TarihtenEski

1933 yılında Walter Meissner ve Robert Ochsenfeld isimli iki bilim adamı süperiletken bir materyalin mıknatısları geri ittiğini keşfettiler. Normal iletkenlerden farklı olarak mıknatısın etkisiyle süperiletkende oluşan akım içe nüfuz edeceğine manyetik alanın yansıması gibi davranıyor ve mıknatısı itiyordu. Bu olgu günümüzde “diamagnetism” yada daha bilinen adıyla “Meissner etkisi” olarak bilinir. Meissner etkisi bir mıknatısı süperiletken bir materyalin üzerinde askıda tutabilecek kadar güçlüdür.

Süperiletkenler Cins I ve Cins II ( Type I – Type II) olmak üzere ikiye ayrılırlar. Kalay, kurşun ve cıva gibi çok saf metaller birinci cinsin örnekleridir, seramik tabanlı yüksek sıcaklık süperiletkenler ise ikinci cinse ait örneklerdir. Birinci cins süperiletken bir materyale harici bir manyetik alan uygulanırsa, materyal tarafından normalde geri itilen manyetik alan, materyal süperiletkenlikten normal duruma geçtiği an materyalin içine nüfuz eder. Saf metallerden oluşan birinci cins süperiletkenler süperiletken mıknatıslarda kullanılmak için çok düşük kritik alan değerine sahiptirler. Gauss (G) ve tesla (T) manyetik alan değerini ölçmek için kullanılan birimlerdir (1 tesla = 10 kilogauss). Gauss birimi çok küçük bir birimdir; yeryüzünün manyetik alanı 0.5 gauss’dur, en güçlü birinci cins süperiletken olan kurşun 800 gauss değerine sahiptir. İkinci cins süperiletkenler ise biraz daha farklı davranırlar. Hc1 kritik değerinden önce tüm manyetik alan dışarı itilir, Hc1 ve Hc2 arasında “karışık durum” (mixed state) söz konusudur, materyalin bir kısmı süperiletkenken bir kısmı normal durumdadır, Hc2’den yukarı değerlerde materyalin tamamı normal iletkenlik özelliği gösterir. Birinci cins süperiletkenler kullanışlı olmak için çok düşük kritik alan değerine sahipken, ikinci cins süperiletkenlerde Hc2 değeri 100 tesla’ya kadar ulaşabilmektedir.

Cins II davranışı Meissner etkisini anlamada da yardımcı olan bir olgudur. Bir mıknatısı birinci cins bir süperiletkenle askıda tutmak istersek, mıknatısın kayıp gitmesini önleyecek şekilde kase şeklinde bir yapı kullanmalıyız. İkinci cins bir süperiletkende ise mıknatıs süperiletkenin üstünde bir bölgede kilitlenir. Samarium-cobalt bir mıknatısın değeri yaklaşık 600 G’dir, seramik bir süperiletkenin Hc1 değeri ise 200 G değerinden düşüktür. Bu nedenle mıknatısın manyetik alanının bir kısmı materyalin içine nüfuz edip kristal yapının kırık ve kusurlu bölgelerinde sıkışır kalır. “Akı raptiyelenmesi” (flux pinning) denen bu olgu mıknatısı materyalin üzerinde askıda kilitler.
Süperiletkenlik hali üç çok önemli faktörden oluşmaktadır: kritik sıcaklık (Tc), kritik manyetik alan (Hc) ve kritik akım yoğunluğu (Jc). Bu parametrelerin her biri diğer mevcut iki parametrenin durumuna da bağımlıdır. Süperiletkenlik durumunun sürekliliği tüm bu parametrelerin, kritik değerlerinin altında kalmasıyla mümkündür ki bu da materyalden materyale değişir. Hc ve Jc için en yüksek değer 0 oK’de, Tc için en yüksek değer ise H ve J’nin sıfır olduğu noktada gerçekleşir. Bu üç parametrenin çerçevelediği alan, süperiletkenlik yüzeyini oluşturur.

Yüksek Hc ve Jc değerleri iki temel parametreye dayanırlar: “nüfuz derinliği” (penetration depth) ve “tutarlılık boyu” (coherence length). Nüfuz derinliği yüzey akımlarından kaynaklanan manyetik alan oluşumunun karakteristik boyunu ifade ederken, tutarlılık boyu süperiletkenlik özelliğinin oturtulabileceği en kısa mesafeyi tanımlar. Nüfuz derinliğinin tutarlılık boyuna oranı “Ginzburg-Landau parametresi” olarak bilinir ve bu değerin 0.7’den büyük olması manyetik akının tamamen dışa itilmediği, kristal çekirdeklerinden içeri sızdığı ve süperiletkenin “karışık durum” özelliği gösterdiği anlamına gelir. Bunu sağlayan ise, kristal çekirdeklerinin etrafında dönen akımların neden olduğu ve harici olarak uygulanan manyetik alana paralel olacak şekilde ortaya çıkan “mini manyetik alanların” oluşturduğu “akışım kafesi” (fluxon lattice) yapısıdır. Karışık durum özelliği, süperiletkenliği Hc1 ve Hc2 arasında tutmak bakımından önemlidir, bu açıdan süperiletken materyal radyasyona tabi tutularak kristal çekirdeklerinin oluşumunu sağlayan ek kırık ve kusurların dolayısıyla da “akışım raptiyelenmesinin” meydana gelmesi sağlanabilir.