki davranıĢlarını gözlemektir. Çünkü bu ki tür süperiletkende dıĢ manyetik alana farklı tepkiler verdiği bilinmektedir (Lliescu,2005).

2.1.1. I. Tip Süperiletkenler

Bu tür süperiletkenler kritik sıcaklıklarına kadar soğutularak süperiletken hale geçtiklerinde manyetik akıyı tamamen dıĢarlayan ve süperiletkenlik özelliklerin ortadan kalkması ile tekrar eski hallerine geri dönebilen, normal durumda iletkenlik gösteren metal ve alaĢımlardan oluĢurlar. Bu tip süperiletkenler kritik sıcaklıklık değerleri çok küçük oduğundan dolayı düĢük sıcaklık süpeiletkenleri yada yumuĢak süperiletkenler olarak isimlendirilir. ġekil 2.1 de görüleceği gibi Hc değerinde keskin bir Ģekilde süperiletken olurlar ve bu değerin hemen üstünde normal duruma geçerler. Ayrıca H manyetik alan

Ģiddeti artarken malzemenin mayetik alanı değiĢmez ve olur. H manyetik alan Ģiddeti Hc değerini aĢtığında malzeme süperiletkenlik özelliklerini kaybedeceğinden dolayı

manyetik alan numune içine nüfuz eder ve olur.

Süperiletkenin manyetik davranıĢlarını baĢka bir yoldanda inceleyebiliriz. Bir metal süperiletken duruma geçtiğinde yüzey akımları uygulanan alana tam olarak eĢit ve zıt yönde bir manyetisazyon oluĢturur ( ). Uygulanan manyetik alan Ģiddeti H0 dan küçük olursa süperiletken negatif manyetisazyon değerindedir. Manyetik alan Ģiddeti H0’ ın üstüne çıkarsa o zaman manyetisazyon yok olur ( ) ve numune normal duruma geçer. Bu anlatılan durumların matematiksel ifadesi aĢağıdaki gibidir.

(2.1)

Burada boĢluğun manyetik geçirgenlik katsayısı, M birim hacimdeki net manyetik moment sayısı diğer bir ifade ile mıknatıslanmadır.

ġekil 2.1. (a) I. tip ve II. tip süperiletkende dıĢ manyetik alan Ģiddetinin manyetik akı yoğunluğu ile değiĢimi. (b) I. tip ve II. tip süperiletkenlerde

2.1.2. II. Tip Süperiletkenler

Bu grupdaki süperiletkenler Hc1 kritik manyetik alan değerine kadar I. tip süperiletkenlerinin özelliklerini gösterirler. Diğer bir ifade ile Hc1 değerine kadar alanı tamamen dıĢarılar ve negatif yönde mıknatıslanırlar. Bu sınır noktası değerine alt kritik manetik alan değeri denir. Bu sınır değeri geçtikden sonra manyetik alanın bir kısmı malzeme içine nüfuz etmeye baĢlar ve malzeme içinde süperiletken ve normal bölgeler olmak üzere iki kısım meydana gelir. Bu duruma karıĢık hal (mixed state) adı verilir. Bu halde manyetik alan malzeme içine akı çizgileri veya akı tüpleri Ģeklinde nüfuz eder. Çevresinde süperiletken bölgeler olan bu normal durum formundaki akı tüplerine girdap (vortex) adı verilir. Manyetik alanın arttırılması ile numune içine giren manyetik akı tüpleri yani girdapların sayısıda artar ve Hc2 üst kritik alan değerinde tüm girdaplar birleĢerek malzemeyi normal hale getirirler (ġekil2-2) (Müller ve Ustinov, 1997).

ġekil 2.2. II. tip süperiletkenlerde manyetik alan Ģiddetinin sıcaklıkla değiĢim grafiği.

KarıĢık durumda malzeme içinde oluĢan normal ve süperiletken bölgeler arasında kristal yapısı ve kimyasal özellikleri bakımından fark bulunmamaktadır. Manyetik alan Ģiddeti Hc1’in hemen üzerine çıktığında, numune içine girmeye baĢlayan manyetik akı çizgileri çevresinde bir dolanım akımı oluĢur. Bu akım dolanımı normal bölgelerle süperiletken bölgeleri birbirinden ayıran ve malzemenin diamanyetik özelliklerinin görülmesine neden olan I. tip süperiletkenlerdeki perdeleme akımıdır. Akı girdaplarının çevrelerindeki bu akım dolanımı her bir girdabın küçük bir mıknatıs gibi davranmasına yol açar (ġekil 2.3). Eğer II. tip süperiletkenlerden bir akım geçirilirse bu akımın etkisiyle girdapda bir Lorentz kuvveti oluĢacak ve girdaplar bu kuvvetin etkisinde hareket edeceklerdir. Akı çizgieri hızıyla belirli bir yönde hareket ederse Faradayın elektromanyetik indükleme yasası gereğince akım yönünde bir elektrik alan ( ) oluĢur. Bu durum ise akı girdapları içindeki normal durumda olan elektronların hareketine ve dolayısı ile bir enerji kaybına neden olur ve bir direnç etkisi görülmeye baĢlar.

ġekil 2.3. KarıĢık durumda numune içinde oluĢan akı girdaplarının üstten ve yandan görünüĢü

Enerji kayıplarına ve dolayısı ile dirence sebep olan bu durumu engellemek için, akı çizgilerini çivilenme (pinning) merkezleri ile sabitlemek gerekir. Akı çizgilerini çivilenme merkezinde tutan kuvvet çivilenme kuvveti (Fp) olarak isimlendirilir. Çivilenme merkezleri

hem akı tüpleri oluĢurken daha az enerji harcanmasını hemde tüplerin hareketini minimum düzeye indirerek daha az direnç ve daha yüksek kritik akım yoğunluğu oluĢmasını sağlar.

2.1.3. Akı Dışarlanması

Süperiletkenlerin temel özelliklerinden biri manyetik alanı iletkenin içinden dıĢarıya doğru öteleyebilme kabiliyetidir. Sıcaklık, Tc kritik sıcaklığının üzerindeyken manyetik alan iletkenin içerisinden hiçbir değiĢiklik olmadan geçerken, sıcaklık Tc’nin altında olduğunda akım düĢük manyetik alan değerler için iletkenin yüzeyine yakın ince bir katman dıĢında tüm yüzeyden dıĢarılanır. Manyetik alanın yeterince düĢük olduğu değerlerde bu dıĢarılama maksimum seviyeye ulaĢır ve malzeme manyetik alanı tamamen dıĢarılar ki buna Meissner etkisi denir. Bir malzemeden akımın dıĢarılaması malzemeye göre değiĢen akım çizgilerine göre ferromanyetizm, paramanyetizm veya çoğunlukla diamanyetizm olarak da adlandırılır. Meissner etkisinde, malzemenin negatif bir alınganlık değerine sahip olduğunu düĢünebiliriz (örneğin, B=μ0(H+M)=0 ve M=χH, o zaman χ=-1 dir). Bir B0 dıĢ manyetik

alanında, m=MV (V diamanyetik cismin hacmi) manyetik momente sahip düzgün manyetize edilmiĢ bir cisim, EĢitlik 2.2 ’de gösterildiği gibi bir kuvvet ile temsil edilir;

0

F  m B (2.2)

Süperiletken cisim üzerindeki eĢdeğer kuvvet JB₀ Lorentz kuvvetinin numunede dolaĢan süper akımlara olan etkisinden kaynaklanır.

2.1.4. Akı Kuantumlanması

Süperiletken durumun diğer bir temel özelliği ise malzemeye nüfuz eden manyetik akının

kuantumlanmıĢ olmasıdır. Devreden geçebilen en küçük akı değeri 15

0 2, 7 10

 _{ } 

Wb dir. Bu değer Planck sabitinin elektron yüküne oranı ile ₀ h/ 2e elde edilir. Bu özellik kuantum mekaniğinin makroskobik düzeyde bir göstergesidir. Manyetik akının bir

süperiletkenden geçerken “gluzoid” adı verilen akı demetleri halinde geçmesi akı kuantumlanmasının sonuçlarından biridir. Bu özelliğin en önemli uygulamalarından birisi çok hassas bir manyetik akı cihaz olan SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) süperiletken kuantum giriĢim cihazıdır.