SÜPERİLETKENLİK SUPERCONDUCTIVITY

SÜPERİLETKENLİK








HAZIRLAYAN
Nedim BOZDAĞ




MERSİN, 2011




T.C.
MERSİN ÜNİVERSİTESİ
FEN-EDEBİYAT FAKÜLTESİ
FİZİK BÖLÜMÜ





SÜPERİLETKENLİK

HAZIRLAYAN
Nedim BOZDAĞ

DANIŞMAN
Yrd. Doç. Dr. Serdar YILMAZ



MERSİN, 2011


ÖZET
Süperiletkenler, direnç kaybetmeksizin elektriği ileten malzemelerdir. Ayrıca süperiletkenler, manyetik alanı dışlama eğilimindedirler. Bu özellik Meissner Etkisi olarak bilinir. Süperiletkenler, manyetik alan içerisindeki davranışlarına göre I. tip ve II. tip olmak üzere iki gruba ayrılırlar.
Bu çalışmada, giriş ve süperiletkenler bölümlerinde süperiletkenlerin tanımı, genel özellikleri ve süperiletkenliği açıklayan teoriler üzerinde durulmuştur. Son bölümde ise, süperiletkenlerin uygulamaları anlatılmıştır. Süperiletkenlerin uygulama alanları olarak; gelişen teknoloji ile birlikte özellikle ileri ekonomik ülkelerde kullanılmakta olan Maglev trenlerinin kurulmasında süperiletkenlerin nasıl kullanıldıkları ve önemi üzerinde durulmuştur. Takip eden bölümlerde ise, sağlık alanında kullanılan manyetik rezonans görüntüleme(MRG) ve bilgisayar, motorlar vb. alanlarda süperiletkenlerin uygulamaları üzerinde durulmuştur.












TEŞEKKÜR
Tez çalışmam süresince bilgi, öneri ve yardımlarını esirgemeyen danışman hocam sayın Yrd. Doç. Dr. Serdar YILMAZ’a, çalışmalarım süresince maddi ve manevi yardımlarını esirgemeyen Elektrik-Elektronik Müh. Zeki TUNĞ’a ve Helin Beste DOĞAN’a en içten duygularımla teşekkür ederim.


















İÇİNDEKİLER DİZİNİ
Sayfa

ÖZET………………………………………………………………………………....i

TEŞEKKÜR…………………………………………………………………………ii

TABLO VE ÇİZELGELER DİZİNİ………………………………………………v

ŞEKİLLER DİZİNİ………………………………………………………………...vi

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ……………………………………..viii

1. GİRİŞ……………………………………………………………………………...1

2. SÜPERİLETKENLER…………………………………………………………...4

2.1. SÜPERİLETKENLİĞİN TARİHSEL SÜRECİ…………………………4

2.2. MÜKEMMEL DİYAMANYETİZMA VE MEİSSNER ETKİSİ……….5

2.3. KRİTİK SICAKLIK……………………………………………………..7

2.4. KRİTİK MANYETİK ALAN……………………………………………8

2.5. SIFIR DİRENÇ ÖZELLİĞİ……………………………………………...9

2.6. İZOTOP ETKİSİ………………………………………………………..10

2.7. I. TİP VE II. TİP SÜPERİLETKENLER………………………………11

2.8. AKI KUANTUMLANMASI…………………………………………...13

2.9. SÜPERİLETKENLER VE GEÇİŞ SICAKLIKLARI………………….15

2.10. BCS TEORİSİ…………………………………………………………17

2.11. YÜKSEK SICAKLIK SÜPERİLETKENLİĞİ……………………….20

2.12. YÜKSEK SICAKLIK SÜPERİLETKENLERİ……………………….22

2.13. YÜKSEK SICAKLIK SÜPERİLETKENLİĞİN MEKANİZMASI….24

2.14. ÖZDİRENÇ VE MANYETİK MIKNATISLANMA…………………25

2.15. SÜPERİLETKENLERDE AKIMIN TAŞINMASI…………………...26

2.16. KRİTİK AKIM………………………………………………………..27

2.17. TÜNELLEME VE JOSEPSON OLAYI………………………………28

2.17.1. Dc Josepson Olayı…………………………………………...29

2.17.2. Ac Josepson Olayı…………………………………………...30

2.18. LONDON DENKLEMİ……………………………………………….30

2.19. GİNZBURG–LANDAU TEORİSİ……………………………………35

3. SÜPERİLETKENLİĞİN UYGULAMALARI………………………………..39
3.1. MAGLEV TRENLERİ…………………………………………………39
3.2. MANYETİK REZONANS……………………………………………..40
3.3. BOLOMETRİK SENSÖRLER…………………………………………42
3.4. SÜPERİLETKEN KABLOLAR………………………………………..43

3.4.1. Kablo Gelişimi ……………………………………………….43

3.4.2. Warm Dielektrik HTS Kablo Tasarımı……………………….44
3.4.3. Cold Dielektrik HTS Kablo Tasarımı………………………...45
3.5. SÜPERİLETKEN KUANTUM GİRİŞİM AYGITLARI………………46

3.6. BİLGİSAYARLAR…………………………………………………….47

3.7. ELEKTRİK GÜÇ NAKLİ ……………………………………………..47

3.8. MOTORLAR…………………………………………………………...47

3.9. MANYETİK ENERJİ DEPOLAMA (SMES)………………………….48

3.10. GÜÇ TRANSFORMERLARİ………………………………………...48

4. SONUÇ..................................................................................................................49

KAYNAKÇA…………………………………………………………………….....50




TABLO VE ÇİZELGELER DİZİNİ
Tablolar Sayfa

Tablo 2. 1. Süperiletken elementlerin ve bileşiklerin kritik sıcaklık değerleri……..16

Tablo 2. 2. I. tip süperiletkenler için kritik manyetik alan değerleri………………..17

Tablo 2. 3. II. tip süperiletkenler için kritik manyetik alan değerleri……………….17
















ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekiller Sayfa

Şekil 1.1. Kristal örgü içerisinde elektronların hareketi……………………………...2

Şekil 1.2. Normal bir metalin mutlak sıcaklıkta sonlu özdirenç eğrisi ve bir süperiletken için kritik Tc sıcaklıkta sıfıra düşüşü gösteren, T sıcaklığına göre özdirencinin grafiği…………………………………………………3

Şekil 2.1. (a) Mükemmel bir iletkene soğutmadan önce alan uygulanıyor. Numune Tc’ nin altına kadar soğutulduktan sonra alan kaldırılıyor. Bu durumda numune içerisinde belli bir miktar akı tuzaklanır ve numune içerisinde dB/dt=0’ dır. (b) Metal bir süperiletkende akı daima dışarlanır; yani numune içerisinde daima B=0’ dır……………………………………….6

Şekil 2.2. Manyetik alan içerisine konan sonsuz uzunlukta dilim (a) ve silindir (b) süperiletkenlerin dış bölgelerinde alan deseni. Sonsuz uzunlukta dilim için N, demanyetizasyon faktörü hemen hemen sıfırdır. Enine alanda silindir için N=1/2’ dir……………………………………………………………..7

Şekil 2. 3. Süperiletken ve süperiletken olmayan iki malzeme için direncin sıcaklıkla değişimi…………………………………………………………………...8

Şekil 2. 4. Kritik manyetik alanın sıcaklıkla değişimi………………………………..9

Şekil 2.5. Süperiletkenliğe geçişte kritik sıcaklığın belirlenmesi…………………...10

Şekil 2.6. Süperiletkenler uygulanan alana karşı göstermiş oldukları manyetik davranışlarında dolayı I. ve II. tip süperiletkenler olmak üzere iki grup altında incelenmektedir…………………………………………………13

Şekil 2.7. Örgü içerisinde elektronların Cooper çifti oluşturması…………………..15
ŞEKİLLER DİZİNİ(Devam)

Şekiller Sayfa

Şekil 2.8. Fermi yüzeyindeki yüksek hızı ile hareket eden elektronların örgü içerisindeki durumu……………………………………………………..18

Şekil 2.9. Aralarındaki uzaklık olan bir Cooper çiftinin şematik diyagramı. Sağa hareket eden elektronun momentumu , sola hareket edeninki ise - dir………………………………………………………………………..19

Şekil 2.10. HoBa2Cu3O7 için 50–150 K arasındaki manyetizasyon ve özdirenç eğrisi…………………………………………………………………….26

Şekil 2.11. Kritik yüzey faz diyagramı……………………………………………...28

Şekil 2.12. İnce bir yalıtkan tabakayla ayrılmış iki süperiletkenin oluşturduğu eklem……………………………………………………………………29

Şekil 2.13. İki akışkan modelinin şematik gösterimi………………………………..31

Şekil 2.14. Dış manyetik alan içerisinde bir süperiletken dilim…………………….34
Şekil 3.1. Bolometrik sensörlerde ışıma şiddetinin ölçülmesi………………………43
Şekil 3.2. Warm Dielektrik HTS kablo modeli……………………………………...45
Şekil 3.3. Cold Dielektrik HTS kablo modeli……………………………………….46



SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ

Simgeler Açıklama
T Sıcaklık
Kritik sıcaklık
Kritik manyetik alan
Nüfuz derinliği
Akım yoğunluğu
Düzen parametresi
London nüfus derinliği
Ortamın manyetik geçirgenliği
B Manyetik indüksiyon
H Manyetik alan
I Akım
n Elektron yoğunluğu
Süperiletken elektronların hızı
e Elektron yükü
m Elektron kütlesi
Özdirenç
c Işık hızı
Eşuyum uzunluğu
Cooper çiftlerinin sıfır sıcaklıktaki enerjisi
Planck sabiti
Fermi hızı
Boltzmann sabiti
Josephon eklemindeki süperiletken faz
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (Devam)

Simgeler Açıklama

Ginzburg-Landau parametresi
Düzen parametresi açılımıyla gelen katsayılar
Normal metalin serbest enerji yoğunluğu
Süperiletken maddenin serbest enerji yoğunluğu
Mutlak sıfırdaki kritik manyetik alan
Alt kritik manyetik alan
Üst kritik manyetik alan
G-L Ginzburg-Landau parametresi
HTS Yüksek Sıcaklık Süperiletkenleri
WD Warm Dielektrik
CD Cold Dielektrik
EPRI Electric Power Research Institute
DOE Department of Energy
SQUID Süperiletken Kuantum Girişim Aygıtları
MR Manyetik Rezonans
MRG Magnetik Rezonans Görüntüleme
MRS Magnetik Rezonans Spektroskopi
SMES Manyetik Enerji Depolama



1. GİRİŞ
Direncin bir anlamı, iletken üzerinden bir akım geçirmek için iletkene bir gerilim uygulama gerekliliği, bunun doğrudan sonucu olan diğer bir anlamı da geçen akımın iletkeni ısıtmasıdır. Direnç ne kadar büyükse, uygulanması gereken gerilim ve kaybolan enerji de o kadar büyük olur. Fakat bazı iletkenlerde malzeme, kritik sıcaklık denilen bir sıcaklığın altına kadar soğutulduğunda, akımı taşıyan elektronlar enerjilerini ısıya çevirme yeteneklerini kaybederler ve direnç sıfıra düşer. Bu durumda herhangi bir gerilim uygulamadan ve enerji kaybetmeden bir akım yaratmak mümkün hale gelir. İdeal metalik bir yapıda madde kritik sıcaklığın altına soğutulduğunda, fonon etkisi ortadan kalkar ve elektronlar yapı içerisinde örgü ile hiçbir etkileşmeye girmeden kolaylıkla hareket ederler. Bu durumda yapının direnci kritik sıcaklığın altında aniden sıfıra düşer. Kritik sıcaklığın altında direnci sıfıra düşen bu malzemeye süperiletken denir. Özetle süperiletken, bazı element ve alaşımları belirli bir sıcaklık altına soğutulduklarında akımı, dirençle karşılaşmadan geçirerek elektriksel iletkenlikleri sonsuz olurken, başka bir özellik olarak da içlerindeki manyetik akıyı mükemmel bir diamanyetik özelliği göstererek dışarı iten maddelerdir.
Kritik sıcaklıkta, malzemenin normal bir metalden bir süperiletkene dönüşmesi, buzun erimesi ya da suyun buharlaşması gibi bir faz değişimidir. Fakat malzemenin geçirdiği değişim sadece elektronların küçük bir kısmının farklı bir kuantum durumuna geçmesi sonucu olduğundan, malzemenin diğer özelliklerinde bir fark gözlenmez. Üstelik bilinen birçok süperiletkende direnç kritik noktada birden sıfıra düşer. Süperiletkenlikle ilgili var olan teorik çalışmaların anlaşılması son derece zor ve henüz açıklanmamış bilgilerle doludur. Süperiletkenler, elektriksel iletimi herhangi bir dirence maruz kalmadan taşıma kabiliyetine sahiplerdir. Sıradan bir iletken üzerinden akım geçtiği zaman, bir enerji kaybı meydana gelecektir. Örneğin, elektrik ampulünde veya elektrikli bir ısıtıcıda, elektriksel dirençten kaynaklanan ısı ve ışık meydana gelmektedir. Bakır, alüminyum ve benzer metallerde elektrik, dış yörünge elektronlarının başka bir enerji seviyesine geçmeleri sonucunda iletilmektedir. Elektronlar labirent benzeri örgü içerisinde harekete başlayarak ve örgü içerisinde bulunan safsızlıklar ve kusurlarla çarpışacaktır. Elektronlar bu engellerle çarpıştıkları zaman yönleri rasgele değişecek ve enerjilerini kaybederek ısı enerjisi açığa çıkmasına neden olacaklardır (Şekil 1.1).
Şekil 1. 1. Kristal örgü içerisinde elektronların hareketi

Süperiletken içerisindeki elektronların davranışı ise oldukça farklıdır. Bu yapı içerisinde de safsızlıklar ve örgü kusurları bulunmaktadır. Fakat iletken içerisindeki süperiletken elektronlar karışık örgü içerisinde herhangi bir engele maruz kalmadan hareket eder. Çünkü herhangi bir şeyle çarpışmayacaklar, herhangi bir sürtünme meydana gelmeyecek ve bunu sonucunda akım ve enerji, hiçbir kayba uğramadan iletilecektir.
Süperiletken malzeme içerisinde hareket eden elektronların neden herhangi bir engelle karşılaşmadıkları sorusu bilim adamlarını yıllarca meşgul etmiştir. Bir madde ısıtıldığında örgü titreşimleri artarken, soğutulduğunda ise bu titreşimler azalır. Önceki araştırmacılar, madde içerisindeki atomik titreşimlerin, örgü içerisinde elektronların daha kolay geçmesine yardımcı olduklarına inanıyorlardı. Fakat bu durum sıcaklık arttığında direncin düşeceğinin bir göstergesiydi. Bu ve buna benzer fikirler süperiletkenliğin açıklanmasında yeterli olmamıştır. Süperiletkenlik durumu kolayca açıklanamayacak kadar karmaşıktır. 1911’de Heike Kammerling Onnes katı civanın Tc kritik sıcaklık denilen belirli bir sıcaklığın altında soğutulduğunda elektriksel direncinin ölçülemeyecek kadar küçük bir değere düştüğünü bulmuştur. Sıcaklık Tc=4.2 K’ nin altına düşerken, cıva normal durumdan süperiletken bir duruma geçer. O zamandan beri 30 K’ e kadar yüksek kritik sıcaklıkların altında diğer birçok element, bileşikler ve alaşımlar süperiletken olarak bilinmektedir. Fakat bütün maddeler süperiletken değildir. Şekil 1. 2 de süperiletken kalay ve süperiletken olmayan gümüş için çok düşük sıcaklıklarda özdirencin sıcaklıkla değişimini göstermektedir. Bir süperiletkende akım, ölçülebilir bir azalma olmaksızın senelerce öyle akabilir. Şekil 1.2. Normal bir metalin mutlak sıcaklıkta sonlu özdirenç eğrisi ve bir süperiletken için kritik Tc sıcaklıkta sıfıra düşüşü gösteren, T sıcaklığına göre özdirencinin grafiği.







2. SÜPERİLETKENLER
2.1. SÜPERİLETKENLİĞİN TARİHSEL SÜRECİ
Süperiletkenlik ile ilgili yapılan ilk çalışmalar 1908 yılında H. Kamerling Onnes’in Leiden’de helyumu sıvılaştırması ile başlamıştır. Onnes yaptığı çalışmalar sonucunda 1911 yılında 4.15 K’de civanın özdirencinin sıfıra düştüğünü bulmuştur. Uygulanan yüksek magnetik alanla süperiletken haldeki numunelerin, normal hale döndüğü görüldü. Böylece süperiletken metallerin magnetik davranış gösterdikleri keşfedildi. Bu keşiften sonra süperiletkenlik üzerine yoğun çalışmalar başlatıldı. Bu çalışmalar sonucunda 1913 yılında Kurşunun(Pb) 7.2 K’de (Onnes, 1911) ve 1930 yılında da Niyobyumun(Nb) 9.2 K’de (Chapnik, 1930) süperiletken davranış gösterdikleri keşfedildi. Süperiletken keşfinden 25 yıl sonra Walter Meissner ve Robert Ochsenfeld (Meissner, 1933) tarafından süperiletkenlerin magnetik alanı sevmedikleri ortaya çıkarıldı. Kritik sıcaklığın altındaki süperiletken bir malzemeye yüksek olmayan bir alan uygulandığında malzemenin bu magnetik alanı dışarladığını gözlemlemişlerdir. Böylece süperiletkenlerin, zengin magnetik uygulamalar için yolu açılmış oluyordu. Bunlardan en önemlisi enerji harcamayan güçlü mıknatıslardır.
Süperiletkenlik üzerine ilk gerçek yaklaşımlar, 1957 yılında üç Amerikalı bilim adamı John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer tarafından öne sürülen ve BCS teorisi olarak da anılan çalışmada ileri sürülmüştür. BCS teorisi mutlak sıfır civarındaki süperiletkenliği açıklamaya yöneliktir. Cooper, atomik örgü titreşimlerinin doğrudan bütün elektronları birleştirmekten sorumlu olduğunu fark etmiştir. Bu titreşimler, elektronların takım halinde çiftlenmesine neden olur ve kristal örgü içerisindeki engellerle herhangi bir temasa girmeden aralarından geçmelerini sağlar. Bu elektronların oluşturduğu takımlara Cooper çiftleri adı verilmektedir. Cooper ve arkadaşları normalde bir elektronun diğer elektronu itmesi gerektiğini ve süperiletken içerisinde ezici bir çekiciliğinin olması gerektiğini düşünüyorlardı. Bu ikilemin çözümü fononlarda bulundu. Teorilerine göre, süperiletken örgü içerisindeki pozitif yüklenmiş bir bölgeden bir negatif yüklü elektron geçtiğinde örgüde bir büzüşme meydan geliyordu. Elektron bu bölgeden çıkmadan ve örgü eski pozisyonuna gelmeden önce, bu bölgeden geçen ikinci bir elektronun diğer elektron tarafından itilmesi beklenirken, bu pozitif etkileşmeden dolayı birbirlerine bağlanmışlardır.
1962 yılında Cambridge üniversitesinden Brian D. Josepson iki süperiletken arasına sıkıştırılmış ince bir normal metal tabakasının içinden kararlı akımların geçebileceğini öne sürmüştür. Kısa zamanda doğrulanan bu görüş süperiletkenlerin elektronik uygulamalarında kullanılmaları yolu açılmıştır.
1986 yılında Alex Müller ve Georg Bednorz bir lantan, baryum ve bakır oksit seramiğinin 30 Kelvin’de süperiletkenliğe geçtiğini göstermişlerdir.1987 yılında ise, en hızlı gelen fizik Nobel ödülünü almaya hak kazanmışlardır.
1987 yılında Wu ve grubu lantan yerine yitriyum kullanıldığında kritik sıcaklığın 92 Kelvin’e çıktığını görmüşlerdir. Böylece ilk defa 77 Kelvin’de olan azotun kaynama sıcaklığı aşılmış oldu. Helyum yerine azotla çalışan soğutucularla süperiletkenler üzerinde çalışmak ve teknolojik uygulamalarını örmek oldu.
1991 yılında A. F. Hebard ve grubu tarafından K 3C60’nin 18 Kelvin’de süperiletken olduğu bulundu.
1995 yılında kritik sıcaklığın 138 Kelvin olduğu Hg0.8Ti0.2Ba2Ca2Cu3O8..33 seramiği keşfedildi. Bu malzeme normal basınç altında o zamana kadar bilinen en yüksek kritik sıcaklık rekoruna sahipti.
2001 yılında Jun Akimitsu ve ekibi tarafından MgB2’nin 39 Kelvin’de süperiletkenliğe geçtiği gösterildi.

2.2. MÜKEMMEL DİYAMANYETİZMA VE MEİSSNER ETKİSİ
Süperiletkenler kendine has belli birtakım elektrik ve manyetik özellikler taşırlar. Süperiletken kelime manası olarak sıfır direnç biçiminde algılansa bile, bir süperiletken yalnızca mükemmel iletken olarak davranmaz. Mükemmel bir iletkende sanal olarak kapalı bir tol boyunca iç direnç sıfırdır, bu nedenle bu yol içinde kapatılmış manyetik akının miktarı değişmemesi gerekir. Bu durum ancak böyle bir sanal devre için geçerlidir. Bu yalnızca mükemmel bir iletkenin her noktasındaki akı değişmez ise geçerlidir; yani dB/dt=0 dır.


Şekil 2.1. (a) Mükemmel bir iletkene soğutmadan önce alan uygulanıyor. Numune Tc’ nin altına kadar soğutulduktan sonra alan kaldırılıyor. Bu durumda numune içerisinde belli bir miktar akı tuzaklanır ve numune içerisinde dB/dt=0’ dır. (b) Metal bir süperiletkende akı daima dışarlanır; yani numune içerisinde daima B=0’ dır. ( Meissner etkisi)
Eğer oda sıcaklığında ve sıfır manyetik alanda bulunan mükemmel bir iletken çok düşük sıcaklıklara kadar soğutulursa ve daha sonra manyetik alan uygulanırsa, manyetik akı numuneye nüfuz edemez yani numunenin içinde akının değeri sıfırdır.
1933’ te, Meissner ve Ochsenfeld manyetik alan altında Tc’ nin altına kadar soğutulmuş metal süperiletkenlerin akı dağılımlarını ölçtüler. Beklemedikleri bir şekilde, süperiletken durumdaki bir metal asla içerisine manyetik alanın girmesine müsaade etmemektedir ve B=0 bağıntısı her zaman geçerli olmaktadır.


Şekil 2.2. Manyetik alan içerisine konan sonsuz uzunlukta dilim (a) ve silindir (b) süperiletkenlerin dış bölgelerinde alan deseni. Sonsuz uzunlukta dilim için N, demanyetizasyon faktörü hemen hemen sıfırdır. Enine alanda silindir için N=1/2’ dir.
Meissner etkisi olarak isimlendirilen bu özellik, süperiletkenleri mükemmel iletkenlere özdeş tutarak açıklanamaz. Mükemmel bir iletkenin tersine bir süperiletkenin manyetik davranışı Şekil 2.2. (b)’ de gösterilmektedir.
Meissner etkisi süperiletkenliğin çok önemli bir karakteristiğidir. Süperiletkenin serbest enerjiyle bağlantısının sonuçları arasında şu durumlar vardır:
i. Süperiletken durum normal durumdan daha düzenlidir.
ii. Katıdaki elektronların sadece çok küçük bir kısmı süperiletkenliğe katılır.
iii. Geçiş fazı, uygulanan herhangi bir manyetik alan olmadığında geçişin gizli sıcaklığının olmadığı ikinci bir düzen halidir.
iv. Süperiletken bir enerji aralığını geçerken uyarılmalara sebep olur.
Bunların, süperiletkenliğin doğasının temelini anlamak için önemli ipuçları oldukları kanıtlanmıştır.

2.3. KRİTİK SICAKLIK
Bir kısım element, alaşım ve bileşiklerin direnç ve manyetik ölçümlerindeki ani değişimlere karşılık gelen sıcaklık kritik sıcaklık olup süperiletkenlikle ilgili temel özelliklerden biridir.
Süperiletken malzeme bu sıcaklık değerinin altına kadar soğutulduğunda malzemede direncin birdenbire sıfıra gittiği (Şekil 2.3) ve malzemenin tam bir diamagnet durumuna geçerek uygulanan manyetik alanı dışarladığı görülür. Bu nedenle kritik sıcaklık direnç ölçümlerinden veya manyetik duygunluk ölçümlerinden belirlenebilmektedir.

Şekil 2. 3. Süperiletken ve süperiletken olmayan iki malzeme için direncin sıcaklıkla değişimi.

2.4. KRİTİK MANYETİK ALAN
Süperiletken geçişleri en az kritik sıcaklık kadar belirleyen bir başka temel özellik de kritik manyetik alandır. Nasıl ki bir süperiletken kritik sıcaklığın üzerinde normal direnç, altında sıfır direnç gösteriyorsa bir süperiletken için kritik manyetik alan da öyledir. Süperiletken durumda malzemeye bir dış manyetik alan uygulandığında, alanın belirli bir değerine kadar malzeme süperiletkenliğini korurken yeteri kadar güçlü bir manyetik alan süperiletkenliği yok edebilir ve normal direnç tekrar ortaya çıkabilir. Süperiletkenliği bozan ve sıcaklığın bir fonksiyonu olan bu alan kritik manyetik alan(Hc) olarak tanımlanır. Bir süperiletken için kritik alanın sıcaklığın fonksiyonu olarak değişimi Şekil 2.4.’de görülmektedir. Kritik manyetik alanın sıcaklık bağımlılığı

Hc = Hc(0) [1- (T/Tc)2]

ile verilmektedir.
Kritik manyetik alan sıcaklık kadar maddendin cinsine de bağlıdır. Süperiletken malzemelerin teknolojinin her alanında ekonomik olarak uygulanabilmesi için öncelikle kritik sıcaklık ve alanı büyük değerlere taşımak gerekmektedir.


Şekil 2. 4. Kritik manyetik alanın sıcaklıkla değişimi

2.5. SIFIR DİRENÇ ÖZELLİĞİ
Yukarıda belirtildiği gibi süperiletken durumun belirlenmesinde kullanılan en temel özellik sıfır direnç özelliğidir. Süperiletkenlerin sıfır direnç durumu direncin sıcaklığa karşı ölçümü ile belirlenebilmektedir. Metallerde direnç, elektronların; fononlar, safsızlıklar ve kristal kusurlarından saçılmaları ile oluşmaktadır. Mükemmel saf metallerde direnç sadece sıcaklığa kuvvetli bağımlılık gösteren fononların elektronları saçmasından kaynaklanmaktadır. Bu nedenle saf metallerde sıcaklık 0 K’ e giderken direnç de sıfıra gidecektir. Ancak herhangi bir metalin daima safsızlıklara sahip olması nedeniyle elektronlar sıcaklıktan bağımsız olarak saçılacaklardır ve 0 K’ de dahi bir direnç göstereceklerdir. Ancak süperiletken bir malzemede sıcaklığın düşmesiyle, direnci sürekli olarak azalır ve kritik sıcaklığa gelindiğinde direnç aniden sıfıra gider. Süperiletkenlik durumunda, doğru akım için elektriksel direnç sıfırdır, yani, süperiletken durumda akımda herhangi bir kayıp yoktur. Bundan dolayı süperiletken halkada bir akım çok uzun süre kayıpsız akabilir. Yüksek sıcaklık süperiletkenleri tanecikli yapıya sahip olduklarından sıfır direnç ancak bu tanecikler arasındaki bağlantı sağlandığı zaman geçerli olmaktadır. Öyleyse direnç numunenin tanelenmesine ve bu taneler arası bağlantıların kurulmasına bağlıdır denilebilir. Süperiletkenliğe geçiş sıcaklığı, ∆Tc şeklinde bir sıcaklık aralığına sahiptir (Şekil 2.5). ∆Tc, malzeme direncinin düşmeye başladığı sıcaklık ile direncin sıfır olduğu sıcaklık arasındaki farktır. Artan safsızlık miktarı ile genişleme gösteren ve geçiş bölgesi olarak adlandırılan bu bölge, kritik sıcaklığın belirlenmesini zorlaştırmaktadır. ∆Tc farkı süperiletken numunenin kalitesini tanımlar. Aralığın dar olması numunenin saf, kaliteli, homojen ve tek kristal yapıda olduğunu gösterirken; aralığın geniş olması ise numunenin saf olmadığını gösterir.

Şekil 2.5. Süperiletkenliğe geçişte kritik sıcaklığın belirlenmesi (Yatay sütun sıcaklık, düşey sütun yoğunluk değerlerini göstermektedir.)

Direnç ve manyetik duygunluk ölçümlerinin birbirlerine göre üstün oldukları yönler bulunmaktadır. Direnç ölçümleri daha kolay olduğundan araştırmacılar tarafından tercih edilmektedir. Tanecikli yapılarda manyetik alan tanecikler arası bağlantıları koparabildiğinden genelde direnç ölçümleri duygunluk ölçümlerine göre daha yüksek kritik sıcaklıklar ve daha keskin geçişler göstermektedir. Buna karşın duygunluk ölçümleri süperiletken maddenin manyetik davranışını açıkladığı gibi manyetizasyonun termodinamik bir durum değişkeni olması sebebiyle, süperiletken durumun termodinamik davranışı hakkında bilgi verebilmektedir. Duygunluk ölçümleri aynı zamanda madde içerisindeki süperiletken fazın oranı hakkında da bilgi verebilmektedir. Ayrıca eğer numune gözenekli ise özdirenç ölçümlerinin tanecikler arasındaki problemler ve boşlukların varlığından dolayı istenilen şekilde yapılamadığı da unutulmamalıdır. İdeal bir homojen süperiletken maddede her iki ölçüm de aynı geçiş sıcaklığını verir.
2.6. İZOTOP ETKİSİ
Teorik çalışması Fröhlich tarafından yapılan ve 1950’lerde Maxwell ve Reynolds tarafından keşfedilen izotop etkisi, doğru bir süperiletken teorisi geliştirme yolunda çok önemli bir adım olmuştur.
Civanın farklı izotopları üzerindeki bir çalışma, kritik sıcaklık ve izotop kütleleri arasında bir bağıntının varlığını ortaya koymuştur. Civanın atomik kütlesi 199.5 ten 203.4’e değiştiğinde Tc = 4.18’den 4.14 K’ e inmiştir. Buradan da herhangi bir element için Tc.M1/2 = sabit olduğu sonucuna ulaşılmıştır.
İzotop kütlesi kristal örgünün bir karakteristiği olduğu için örgünün özelliklerini etkileyebilmektedir. Çünkü her izotop farklı elektron düzenine yani farklı bir örgü yapısına sahiptir. Elektron sisteminden kaynaklanan süperiletkenliğin de izotop kütlesine yani örgü durumuna bağlılığın gösterilebilmiş olması bizi süperiletkenliğin elektronlarla örgü arasındaki etkileşmeden kaynaklandığı sonucuna götürür.
Fröhlich, elektron-fonon (örgü titreşimi) etkileşmesinin iki elektronu çiftlendirebileceğini ve böylece elektronların sanki aralarında doğrudan bir etkileşme varmış gibi davranabileceklerini öne sürmüştür. Fröhlich, süperiletkenliğe yol açan etkileşmede fononların rol oynadığı fikrini; izotop etkisi deneysel olarak keşfedilmeden önce öngörmüştür.
Elektron-fonon etkileşmesinin süperiletkenliğe yol açması gerçeği, süperiletkenlerin normal durumda niçin kötü birer iletken olduklarını da açıklar. Güçlü elektron-fonon etkileşmesine sahip olanlar oda sıcaklığında kötü iletkendir. Oysa zayıf elektron-fonon etkileşmesine sahip olan soymetaller oda sıcaklığında çok iyi iletken olmalarına rağmen çok düşük sıcaklıklarda süperiletken hale geçemezler.


2.7. I. TİP VE II. TİP SÜPERİLETKENLER
Süperiletken malzemeler uygulanan manyetik alandaki davranışlarına göre iki sınıfa ayrılırlar (Şekil 2.6). Saf metaller genellikle I. tip süperiletken özellik gösterirken, alaşımlar ve geçiş metalleri II. tip süperiletken özellik gösterirler. I. tip ve II. tip metalik süperiletkenlerdeki süperiletkenlik mekanizmasında farklılık yoktur. Her ikisi de sıfır manyetik alanda süperiletken-normal geçişinde benzer özelliklere sahiptir. Fakat Meissner etkisi tamamen farklıdır. I. tip süperiletkenlerde manyetik alanın dışlanması indüksiyon ile oluşan yüzey akımlarından kaynaklanmaktadır. Bu süperiletkenler uygulanan manyetik alanı dışarıda tutar, ancak kritik manyetik alan değerinde manyetik alanın tümü içeriye girer ve malzeme normal hale geçer. Yine benzer şekilde I. tip süperiletkenlerde kritik manyetik alan değerine kadar mıknatıslık negatif yönde hemen hemen lineer olarak artar, ancak kritik manyetik alan değerinde keskin bir şekilde düşerek ölçülemeyecek kadar küçük değerlere gider ve neredeyse sıfır olur.
I. tip süperiletkenlerde normal-süperiletken geçişler keskindir ve ayrıca I. tip süperiletkenlerin kritik manyetik alan değerleri Hc çok düşük olduğundan süperiletken mıknatıs yapımında kullanışlı değillerdir.
II. tip süperiletkenler Hc1 kritik manyetik alan değerine kadar I. tip süperiletkenlerin özelliğini gösterirler yani Hc1 değerine kadar alanı dışarıda tutar ve negatif yönde mıknatıslanırlar (Meissner durumu). Bu kritik manyetik alan değerine alt kritik manyetik alan denir. Bu değerin üstünde uygulanan alanlarda alanın bir kısmı dışlanmakta ve bir kısmı da malzemeye nüfuz edebilmektedir. Bu durumda dahi malzeme süperiletkenliğini sürdürmeye devam etmektedir. Ancak manyetik alan Hc2 olarak ifade edilen üst kritik manyetik alan değerine ulaştığında alan tümüyle malzemeye girer ve süperiletkenlik yok olur. II. tip süperiletkenler düşük Hc1 ve yüksek Hc2 değerlerine sahiplerdir.
Hc1 ile Hc2 değerleri arasında uygulanan alanlarda ise, madde ‘karışık durumda’ olarak tanımlanmıştır. Bu durumda manyetik alan süperiletken malzemeye akı çizgileri ve akı tüpleri şeklinde girer. Süperiletken bölgeler tarafından sarılmış çok sayıdaki küçük silindirik normal bölgeler formundaki bu akı çizgileri vorteks olarak adlandırılır. Manyetik alanın artışı ile vorteksler sayıca artar ve bu artışla beraber vorteksler birleşip büyüyerek malzemeyi normal hale geçirirler. Karışık durumda malzeme süperiletken-normal-süperiletken-normal bölgeler şeklinde yapılaşmakta ve manyetik alan normal bölgelere tamamen, süperiletken içerisinde ise belirli bir derinliğe (λ) kadar azalan şiddette girebilmektedir. Normal ve süperiletken bölgeler arasında kimyasal ve kristallografik açıdan bir fark bulunmamaktadır. Ana eksen boyunca akı çizgileri uygulanan alana paraleldir ve bu manyetik alan vorteksler etrafında bir dolanım akımı oluşturur. Bu akım dolanımı normal durumu süperiletkenlerden ayırır. Ancak bu takım bilinen geçiş akımı olmayıp ideal diamanyetizmaya neden olan I. tip süperiletkenlerdeki perdeleme akımlarıdır. Vortekslerin etrafındaki akım dolanımı her bir vorteksin ince bir magnet gibi davranmasına yol açar ve böylelikle II. tip süperiletkenlerden bir akım geçirildiğinde bu akımın etkisiyle vortekslere Lorentz kuvveti etkileyecek ve vorteksler bu kuvvetin etkisi ile hareket edeceklerdir. Vortekslerin bu hareketi devreden enerji çeken ve dolayısıyla direnç etkisi yapan akıma paralel bir elektrik alan indükleyecektir.
? I. ve II. tip süperiletkenler arasındaki önemli bir farklılık da, normal durumda iletim elektronlarının ortalama serbest yollarının farklı olmasıdır. Çünkü ortalama serbest yolun büyüklüğü süperiletken tipinin belirlenmesinde kullanılan girme derinliği ve eşuyum uzunluğunu belirlemektir. I. tip süperiletkenler için eşuyum uzunluğu girme derinliğinden büyüktür ki bu durum süperiletken-normal geçişte pozitif ara yüzey enerjisine neden olur. II. tip süperiletkenlerde ise durum I. tip süperiletkenlerinkinin tam tersi şeklinde olup, girme derinliği eşuyum uzunluğundan daha büyüktür ve bu durum süperiletkende girdaplara ve süperiletken-normal geçişinde negatif ara yüzey enerjisine neden olur. Yüksek kritik manyetik alan değerine sahip olduklarından dolayı II. tip süperiletkenler mıknatıs yapımında kullanılmaktadır ve bu nedenle teknolojik uygulamalarda önemli bir yere sahiptir.



Şekil 2.6. Süperiletkenler uygulanan alana karşı göstermiş oldukları manyetik davranışlarında dolayı I. ve II. tip süperiletkenler olmak üzere iki grup altında incelenmektedir.

2.8. AKI KUANTUMLANMASI
Akı kuantumlanması 1950 yılında Fritz London tarafından öngörülmüştür. 1950’ li yıllara kadar kuantumlanmanın sadece mikroskobik olduğu düşünülürken London süperiletkenliğin temelde bir kuantum olduğunu göz önüne alarak kuantumlanmanın makroskobik olduğu varsayımını getirmiştir. Kuantumlanmanın makroskobik ölçekte olduğunun varsayımını veya beklentisini bir süperiletkendeki elektron sisteminin ileri düzeyde korelasyonlu oluşu getirmiştir. Çünkü süperiletkendeki her elektron çiftinin hareketi diğerlerinin hareketine bağlanmıştır. Metal bir halkada kalıcı bir süperiletken akımın dolaştığını düşünelim, bu akımın davranışı bir atomun orbitalindeki bir elektronun hareketine benzemektedir. Kuantum teorisine göre böyle bir elektronun durumunu tanımlayan nicelikler kesikli değerler alır (kuantum kümesi n, l, m). Atomda doğrudan gözlemleyemediğimiz bu mikroskobik kuantumlanma olayı ile karşılaşırken süperiletkenlerde makroskobik bir nicelik olan elektrik akımının kuantumlandığını görmekteyiz. Böylece süperiletken bir halkadaki akımın sürekli değerler almayacağı yani kesikli olduğu gösterilmiştir.
Elektrik akımı gibi magnetik akı da kesikli değerler alabilmektedir. Sonuçta süperiletken halkadan geçen magnetik akı Φ = B.A kuantumlanmıştır. Yani, Φo temel akı kuantumu ve n tamsayı olmak üzere halkan geçen manyetik akı

Φ = n.Φo

olmaktadır. Φo = hc/2e olarak bulunmuştur ve London Φo’a fluksoid adını vermiştir. London yaptığı çalışmalar sırasında süperiletkenlik teorisi henüz ortaya çıkmadığı yani elektron çiftlenmesi bilinmediği için yukarıdaki Φo değerinin iki katı büyüklüğünde bir değer elde etmişti (Φo = hc/e).
Fononlar tarafında uygulanan kuvvet, elektronlar arası itici kuvvetin üstesinden gelerek elektronların belli mesafede belli bir sürede bir arada kalmalarını sağlar ve kristal yapı içerisinde elektronlar herhangi bir engele takılmadan ilerlerler. Fononlar tarafından oluşturulan bu elektron çifti belli bir mesafeden sonra ayrılırlar. Elektronlardan herhangi bir Cooper çifti oluşturulacağı ve kristal örgü içerisinde kendisine en yakın iyonun yanından geçeceği zaman, negatif elektron ve pozitif iyon arasındaki çekim etkisi iyondan iyona geçen bir titreşime neden olacak ve bunun sonucunda Cooper çiftini oluşturacak diğer elektronu bu bölgeye çekecektir. Burada gerçekleşen olay elektron tarafından yayılan fononun, diğer elektron tarafından soğurulmasıdır (Şekil 2.7). Bu değiş tokuş, Cooper çiftlerini oluşturan elektronların bir arada bulunmasını sağlar. Dikkat edilmesi gereken diğer bir önemli nokta ise, elektron çiftlerinin oluşması, birlikte hareket etmeleri, ayrılmaları ve başka elektronlarla başka Cooper çiftlerini oluşturmak için bir araya gelmeleri Şekil 2.7. Örgü içerisinde elektronların Cooper çifti oluşturması

2.9. SÜPERİLETKENLER VE GEÇİŞ SICAKLIKLARI
Vanadyum, teknetyum ve niyobyum elementleri haricinde, ikinci tip süperiletkenlerin tamamı metalik bileşikler ve alaşımlardır. İkinci tip süperiletkenlere giren perovskit yapıların keşfedilmesi çok uzun olmamıştır. İkinci tip süperiletkenlerde çok yüksek Tc değerlerine ulaşılmakla beraber bu mekanizmanın teorisi tam olarak açıklanamamıştır. Birçok araştırmacı, kristal yapı içerisinde meydana gelen düzlemsel tabakalarla bunun sebebini açıklamaya çalışmışlardır. Buna rağmen, son zamanlarda yapılan araştırma sonuçlarına göre, yük birikimi içerisindeki çok yüklenmiş oksijenlerden dolayı meydana gelen boşlukların bu mekanizmadan sorumlu oldukları belirtilmiştir. Süperiletken bakır-oksit tabakalar, 1986 yılına kadar ulaşılan en yüksek değer olan 23 K’e göre oldukça yüksek Tc değerlerine sahiptirler. Bugüne kadar herhangi bir basınç uygulamadan çıkılan en yüksek sıcaklık 166 K’ dir. Bazı araştırmacılara göre, süperiletkenlikte ulaşılacak en yüksek sıcaklığın 200 K olduğu söylense de, bazılarına göre bu çalışmalar için herhangi bir sınırlama yapmak yanlış olacaktır.
Sıkı süperiletken olarak da adlandırılan II. tip süperiletkenler, sıcaklıklarından ve karışık durum davranışlarından dolayı I. tip süperiletkenlerden farklılıklar gösterirler. II. tip süperiletkenler uygulanan bir dış magnetik alanda, alan çizgilerinin yüzeyden içeri girmelerine izin verirler. I. tip süperiletkenlerde Meissner olayından ötürü bu olay meydana gelmemektedir.
Tablo 2. 1. Süperiletken elementlerin ve bileşiklerin kritik sıcaklık değerleri.





Tablo 2. 2. I. tip süperiletkenler için kritik manyetik alan değerleri.


Tablo 2. 3. II. tip süperiletkenler için kritik manyetik alan değerleri.



2.10. BCS TEORİSİ
1957 yılında Bardeen, Cooper ve Schriffer tarafından ortaya atılan mikroskobik teori, süperiletkenlerin değişik özelliklerinin anlaşılmasında başarılı olmuştur.
BCS Teorisine göre süperiletken, iletim bandındaki elektronların Cooper çiftleri meydana getirmeleri ile farklı bir kuantum durumu oluşması olarak tanımlanır. Zıt momentum ve spine sahip elektronlar çekici bir elektron-fının etkileşmesi ile bağlanarak Cooper çiftleri oluştururlar.


Şekil 2.8. Fermi yüzeyindeki yüksek hızı ile hareket eden elektronların örgü içerisindeki durumu

Elektronlar örgü içerisinden hızı ile hareket ederler ve bu sırada pozitif iyonlar elektronlara doğru yönelirler. Kristal örgü eski konumuna dönmeye fırsat bulamadan ikinci elektron geçer ve böylece elektronlar arasında bir çekici etkileşme meydana gelir. Cooper çiftinin oluşma sebebi elektron-örgü-elektron etkileşmesidir.
Bir Cooper çifti, eşit fakat zıt momentumlara ( ve - olmak üzere) sahip iki elektrondan oluşmaktadır. Dolayısıyla, bir süperiletkende bir üstünakım olmaması halinde, Cooper çifti toplam momentumu ve spini sıfır olan bir sistem oluşturur.

Şekil 2.9. Aralarındaki uzaklık olan bir Cooper çiftinin şematik diyagramı. Sağa hareket eden elektronun momentumu , sola hareket edeninki ise - dir.

Cooper çiftlerinin spini sıfır olduğundan bozonlar gibi davranırlar ve hepsi aynı kuantum durumunda bulunabilir. Bu spinli fermiyonlar olan elektronların durumunun tersidir. Fermiyolar, Pauli dışarlama ilkesine uyarlar, yani aynı momentum ve spin durumunda nacak elektron bulunabilir. BCS Teorisinde taban durum, tüm elektronlar bağlı çiftler oluşturacak şekilde kurulur. Sonuç olarak, tüm çiftler sıfır momentumlu aynı kuantum durumuna kilitlenmişlerdir. Cooper çiftleri
sıfır spine, dolayısıyla sıfır açısal momentuma sahip olduklarından; bunların dalga fonksiyonlarının küresel simetriye sahip oldukları göz önüne alınmalıdır. Yani bunlar hidrojen atomunun s-durumları gibidirler. Yarı-klasik anlamda bunlar her zaman merkezi çarpışmaya uğrarlar, başka bir deyişle hep birbirlerinin civarında kalarak hareket ederler. İki elektron bağlı olduklarından, bunlar yörüngelerini değiştirerek aralarındaki uzaklığı kısa, yani eşuyum mertebesi uzaklığında tutarlar.
Etkileşmesiz elektronların Fermi gazında taban durumu en düşük dolu yörüngelerin oluşturduğu Fermi denizidir. Bu durum istenildiği kadar küçük enerjili uyarılmalara izin verir. Örneğin, Fermi düzeyindeki bir elektronu hemen üstteki boş yörüngeye uyarabilirsiniz. BCS Teorisine göre, elektronlar arasında uygun bir çekici etkileşme varsa yeni taban durumu süperiletken olur ve en düşük uyarılmış durumla arasında sonlu bir enerji aralığı oluşur.
Bir süperiletkenin 0 K’deki enerji aralığı eV) mertebesindedir. Bu yaklaşık 1 eV olan yarıiletken enerji aralığı ve 5 eV mertebesindeki metal Fermi enerjisine kıyasla çok küçüktür. Bir süperiletkenin enerji aralığı, Cooper çiftlerinden birinin kırılması için gereken enerji aralığını temsil eder. BCS Teorisi, enerji aralığının kritik sıcaklığa T=0 K’de

Şeklinde bağlı olduğunu belirtmektedir. Dolayısıyla, büyük enerji aralığına sahip olan süperiletkenler, daha yüksek kritik sıcaklığa sahiptirler.
BCS teorisinin ana hatlarını şöyle sıralayabiliriz;
1) Elektronlar arasındaki çekici bir etkileşme, uyarılmış durumlardan bir aralık enerjisi ile ayrılmış bir taban durumuna yol açar. Kritik alan, ısısal özellikler ve elektromanyetik özelliklerin büyük bir bölümü bu enerji aralığının birer sonucudurlar (Bazı özel durumlarda; enerji aralığı olmadan da süperiletkenlik oluşabilir).
2) Elektron-örgü-elektron etkileşmesi gözlenen büyüklükte bir enerji aralığına yol açar. Bu dolaylı etkileşme bir elektronun örgüyle etkileşip onu deforme etmesi ve ikinci bir elektronun bir örgü deformasyonunu görüp enerjisini azaltacak şekilde durumunu yeniden düzenlemesiyle olur. Buna göre, iki elektron örgü deformasyonu aracılığı ile etkileşirler.
3) Nüfus derinliği ve eşuyum uzunluğu BCS teorisinin doğal sonuçları olarak ortaya çıkarlar. London denklemi uzayda yavaş değişen manyetik alanlar için elde edilir. Buna bağlı olarak, süperiletkenliğin en temel olayı olan Meissner etkisi doğal bir şekilde elde edilir.


2.11. YÜKSEK SICAKLIK SÜPERİLETKENLİĞİ
1986 yılından önce ve sonra keşfedilen Cu-O düzlemi içermeyen bütün süperiletkenler konveksiyonel (bilinen) veya düşük sıcaklık süperiletkenleri olarak adlandırılır ve yüksek sıcaklık süperiletkenliği deyimi Tc değerine bakılmaksızın günümüzde sadece Cu-O düzlemi içeren tabakalı yapıya sahip süperiletkenler için kullanılmaktadır. 1986 yılına kadar yapılan süperiletkenlik çalışmalarında kritik sıcaklığın 30 K civarında olduğu bulunmuştur. Ancak 1986 yılından itibaren ard arda bulunan La-Ba-Cu-O, Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O, Tl-Ba-Ca-Cu-O ve Hg-Ba-Ca-Cu-O sistemleri ile bilinen en yüksek kritik sıcaklık, günümüzde Hg-tabanlı süperiletken sistem için 166 K’ e kadar yükseltilmiştir. Bu yüksek sıcaklık süperiletken sistemlerinden görüldüğü gibi yüksek Tc’ li malzemelerin hemen hepsi bakır-oksit tabakası içermektedir. Tüm bakır-oksit tabakalara ait çok önemli bir gözlemde bulunmak mümkündür. Bu bileşkelerdeki bakır-oksit tabakalarının sayısı ile kritik sıcaklık arasında doğrudan bir ilişki olduğu görülmektedir. Bakır-oksit tabakalarının, yapı periyodik olarak kendini tekrarlayıncaya kadar eklenmesi Tc’ yi artırır. CuO ve CuO2 tabakalarındaki bakırın değerliğinin ve kimyasal bağ doğrultusunun rolü araştırılmaktadır. Buna göre, bu karmaşık oksitlere fazladan bakır-oksijen tabakası eklenmesinin, kritik sıcaklığı daha yüksek değerlere çıkarması beklenebilir. Bu sonuçlardan yola çıkan bazı araştırmacılar, Tc için 200 K nin üzerindeki değerlere erişilebileceği beklentisi içerisindedirler.
Süperakımların maksimum değerlerinin, bakır-oksit düzlemlerinde yüksek ve bu düzlemlere dik doğrultuda çok düşük olduğu gerçeği kesin olarak bilinmektedir. Gerçekten de YBa2Cu3O7- ince filmlerindeki bakır-oksijen düzleminde 1010 A/m2’ lik kritik akım yoğunlukları literatürde yayınlanmıştır. Örneğin, çok kristalli yapıdaki YBa2Cu3O7-örneklerinde kritik akım yoğunluğu 105-107 A/m2 arasındadır. Pek çok uygulama için bu değerlerin çok düşük olduğu görülmüştür. Bu malzemelerde içinde akımın çok iyi aktığı tanecikler ve bu tanecik ara yüzeylerinde yalıtkan gibi davranan safsızlar mevuttur. Akım hem taneciklerden, hem de tanecikleri ayıran sınırlardan geçmek zorundadır. Bundan dolayı tanecikler arası akım sadece zayıf bağ davranışı olarak bilinen Josepson olayı ile geçer. Pek çok bilim adamı, bu malzemelerdeki kritik akımı bu etkilerin sınırladığına inanmaktadır.
Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde eşuyum uzunluğu girme derinliğinden çok küçük olduğundan bu materyallerin hemen hepsi II. tip süperiletkenlerdir. Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin alt kritik manyetik alan Hc1 değeri düşük, üst kritik manyetik alan Hc2 değeri çok yüksektir, böylelikle manyetik vortekslerin sabitlenmesi zayıflamakta ve bu durum kritik akım Ic’ yi azaltmaktadır. Yeni oksit süperiletkenlerde fluksoidler için enerji bariyer büyüklüğünün bilinen süperiletkenlerden daha küçük olduğu ve küçük eş uyum uzunluğunun küçük enerji bariyerine neden olduğu belirlenmiştir (Yeshurun ve Malozemoff, 1988). Hemen hemen tamamı izotropik olan düşük sıcaklık süperiletkenlerinin aksine, yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde yüksek uzaysal anizotropi görülmektedir. Anizotropi; kritik alan, kritik akım yoğunluğu, manyetik alanın girme derinliği ve direnç ölçümlerinde kendisini göstermektedir. Bi-tabanlı bileşikler La ve Y tabanlı bileşiklerden daha anizotropiktir, TI bileşikleri ise muhtemelen hepsinden anizotropiktir. Anizotropi, yüksek sıcaklık süperiletkenliği için esas olduğu varsayılan tabakalı kristal yapıdan kaynaklanmaktadır. Yüksek kritik sıcaklıklı yeni materyaller yapmak için araştırmacılar yüksek sıcaklık süperiletkenlerine çeşitleri nadir element iyonları katkıladılar. Bu değişimlerin bazıları Tc’ yi arttırmasına rağmen bazılarının azalttığı bulunmuştur. Düşük sıcaklık süperiletkenleri ile yüksek sıcaklık süperiletkenleri arasındaki önemli bir farklılık da yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin homojen olmamalarıdır. Süperiletken materyaller için serbest gözenek, yüksek yoğunluk, tanecikler arası güçlü bağlantı ve şekillendirilebilir homojen yapı gibi özellikler önemlidir.
2.12. YÜKSEK SICAKLIK SÜPERİLETKENLERİ
Bilim adamları, yıllarca, daha yüksek sıcaklıklarda süperiletkenlik gösteren yeni malzemeleri bulmaya çalıştılar. Yakın zamana kadar, bilinen en yüksek kritik sıcaklığa sahip olan malzeme, Tc’ si 23.2 K olan Nb3Ge alaşımı idi. Değişik teorik beklentilere göre, elektron-örgü etkileşmelerinin önemli olduğu süperiletkenler için maksimum kritik sıcaklığı 30 K civarında idi. 1986’ nın başlarında, Zürich IBM Araştırma Laboratuarında J. George Bednorz ve Karl Alex Müller adlı iki bilim adamı, süperiletkenlik alanında devrim yaratan bir keşifte bulundular. Bu araştırmacılar, lantan, baryum ve bakırın karışık fazda bulunan bir seramiğinin yaklaşık 35 K de süperiletken olduğunu buldular. Bundan sonra diğer laboratuarlarda yapılan çalışmalar, süperiletken fazın, x=0.2 olmak üzere La2xBaxCuO4 olduğu bulunmuştur. Böyle yüksek kritik sıcaklıklar, özellikle metal oksitler için beklenmediğinden, yüksek sıcaklık süperiletkenliğiyle ilgili haberler şüphe ile karşılanmıştır. Kısa bir süre sonra araştırmacılar, baryum yerine stronsiyum koyarak Tc’ nin değerini 36 K’ e yükselttiler. Bu gelişmeden ilham alan dünyanın her tarafındaki bilim adamları, daha yüksek Tc değerlerine sahip malzemeler keşfetmek için neredeyse çılgınca çalışmaya başladılar. Metal oksitlerin süperiletken davranışları üzerinde yapılan çalışmalar müthiş bir hız kazandı. 1986 yılı, yüksek sıcaklık süperiletkenliği üzerine yapılan çalışmaların başlangıcı sayıldı.
1987’ nin başlarında, Alabama ve Houston Üniveristesindeki araştırma grupları; yitriyum, baryum, bakır ve oksijenden oluşan karışık bir fazda 92 K’e yakın
bir sıcaklıkta süperiletkenlik gözlendiği haberini verdiler (Wu ve Ashburn, 1987). Bu
kesif, dünyanın başka yerindeki gruplar tarafından da doğrulanarak, süperiletken fazın YBa2Cu3O7-olduğu belirlenmiştir. Bu bileşiğin geçiş sıcaklığı, kolayca bulunabilen ve bir soğutucu olan sıvı azotun kaynama sıcaklığı olan 77 K’ in üzerindedir. Bu bakımdan bu buluş yüksek sıcaklık süperiletkenliği için bir dönüm noktası olmuştur. Süperiletken cihazların, sıvı azot sıcaklığı, hatta oda sıcaklığında çalışması ihtimalinin ortaya çıkması üzerine, değişik disiplinlerden binlerce bilim adamı, süperiletkenlik üzerine çalışmaların yapıldığı arenaya katılmıştır. Yakın geçmişte, seramik yapıda pek çok kompleks metal oksit incelenmiştir ve krtitik sıcaklık için 100 K’ nin üzerinde değerler gözlendi. Araştırmacılar 1988’ in başlarında Bi-Sr-Ca-Cu-O bileşiği için süperiletkenliğin 120 K’ de, TI-Ba-Ca-Cu-O bileşiği içinse 125 K’ de başladığı haber verildi. Yine Hg-Ba-Ca-Cu-O bileşiği için süperiletkenlik 134 K’ de başlarken basınç uygulaması ile bu değer 166 K’ e ulaşmıştır.
Görülebileceği gibi, yeni yüksek Tc’ li malzemelerin hepsi, şu veya bu şekilde bakır oksittirler. Şu ana kadar incelenen değişik süperiletken bileşikler, perovskit olarak adlandırılan kristal yapılar cincinden sınıflandırılırlar. İlk sınıf BaPb1-xBixO3 gibi kübik perovskitlerdir (a=b=c). Bilindiği gibi bu malzeme ilk yüksek Tc’ li malzemelerden birisi olup geçiş sıcaklığı 10 K’ dir. KNiF4 yapısı olarak bilinen ikinci sınıf ise, tetragonal bozulmaya sahip (a=b≠c) tek tabakalı perovskitlerdir. Buna bir örnek Tc’ si yaklaşık olarak 38 K olan La1.85Sr0.15CuO4 dür. Burada a ile b örgü sabitleri, bakır-oksijen düzleminde ölçülmektedir ve c bu düzleme diktir. Üçüncü sınıf ise ortorombik yapıya sahip(a≠b≠c), YBa7Cu3O7 gibi (Tc≈92 K) çok tabakalı perovskitlerdir. Bu sınıftaki bileşikler, metallerin bağıl oranlarından dolayı, bazen 1-2-3 malzemeleri olarak da adlandırılmaktadır. Bakır-oksit tabakalarının, yapı periyodik olarak kendini tekrarlayıncaya kadar eklenmesi Tc’ yi arttırır.
Bu yeni bakır-oksitlerin sıfır direnç ve diamanyetizma gibi, süperiletkenlerin iki belirgin özelliğine sahip oldukları gerçeği de iyice yerleşmiştir. Buna ek olarak bu malzemelerin aşağıdaki özelliklere de sahip oldukları bilinmektedir.
- Bu malzemeler, üst kritik alanları 100 Tc’ den daha büyük olan II.tip süperiletkenlerdir.
- Bu malzemeler aşırı derecede anizotropiktirler, yani yöne bağımlı özelliklere sahiptirler. Bunun en belirgin delili; direncin, bakır-oksijen düzleminde çok küçük, bu düzleme dik doğrultuda ise çok büyük olmasıdır.
- Bunlar granül (taneciksel) veya seramik yapıdadırlar. Seramik yapıda olmalarından dolayı; esnek olmamak ve kırılgan olmak gibi uygun olmayan mekanik özelliklere sahiptirler.
- Bu malzemelerin süperiletkenlik özellikleri ile kristal yapıları arasında doğrudan bir ilişki olduğu görülmektedir. Bu kristal yapı, oksijen eksiği olan bakır-oksit tabakaları ve zincirleri olan bir yapıdır.
- Band aralıkları, yüksek sıcaklık özdirençleri, kritik akım yoğunlukları, kritik manyetik alanlar ve benzeri özellikleri farklı olmalarına rağmen; hemen hemen tüm 1–2–3 malzemelerinin Tc kritik sıcaklıkları 90 K’ e yakındır.
- Hacimli çok kristalli yapıdaki malzemeler için kritik akım yoğunlukları çok düşüktür. Bu akım, iyi yönlendirilmiş ince filmlerde çok daha yüksektir.



2.13. YÜKSEK SICAKLIK SÜPERİLETKENLİĞİN MEKANİZMASI
Eski kuşak süperiletkenlerin davranışlarının ve özelliklerinin açıklanmasında BCS teorisinin koyduğu çerçeve oldukça başarılı olmuştur. Ancak, belirtilmiştir ki teorik çalışan bilim adamları yeni kuşak metal oksitlerdeki süperiletkenliği anlamak için uğraşmaya devam etmektedirler. Burada tartışılması, teknik bakımdan çok yüksek olan değişik modeller ve mekanizmalar teklif dilmiştir. Ancak ilginçtir ki, bakır-oksit süperiletkenlerle ilgili deneyse gözlemler BCS teorisinin bulguları ile uyum içindedir. Buna ilişkin deliller şunlardır:
- Değişik araştırma grupları tarafından yayınlanan sonuçlar arasında farklar olmakla beraber, pek çok bakır-oksidin enerji aralığı BCS teorisinin öngördüğü 3.53kBTc mertebesindedir.
- Akı kuantumlanması deneyleri, süperiletkenlik sürecinde Cooper çiftlerine benzer yük taşıyıcı çiftlerin rol aldığını göstermektedir.
- Özgül ısıda T=Tc’ de gözlenen süreksizlik, BCS modelinin öngörüsüne benzemektedir.
BCS modeli bu gözlemlerle uyum içerisinde olmasına rağmen bakır-oksit süperiletkenlerinin davranışlarını açıklayan mekanizmalar henüz tam olarak belirlenebilmiş değillerdir. Yüksek geçiş sıcaklıklı oksitlerdeki eksik oksijen atomlarına ilişkin boşluk çiftlerinin varlığını gösteren yeterli delil mevcuttur. Yakın geçmişte ortaya konan teoriler, üç sınıfta düşünülebilecek mekanizmalar ortaya atmıştır. Bu mekanizmalar, yük taşıyıcı çiftler arasında etkin çekici etkileşmeler elde etmekte kullanılabilirler. Bunlardan birincisi BCS elektron-örgü-elektron çiftlenim modelinin bazı özelliklerini muhafaza eden sınıftır. Bu mekanizma gereği, daha yüksek Tc’ ler veren çok daha kuvvetli bir çiftlenim, harmonik olmayan örgü titreşimlerinden kaynaklanabilir. Bu mekanizmalardan ikinci sınıfa gireni elektrik yük salınımları ile olan etkileşmelerle ilgilidir. Üçüncü sınıf ise spin salınımları ile olan etkileşmelerden ve bunlara eşlik eden manyetik etkileşmelerden kaynaklanmaktadır. Son zamanlarda, çiftlenmiş elektronlu oksit süperiletkenlerin keşfi bilmeceyi daha karmaşık hale sokmuştur. Bu, ya çeşitli mekanizmaların mümkün olduğu ya da elektron ve boşluk çiftlerini açıklayan ayrıntılı teorilere ihtiyaç olduğunu göstermektedir. Bir kere yüksek Tc’ den sorumlu mekanizmalar belirlenip, teori geliştirilirse, daha yüksek kritik sıcaklık ve akım yoğunluklarına erişmek için ipuçları da ortaya çıkacaktır.
2.14. ÖZDİRENÇ VE MANYETİK MIKNATISLANMA
Günümüzde süperiletkenliğin iki temel özelliği vardır; sıfır direnç ve mükemmel diamanyetizm. İdeal bir süperiletkende direnç ve manyetik ölçümler birlikte yapılır. Birçok durumda sıcaklığa karşı özdirenç eğrisi, mıknatıslanma eğrisinden daha keskindir ve özdirenç eğrisinin düşmeye başladığı sıcaklık, manyetik duygunluk eğrisinden daha yüksektir. Çoğunlukla Tc geçiş sıcaklığı özdirenç eğrisinin değişmeye başladığı andan itibaren orta noktasından hesaplanır(Şekil 2.10).

Şekil 2.10. HoBa2Cu3O7 için 50–150 K arasındaki manyetizasyon ve özdirenç eğrisi

Duygunluk (mıknatıslanma) ölçümleri ise numunenin tamamının manyetik durumunu belirler. Numunenin tamamının süperiletken duruma geçtiğinin iyi bir göstergesidir. Özdirenç ölçümleri daha ziyade sürekli süperiletken yollar meydana geldiğinde kendini gösterir. Manyetik duygunluk ölçümleri süperiletken durumun iyi bir göstergesi iken özdirenç ölçümleri de uygulamalı amaçlar için güzel bir pratik yoldur.


2.15. SÜPERİLETKENLERDE AKIMIN TAŞINMASI
Metallerde akım iletim elektronları tarafından taşınırken süperiletkenlerde Cooper çiftleri tarafından taşınmaktadır. Metallerde akım taşınırken iletim elektronları dirençle karşılaşır. Direnç, iletim elektronlarının saçılmaları sonucu momentumlarının değişimiyle oluşur. Süperiletkenlerde ise direnç sıfırdır. Cooper çiftindeki iki elektron birbirlerini saçılmaya uğratırlar ancak bu saçılmada tek tek elektronların momentumları değişse de çiftin toplam momentumu sabit kalır.
Süperiletkendeki çiftleri oluşturan elektronlar birbirlerini sürekli olarak saçılmaya uğratmalarına rağmen çiftin toplam momentumu değişmediği için bir direnç oluşmaz ve böylece akımda bir kayıp olmayacağı için akım değişmez. Akımın değişmesi için çiftin toplam momentumunun değişmesi gerekir. Çiftin toplam momentumunu değiştirmek (direnç oluşturmak) için çifte dışarıdan bir enerji verilmelidir. Bu enerji Cooper çiftindeki elektronların ayrışması için gerekli olan enerjidir. Bu enerjiyi elektron çiftine veren bir akım yoğunluğu vardır, bu akım yoğunluğuna kritik akım yoğunluğu denir. Kritik akım yoğunluğunun değeri üzerindeki akım yoğunluklarında Cooper çiftleri parçacıklara ayrılır ve bu parçacıklar normal elektron gibi davranırlar; uyarılabilirler, saçılabilirler ve akım taşıyabilirlerse direnç oluşturabilirler.
2.16. KRİTİK AKIM
Kritik akım, bir süperiletkende akımın bir dirençle karşılaştığı andaki büyüklüğü olarak tanımlanır. Direnç ilk olarak yüzeyin herhangi bir kısmında toplam manyetik alan değeri kritik manyetik alan değeri Hc’ ye eriştiğinde görülür. Ancak cisimlerin geometrik şekilleri (demanyetizasyon faktörü) nedeniyle manyetik alan tüm yüzeylere aynı oranda etkimeyebilmektedir. Örneğin, manyetik alandaki bir kürenin ekvator çevresi manyetik akı çizgilerinin yoğunluğu nedeniyle kritik manyetik alan Hc değerine daha çabuk ulaşarak ekvator çevresini normal hale geçirir ve diğer bölgeler süperiletken olmaya devam eder. Ancak bu durum II. Tip süperiletkenlerdeki süperiletken-normal durum geçişleri ile karıştırılmamalıdır.
Kritik akım yoğunluğunu incelemek için silindirik yapıda, r yarıçaplı yeterince ince (r=λ) süperiletken bir tel düşünülsün. Bu telden I akımı geçirilirse Amper Yasası;

∫ B.dℓ= μ0.I

ya göre süperiletken teli çevreleyen bir B alanı oluşur. Bu eşitlikten B.2лr = μo.I eşitliği elde edilir ve B değeri kritik Bc değerine ulaştığında teldeki akım da kritik değerine ulaşır, çünkü kritik akım süperiletkende kritik manyetik alan oluşturan akımdan büyük olamaz. Şekil 2.7. kritik akım yoğunluğunun manyetik alan ve sıcaklıkla değişimini gösteren kritik faz diyagramını göstermektedir. Kritik akım durumunda tel süperiletken olma özelliğini tamamen kaybeder. Bu durumda kritik akım
Ic= 2лrB0/μ0
ve kritik akım yoğunluğu da
Jc= 2B0/μ0r
şeklinde ifade edilir.
II. tip süperiletkenlerin keşfine kadarki süreçte I. tip süperiletkenler yüksek akımlar taşıyamadıkları için pratikte kullanılmamışlardır. II. tip süperiletkenlerin keşfi ile I. tip ve II. tip süperiletkenlerin taşıyabildikleri akım değerleri arasında büyük fark görülmüş böylece hem II. tip süperiletkenler üzerine çalışmalar yoğunlaşmış hem de endüstride yaygın olarak kullanılmaya başlanmışlardır.

Şekil 2.11. Kritik yüzey faz diyagramı
2.17. TÜNELLEME VE JOSEPHSON OLAYI
1960 yılında, elektronların iki süperiletkeni ayıran çok ince yalıtkan bir filmden tünelleme yoluyla geçerek oluşturdukları akımın incelenmesiyle süperiletken bir metaldeki enerji aralığının deneysel olarak doğrudan ölçülmesi sağlanmıştır (Şekil 2.12). Tünelleme sırasında enerji korunmalı yani sistemin tüm enerjisi tünelleme öncesi ve sonrası aynı olmalıdır. Ayrıca elektronların tünelleme yapacakları boş parçacık durumları bulunmalıdır aksi takdirde tünelleme gerçekleşmez. Tünelleme için gerekli bir diğer şart da metaller arsındaki mesafenin çok büyük olmamasıdır, süperiletken için bu mesafe eş uyum uzunluğu mertebesinde olmalıdır.
Normalde, elektron çiftlerinin tünelleme olasılığının tek bir elektronun tünelleme olasılığından daha düşük olması beklenmektedir. Ancak deneysel sonuçlar tünelleme olasılığının Cooper çiftleri ve tek parçacıklar için aynı olduğunu göstermiştir.
1962 yılında Brian Josephson farklı iki süperiletkenden yapılan bir eklemde dışarıdan voltaj uygulamaksızın bir doğru akım geçebileceği dc Josephson Olayını ve daha sonra ekleme dışarıdan bir voltaj uygulandığında eklemden bir alternatif akım geçebileceği Ac Josephson Olayını teorik olarak öngörmüştür.

Şekil 2.12. İnce bir yalıtkan tabakayla ayrılmış iki süperiletkenin oluşturduğu eklem.

2.17.1. DC Josephson Olayı
Uygun koşullarda iki süperiletken arasına konmuş çok ince yalıtkan tabakalı bir eklem düşünülsün. Bir süperiletken içindeki bütün elektron çiftleri aynı faza sahip olduğundan özdeş iki süperiletkene dışarıdan bir voltaj uygulanmadığı ve sıcaklığın mutlak sıfırın üzerinde olduğu durumlarda iki yöne tünelleme yapmaları olası olduğundan net bir akım gözlenmez. Buna karşın eğer iki farklı süperiletken ile bir eklem oluşturulursa bir voltaj uygulanmasa da eklemden akım geçecektir. Bu eklemde elektronlar çiftler halinde tünelleme yaparlar ve engeli geçtikten sonra da momentum çiftlenimlerini korurlar. Bu şekilde bir voltaj farkı olmadan geçen akıma dc Josepson akımı denir ve bu akım, eklemi oluşturan süperiletken tabakalardaki elektronların dalga fonksiyonlarının faz farkı Ф = Ф1 -¬¬ Ф2 ile belirlenir. Akımı sağlayan aslında iki taraftaki elektron çiftlerinin bu faz farkıdır. Akım yoğunluğu ise;
J0, maksimum akım yoğunluğu ve Ф, faz farkı olmak üzere
J = J0sinФ
ile verilir. Bu dc Josephson Olayı olup Josephson’ un teorik önerisinden kısa bir süre sonra 1963’ te Anderson ve Rowell tarafından gözlenmiştir.
2.17.2. AC Josephson Olayı
AC Josephson Olayı teorik öngörüsünden sonra 1965 yılında gözlenebilmiştir. Farklı süperiletkenlerden oluşturulan ekleme dc voltaj (doğru akım voltajı) uygulandığında herhangi bir ac devresi gibi deneysel olarak tespit edilebilecek elektromanyetik dalga yayar. Ekleme sabit V voltajı uygulandığında elektron çiftleri yalıtkan tabakayı geçecek ve 2eV değerinde bir enerji kazanacaktır. Normal bir metalde bu enerji direnci yenmek için kullanılırken süperiletkende akım geçişinde hiç enerji harcanmadığından elektron çiftinin kazandığı bu enerji w=2eV/ ħ frekansında bir ışık kuantumu olarak yayınlanacaktır. Bu yayınlanma yukarıda bahsedildiği gibi deneysel olarak gözlenebilmektedir. Buradaki akım yoğunluğu,
J = J0sin[Ф-wt]
şeklinde verilir.
Hacimsel süperiletkenler basitçe tane sınırları ile birbirlerinden ayrılmış kristallerden oluşmuştur. Kristal-tane sınır eklemi Josephson eklemine benzerdir ve akım bu şekilde akar. Bu eklemin akım yoğunluğunun eşik değeri hacimsel materyallerdeki Jc’ ye karşılık gelir ki bu değer aynı süperiletken materyalin tek kristalinin Jc değerinden çok küçüktür.
2.18. LONDON DENKLEMİ
F. London ve H. London kardeşler öncelikle süperiletken durumda bulunan bir metalin iç kısmında manyetik alan bulundurmayacağını temel olarak Meissner olayını gözden geçirmişlerdir. Onların analizler, Gorter ve Casimir’in iki akışkan modeli ile başlar. Bu modele göre metal içerisindeki elektronlar süperiletken ve normal elektronlar olarak iki kısımda oluşur ve belirli etkileşme çeşitleri vardır.
Bir devreden geçen akımın iki kola ayrılıp, akımlardan birinin dirençli yolu tercih edip diğerinin kısa devre yaparak yoluna devam ettiğini düşünelim. Bu devrede elektronların dolaştığını kabul edersek Cooper çiftlerini oluşturan elektronlar kısa devre kolunu tercih ederlerken, Cooper çifti oluşturmayan elektronlar ise normal bir iletkendeki akım gibi davranarak dirençli kolu tercih ederler. Süperiletkenlerde iki akışkan modelini daha kolay anlaşılabilmesi için bu tür bir benzetme ile somutlaştırarak ifade etmek mümkündür. Bu durum Şekil 9’daki gibi temsil edilebilir. Verilen şekilde ana koldaki akımı, dirençli koldaki akımı, ise süperiletken elektronların tercih ettiği dirençsiz olan koldaki akımı ifade etmektedir. Süperiletkenlerde akım sadece Cooper çiftleri oluşturmuş elektronlar üzerinden sağlanır.

Şekil 2.13. İki akışkan modelinin şematik gösterimi
Bir süperiletkende; Cooper çiftleri oluşturan elektronların yoğunlukları ile Cooper çifti oluşturmayan elektronların yoğunluklarının toplamı tüm iletim elektronlarının yoğunluğunu da ile gösterelim.



Bu modelin en can alıcı noktası olan sıcaklığındaki süperiletkenin sadece kesrindeki iletim elektronlarının tamamı aşırı akım oluşturmak için harekete geçerler.
Süperiletkenlik elektronları sebebiyle akım ise;

ile verilir. Newton yasasından;

olarak ya da
=
şeklinde de yazabiliriz. akım yoğunluğunun zamana göre türevi alınırsa;

Denklemi elde edilir. = yerine yazılırsa;

elde edilir ve I. London Denklemi adını alır.
Normal bir iletkene elektrik alan uygulandığında Ohm yasası gereğince elektronların, karşılaştıkları dirençleri yenerek ivme kazanmaları mümkündür. Ancak bir süperiletkende ise, süperiletken içerisinde bulunan normal ve süperiletken elektronlardan sadece süperiletken elektronların ivmelenmesini sağlar.
Maxwell denklemini kullanarak;
=0
ya da

elde edilir. Bu için ideal bir iletkenin davranışını açıklar, fakat Meissner etkisini açıklayamaz. Bunu açıklamak için, integrasyon sabiti sıfır seçilmelidir. Bu yüzden;

Elde edilir. Buna da II. London Denklemi adı verilir.

Belirlenmesiyle, London denklemleri oluşur.
denkleminde manyetik alan ile süperiletken akım yoğunluğu arasındaki ilişki ortaya konulmaktadır. Yani, II. London Denklemi, manyetik alanın süperiletken bir numune içerisine nüfuz etmesiyle ilgilidir. Dolayısıyla, nüfus derinliğine sahip süperiletken bir numune içerisine manyetik alanın, yüzeyden itibaren üstel olarak azalarak nüfuz ettiği vurgulanmaktadır.
denklemi nüfuz derinliği ile çarptığımızda

ve

denklemlerini elde ederiz. Maxwell denklemini uygularsak;

ifadesinden yola çıkarak

ve

denklemlerini elde ederiz. Ya da


özdeşliğini kullanarak;


elde edilir.

Şekil 2.14. Dış manyetik alan içerisinde bir süperiletken dilim
Dış manyetik alandaki süperiletkeni göz önüne alalım. Alan sadece x yönündedir ve uzayda sadece z yönünde değişebilir. olduğu için akım y yönündedir. Bu yüzden, manyetik alanın madde içerisindeki değişimi,


olur. Bunların çözümleri ile


elde edilir. Burada

London nüfuz derinliğidir. K’de nüfuz derinliği olduğu dikkate alınmazsa;

arasındaki değerlere karşılık gelir.
2.19. GİNZBURG¬–LANDAU TEORİSİ
Ginzburg–Landau teorisi, uygulanan bir manyetik alanda süperiletken davranışlarını açıklamada olağanüstü bir teoridir. Bu teori, süperiletkenliğin tanımlanmasında kuantum mekaniğine giriş yapmaktadır. Teori, sabit limitindeki süper akım denklemleri olan London denklemlerinden oluşmaktadır. Ancak G-L teorisi ile birlikte London denklemlerinin işlevi dışında iki farklı davranış belirlenmektedir. Bunlar;
Alanların lineer olmayan etkilerinin ’i (ya da ) değiştirmeye yeter güçte olduğu,
1) ’in uzaysal değişimi,
Şeklinde ifade edilebilir. Özetle, teorinin tamamen süperiletken elektronlar üzerinde yoğunlaştığı söylenebilir.
Bu teori, üç temel kabule dayanır;
1) Faz geçişlerinde sıfıra giden bir düzen parametresi vardır.
2) Serbest enerjinin, ’ye göre açılımı yapılabilir.
3) ve katsayıları T sıcaklığına bağlıdırlar.
sınırlı olmayan kompleks bir değer ise, G-L serbest enerji yoğunluğunun ’ye göre açılımı

İle verilir. Burada : sıfır manyetik alanda normal durumda serbest enerji yoğunluğu ve sıcaklığa bağlı parametreler, m ve e sırasıyla elektronun kütlesi ve elektron yüküdür. A manyetik alan vektör potansiyelini H ise dış manyetik alanı temsil etmektedir. G-L teorisi, düzen parametresi olarak adlandırılan makroskobik kuantum mekaniksel dalga fonksiyonu ‘nin varlığını basitçe ortaya koymaktadır. , Cooper çiftlerinin kütle merkezli hareketinin dalga fonksiyonu olarak düşünebilir. Bu şekilde teori, tüm süperiletken elektronların tutarlı davranışları ortaya koymaktadır.
G-L teorisi, elektromanyetik alanların sistem ile nasıl birleşeceği doğru biçimde tanımlamaktadır.
Numune hacmi üzerinden F’nin integrali serbest enerjiyi verir ve serbest enerjiye gelen katkı minimize edilerek,

sonucuna varılır. Denklem, birinci Ginzburg-Landau denklemidir.
İkinci Ginzburg-Landau denklemi elde etmek için, manyetik alan ve süperiletkenin eklenen serbest enerjinin varyasyonu A vektör potansiyeline göre alınmaktadır. Hacim integralinin tüm uzay üzerinden alındığını hatırlanırsa; Süperiletken içersinde, sıfıra eşit olarak alındığında, ikinci Ginzburg-Landau denklemi

olarak elde edilmektedir. Elde edilen bu iki G-L denklemi iki özel çözüme sahiptir.
• İlk çözüm, ’dır. Burada vektör potansiyeli sadece şeklinde kullanılır. Bu çözüm normal durum, yani süperiletkenliğin olmadığı zaman geçerlidir.
• İkinci çözüm için ’dır. Bu çözüm ise I.tip süperiletkenleri, yani Meissner durumunu ifade eder.
G-L teorisinin bulunan iki özel çözümünden yola çıkılarak süperiletkenler için önemli olan karakteristik uzunluklar bulunmuştur. Zayıf manyetik alan altında, denklemleri materyalin sınırları üzerinde yapılan çözümleri sonucunda; iki karakteristik uzunluk belirlenir. Bunlardan birincisi; mesafesine bağlı olarak karakterize edilen

eşuyum uzunluğudur. Diğeri ise, bir süperiletken içerisinden manyetik alanın nüfuz etme mesafesi olarak karakterize edilen

nüfuz derinliğidir. Önceden de belirtildiği gibi, bu iki karakteristik uzunluğun oranı olan , I. ve II.tip süperiletken arasındaki farkları belirler.
Süperiletken ve normal fazlar arasında ara yüzeydeki yüzey enerjisine bakarsak ’nın işareti daha net oluşur. Süperiletkenlikten normal hale geçişteki nerji değişimini göz önüne alalım. , mesafesinden sıfıra azaldığı için, değişim yaptığı belirlenir. Bu yüzden, ölçüsündeki kayıp yoğunlaşma enerjisi sebebiyle birim alan başına değerinde bir enerji harcarız. Diğer yandan, manyetik alan süperiletken faz içerisine (T) mesafesinde nüfuz ettiği için birim alan başına mıknatıslanma enerjisi ile azalmaktadır. Böylece, birim alan başına yüzey enerjisi,

olarak ifade edilir.
Buna göre <<1 için yüzey enerjisi pozitifken, >>1 için yüzey enerjisi negatiftir. G-L teorisindeki hesaplamalar ’de yüzey enerjisinin işaret değiştirdiğini gösterir. Daha önce ifade edildiği gibi, nüfuz derinliğinin eşuyum uzunluğu ’ye oranı olan süperiletkenlikte önemli bir ayrımı ortaya koyar. Bu oranın göz önüne alınmasıyla, süperiletken maddeler ikiye ayrılır.

olduğu durumlarda madde I.tip süperiletkendir.

olduğu durumlarda madde II.tip süperiletkendir.
3.SÜPERİLETKENLİĞİN UYGULAMALARI
3.1. MAGLEV TRENLERİ
Bir ulaşım aracının, hızlı olmasının yanında en önemli özelliği güvenli olmasıdır. Bilinen en güvenli ulaşım araçları, trenlerdir. Çünkü sabit bir ray üzerinde ve karada giderler. Ancak, trenler de yeterli hızlara sahip değildir. Bunların nedenlerinden biri raylarla tekerlekler arasındaki sürtünme kuvveti çok fazladır. Maglev:" magnetic levitation " yani " manyetik olarak yükseltme, havada tutma " anlamındadır.
Süperiletken Maglev trenleri havada tutmak için Meissner Etkisi özelliklerinden faydalanılır. Raylardaki elektromıknatısların yarattığı manyetik alan trenin havada kalmasını sağlar. Tren 100 km/s hıza ulaşana kadar tekerlekleri üzerinde gider ve bu hızdan sonra havada gitmeye başlar. Aracın sürüşü raylardaki diğer elektromıknatıslarla sağlanır. Raylardaki ve trendeki elektromıknatıslar çekme ve itme kuvvetleriyle treni ileri doğru sürerler. Akım arttırıldığında itme ve çekme kuvvetleri de artacağından tren hızlandırılabilir. Treni kaldırmanın yanında elektromıknatısların da çok yüksek manyetik alan yaratması gerekmektedir. Bunun için de süperiletken kablolar kullanılırlar. Bir süperiletken kablodan geçirebileceğiniz akım çok yüksektir. Bilindiği gibi bir bobinle yaratacağınız akım sarım sayısına ve bobinden geçen akıma bağlıdır. Bir bobinden bakır kablolarla çok yüksek akımlar geçiremeyeceğiniz gibi geçirebileceğiniz en yüksek akımın %30 değerini kablodan geçirirsiniz. Bakırdan yüksek akım geçirmek için kalınlığı arttırmanız gerekir; bu durumda sayım sayısını arttıramazsınız. Bu trenler de güvenlik önemli olduğundan ısınma da bir sorundur. Bir süperiletken kablodan 1 milyon Amper'e kadar akım geçirebilirsiniz. Bazı kuantum mekaniksel nedenlerden dolayı süperiletken kablo hiç ısınmaz. Ayrıca Meissner Etkisi o kadar güçlü bir kuvvet uygular ki tren raydan hiç çıkmaz. Bu yüzden kara taşıtlarının(bazı kesimler tarafından Maglev trenlerinin hava aracı olduğunu düşünülmektedir) en hızlısı ve en güvenlisi süperiletken Maglev trenleridir.
İlk hız rekortmeni Maglev treni 1971'de Batı Almanya tarafından yapıldı. 90 km/s hızla gidebiliyordu. Ancak bu modelde sadece manyetik kuvvetlerin çekme ve itme kuvvetinden faydalanılıyordu. Treni hava tutmak için de aynı teknik kullanılıyordu. Ancak, 1933'teki süperiletkenlerin Meissner Etkisi keşfinden sonra Maglev trenler için yeni bir çağ başladı. Amerika'da San Diego'da, Almanya'da Emsland'da, Japonya'da Yamanashi'de, Çin’de Şangay'da, Güney Kore'de Daejeon’da Maglev hatlarına rastlamak mümkündür. Bu hatlardan Japonya’da bulunun hat jr-maglev ile 581 km/saatlik hıza ulaşarak 2003 yılında dünya rekoru kırılmıştır.
3.2. MANYETİK REZONANS
Manyetik Rezonans (MR): Geleneksel radyolojiden bütünüyle farklı bir ilkeye dayanır. Bu incelemede bir magnetik alan içme alman normal ve hastalıklı dokular radyo frekansları aracılığıyla, uyanlar ve uyanlara verdikleri değişik yanıtlar araştırılır. Yanıtlar dokunun ve onu oluşturan hücrelerin su ve madde içerikleri gibi durumlara bağlı olarak değişir. Bunlar geleneksel radyolojik görüntünün temelini oluşturan röntgen ışınlarının dokularca emilme ilkesinden bütünüyle ayrıdır. Uyarılan dokuların yaydığı sinyaller sayılara dönüştürüldükten ve bir bilgisayarca işlendikten sonra, optik bir görüntüye dönüştürülür. Bu optik görüntüde dokuların yanıtları beyazdan siyaha kadar değişik tonlarda ortaya çıkar. Böylece elde edilen görüntü bir televizyon ekranında gözlenebilir, manyetik şerit ya da plak üzerine kaydedilebilir ve radyografideki gibi film üzerine basılarak çoğaltılabilir.
MR incelemesi yatay kesitlerle sınırlı değildir. Aletin çok yönlü hareketi organların ve lezyonlarının tam ve üç boyutlu olarak görüntülenmesini sağlar. Süperiletken maddelerde entropi göçünün olmaması nedeniyle, ısıl kayıp olmaksızın, elektrik akımının iletilebilmesi, ileri teknolojik uygulamalarla, yeni bir çağ başlatacak kadar güçlü bir potansiyele neden olmaktadır. Örneğin, dünyamızın magnetik alanının(10–14 T) yaklaşık milyarda biri mertebesinde küçük magnetik alanların ölçümü, ancak çeşitli süperiletken üniteler içeren aygıtlarla gerçekleşebilmektedir. Bu noktada, hemen akla, süperiletken teknolojisinin tıpta teşhiste en yaygın olarak kullanım alanı olan, Magnetik Rezonans Görüntüleme (MRG) ve Magnetik Rezonans Spektroskopi (MRS) teknikleri geliyor. Zira yukarıda söz edilen,10–14 T mertebesindeki zayıf magnetik alanların nerede üretildiği ve bunların hangi hassas aygıt ile ölçülebildiği merak konusu olacaktır.
1980'lerde hemen hemen hiç söz edilmeyen MRG tekniği, günümüzde yaygın biçimde, canlıya zarar vermeden ameliyat gibi işlemlere gereksinim olmaksızın; örneğin, çeşitli tümör oluşumlarını, kemiklerdeki hasarı tespit etmekte yaygın olarak kullanılmaktadır. Bundan da öte, örneğin, insan beyninde çok çeşitli nedenlerden ötürü oluşan, morfolojik ve metabolik değişimleri tam ve güvenilir şekilde belirleyen, sırasıyla MRG VE MRS teknikleri, süperiletkenlerin tıptaki önemli uygulama alanları haline gelmiştir.
Beyindeki biyomanyetik aktiviteyi ölçmek için, yıllardan beri geleneksel olarak kullanılan Magnetoansefalografi'yi(MEG) ve daha hassas ölçümler için (MRG) ve (MRS) tekniklerini bir tür elektronik sihirbaz haline getiren ünite, ''SQUID'' denilen süperiletken kuantum girişim aygıtıdır.(Superconducting Quantum Interference Device) esas olarak birden fazla süperiletken -yalıtkan-süperiletken bitişimin, yani ''Josephson Junction''nın paralel bağlamasıyla oluşur. SQUID yardımıyla femto tesla'dan(10–15 T)daha küçük magnetik alan değişikleri, invivo yöntemle, en güvenilir biçimde anlaşılabilmektedir. Bunun nedeni, söz konusu cihazın ölçüm sonuçlarının, elektron yükü, Planck sabiti ve ışık hızı gibi temel sabitler cinsinden, kesin ve aracısız olarak elde edilebilmesidir. Örneğin, tanıdık bir yüz görüldüğünde beyinde oluşan metabolik aktivite ile tanınmayan obje karşısındaki respons(cevap) arasındaki enerji farkı yaklaşık 10–32 Joule mertebesindedir. Böylesine fark edilmesi zor değişimler, bugüne kadar bilinen hiç bir aletle güvenilir biçimde tespit edilemeyecek kadar küçük ve/veya çeşitli elektronik gürültüler mertebesindedir. Ancak, SQUID, kaynağı ne olursa olsun (enzim salgısındaki değişim, nörolojik, travmatik vb. kökenli) canlı metabolizmasındaki her tür devinimi, çok küçük manyetik alan değişimi oluştursa bile kolayca tespit edebilir. Bu nedenle MR, canlıya zararsız olduğu gibi, doğadaki temel büyüklükler mertebesinde ölçüm yapabildiği için kesin ve güvenilir olmaktadır.
Özellikle son beş yıldan beri, Proton Magnetik Rezonans Spektroskopisi (P-MRS) ile bu tür ölçmeler en hassas ve güvenilir biçimde gerçekleşmektedir. Bu cihazların bir tür elektronik sihirbaz olmalarının nedeni, düzgün ve yüksek manyetik alan sağlayan süperiletken magnet ve SQUID'le donatılmış olmasındandır.
MR cihazlarında kullanılan pick up coil denilen sinyal alıcıları için yaygın olarak, alçak sıcaklık süperiletkenleri (LTC) kullanılmasına rağmen, yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin (HTC) keşfinden sonra, günümüzde kullanımları sayesinde, algılama duyarlılığının fevkalade artması sağlanmıştır. Bu sinyal alıcılarının, sıvı helyum sıcaklığı (4.2K) yerine, sıvı azot sıcaklığında (77K) çalışabilmesi, kullanılan criyostanın duvar kalınlığının oldukça incelmesine yol açarak insan'a fiziksel olarak daha yakın biçimde ölçüm yapılmasını sağlar. Böylece, yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin kullanımı, elde edilen verilerin hassasiyet ve seçiciliğinin artmasına yardım etmektedir.
Normal halden süperiletken hale geçiş sıcaklığı olarak tarif edilen kritik sıcaklığı Tc, 20 Kelvin'den büyük olan maddeler (HTC) olarak adlandırılır.
1986'larda Bertnoz ve Müller tarafından metal oksitleriyle ilk kez sentezlenen (HTC)
süperiletkenler, daha sonra birçok araştırmacı tarafından geliştirilip değiştirilerek
çalışılmıştır. Günümüzde normal atmosfer basıncında ulaşılan en yüksek kritik sıcaklık, civa içeren, bakır oksit süperiletkenleri için Tc=138 K 'dir.
Son olarak, MRS tekniği ile yapılan en güncel uygulamalara birkaç örnek vermek gerekirse; günümüzde proton-MR spektroskopisinin klinik uygulama alanları artmış, bu bağlamda beyindeki en önemli metabolitlerden ,N-asetil aspartat(NAA), Keratin(Cr), Kolin(Cho), Laktat ve diğerlerinden alınan sinyaller,uygun spektroskopi teknikleriyle kaydedilebilir hale gelmiştir.
Örneğin; beyin zarında, baş ve boyunda oluşan tümörlerin, HIVenfeksiyonunun, radyasyon hasarlarının erken tespitinde süratle kullanılmaktadır. Ayrıca, Alzheimer, Parkinson hastalıklarının, çocuklarda dejeneratif beyin kusurlarının erken tanısı, serebral iskemi, lityum gibi pisikoaktif ilaçların ölçülmesi ve diğerleri sayılabilir.
3.3. BOLOMETRİK SENSÖRLER
Bolometrik sensörler optik iletişim, termal kamera, biyomedikal uygulamalarda ve uzay araştırmalarında çok kullanım alanına sahiptir. Süperiletken bolometrik sensörler x-ışınlarından mm dalga boyuna kadar geniş bir spektrumu algılarlar. Süperiletken bolometrik sensörler, radyasyonun soğurulmasından oluşan ısınmanın direçteki değişiminin ölçülmesiyle ışımanın şiddetini ölçer.

Şekil 3.1. Bolometrik sensörlerde ışıma şiddetinin ölçülmesi

Süperiletkenlerde sıcaklıktaki değişim dirençte çok büyük değişikliklere neden olabilir. Süperiletkene çok küçük bir akım verilir ve süperiletken, kritik sıcaklık değerine yakın tutulursa çok zayıf bir kızılötesi radyasyon süperiletkenin sıcaklığını değiştirecek ve dirençte büyük bir değişiklik olacaktır.
3.4. SÜPERİLETKEN KABLOLAR
3.4.1. Kablo Gelişimi
1986’daki yüksek sıcaklık süperiletkenleri (HTS) keşfinden sonra, Pirelli basit bileşikler üzerinde araştırma aktivitelerini başlatmıştır ve HTS güç kablo iletim ve dağıtım sistemleri 1987’de tamamlandı. İlk bilimsel fizibilite aşaması, ana olarak, bu yeni HTS maddelerini konvansiyonel kablolar için daha önceden mevcut olan standart makineleri kullanarak kablo imalatına izin verebilen pratik tellere dahil eden teknolojileri geliştirmeye yöneltmiştir. İkinci teknolojik fizibilite evresi 1995’te, Pirelli, mevcut 8 inç boruda yerleştirme için uygun 115 kV, 400 MVA Warm Dielectric kablo tasarımı tamamladığında başlatılmıştır ve US Electric Power Research Institute (EPRI), US Department of Energy (DOE), ve Pirelli tarafından sponsor edilen bir gelişme programı başlatıldı. 50 m tek faz kablosu, düzenli ek, dışarıdaki bitirme ve cryogenics sistemi içeren EPRI-DOE kablo sistemi protipi tamamlandı, test edildi ve 1998’de tanımlandı. Ek olarak, Avrupa’daki elektrik olanakları ve hükümet organizasyonları (EDEF, ENEL, Edison, BMBF) ile gelişme programları 1997’de başlatıldı ve şu anda HTS Cold Dielectric koaksiyel kablo sistemlerini geliştirmeye yöneltiliyor. Üçüncü kullanıma hazır ve güvenilir değerlendirme aşaması 1998’de bir gerçek kamu şebekesinde ilk HTS sistemi olan denemesinde sonuçlanacak yeni bir proje başlatıldı. DOE, EPRI, Detroit Edison ve diğer takım üyeleri ile işbirliği içerisinde, Pirelli, 2001’in ilk yarısında işletmeye girecek Detroit’in elektrik şebekesine tesis edilmek üzere 3 fazlı bir HTS sistemin mühendisliği yapılıyor ve imal ediliyor. Sistem 3 konvansiyonel 3 faz kablosunun yerini alacaktır. Elektrik güç sistemi için iki temel HTS kablo tasarımı tanımlanır: Warm Dielectric (WD) tasarım ve Cold Dielectric (CD) koaksiyel tasarım.
3.4.2. Warm Dielektrik HTS Kablo Tasarımı
1996 yılında Pirelli, tamamen HTS iletkenlerine tahsis edilen ilk pilot hat tasarım ve imalatına başladı. Arka planda, esnek cryostatın üzerini örten termal izolasyonu aşamasını göstermektedir. Esnek cryostat iç sırada sıkıştırma ve kırıştırma tekniğiyle imal edilir. Kablonun elektriksel izolasyonu için diğer bir teknik, iletken üzerinde dielektrik maddenin kaplanmasıdır. Resim PPL ile izole edilmiş HTS kablo üzerinde skidwire uygulamasını göstermektedir.
.
Şekil 3.2. Warm Dielektrik HTS kablo modeli

3.4.3. Cold Dielektrik HTS Kablo Tasarımı
CD dizaynında, her bir faz için faz ve dönüş iletkeni olmak üzere iki konsantrik HTS iletkeni kullanılır. Bu iletkenler elektrik izolasyonu ile birbirinden ayrılır ve tüm birleşme cryogenic çevrede gerçekleşir.
CD dizaynı her bir damarın veya bir araya getirilen üç damar üzerinde olabilen cryostat’ın durumuna bağlı olarak iki farklı konfigürasyonu üstlenir.


Şekil 3.3. Cold Dielektrik HTS kablo modeli
CD türündeki HTS kabloları muhtemelen konvansiyonel kabloların taşıdığı akımın beş katına kadarını kayıpların hemen hemen üçte ikisiyle taşıyabilir. İçinde faz iletkenine eşit ve ters yönde dönüş akımı meydana gelen dış HTS dönüş iletkeni, tamamen faz iletkenindeki akım sayesinde üretilen manyetik alanı korur. Böylece, sadece CD damarının etrafındaki manyetik alan hemen hemen sıfıra indirilmemiş, bundan öteye, benzer bir şekilde HTS ekranının varlığı dış manyetik alandan türeyen kayıp etkileri gibi olaylardan sakınmış olur. Ömür boyunca işletme masrafları WD dizaynında olanından daha düşüktür, ancak daha çok HTS şerit, dönüş iletkeni için gerektiğinden ilk yatırım maliyeti daha fazladır.

3.5. SÜPERİLETKEN KUANTUM GİRİŞİM AYGITLARI
Hareket eden bir yük çevresinde bazı değişikliklere neden olabilir. Bu değişiklikler açıklanabilirse bu yükün de hareketi açıklanabilir. Yükün yaptığı değişikliklerin kapsadığı bölgeye manyetik alan denir. Çok yavaş hareket eden yüklerin yarattığı manyetik alanlar ölçülerek yüklerin hareketleri açıklanabilir. Bu işi yapmak için de çok hassas manyetik alan sensörleri gerekir. Bu sensörlerin adı Süperiletken Kuantum Girişim Aygıtları’dır. Kısaca bu sensörlere SQUID’s (Superconducting Quantum Interference Devices) deniyor. Süperiletkenlerin kritik faz geçişlerinden faydalanılarak çok hassas ölçümler yapılabilir.
3.6. BİLGİSAYARLAR
Süperiletkenler kullanılarak daha hızlı ve küçük bilgisayarlar yapılabilir. Süperiletken ısı yaymadığından devreler daha yakın paketlenebilir. Sonuç, daha karmaşık ve daha küçük hacme yerleştirilmiş hızlı devreler olacaktır. Süperiletkenlerin bilgisayarda bir uygulaması yarıiletken araçları bağlamak için kullanılan süperiletken bağlantı hatlarıdır. Diğer bir uygulama Josepson eklemleridir. Bunlar süperiletken elektroniğinde açma-kapama zamanları 6 piko saniye mertebesindedir. Yarıiletkenlerden 10 defa daha hızlıdır. 770 MHz de çalışan 4 bit süperiletken mikroişlemci deneysel olarak geliştirilmiştir.

3.7. ELEKTRİK GÜÇ NAKLİ
Süperiletken 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. Süperiletkenlerin diğer bir yararı direnç nedeni ile olan güç kaybının yokluğudur. Bu, çok uzun mesafelerden güç kaybını ekonomik kılmaktadır. 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 süperiletken iletim hattı inşaatı vardır).

3.8. MOTORLAR
Meissner olayına dayanan süperiletken motorlar, manyetik alan çizgilerini iterler. Süperiletken motorlar akım kaybını %50 civarında azaltır. Süperiletken motorlar, arabalarda, pompalarda, dönen millerde vs. kullanılır.


3.9. MANYETİK ENERJİ DEPOLAMA (SMES)
Manyetik enerji depolamada enerji toprağa gömülen büyük süperiletken 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 manyetik alanda ve dolayısıyla depolanan enerjide azalmaya neden olur. SMES sistemi % 90 verimle çalışır.

3.10. GÜÇ TRANSFORMERLARI
Bilim adamları, transformerların verimsiz çalışması nedeniyle elektrik güç nakli sırasında enerjinin 1/6 sının kaybedildiğini tahmin etmektedirler. Eğer transformerlarda süperiletken sarımlar kullanılsa verim artacak ve maliyet düşecektir.




















4. SONUÇ
Süperiletkenliğin ne olduğu, süperiletkenlerin temel özelliklerinin neler olduğu ve uygulama alanlarının incelendiği bu bitirme çalışmasında, süperiletkenliğin manyetik özellikleri, oluşum teorileri ve uygulamaları incelenmiştir. Bu konularda yapılmış olan çalışmalar ışığında yapılacak yeni çalışmalar hakkında bilgi sahibi olunmuştur.
Teknolojik çalışmaların hızla geliştiği çağımızda süperiletkenlik büyük önem taşımaktadır. Özellikle süperiletkenler kullanılarak yapılan malzemeler bilimin daha hızlı gelişmesine çok büyük katkı sağlamaktadır. Örneğin; süperiletkenler kullanılarak meydana getirilen, şimdi var olandan daha güvenli ve daha hızlı trenler yapılabilmektedir. Çok daha kısa sürede daha çok bilgi taşıyabilecek elektronik ve mekanik sistemler geliştirilmektedir.
Birçok element yeterince düşük sıcaklıklarda süperiletken hale geçebilmektedir. Yüksek sıcaklıklarda ise bu özelliklerini kaybetmektedirler; fakat gelecekteki çalışmalar, bir teknolojik devrim niteliğinde olan oda sıcaklığında süperiletkenlerin keşfedilmesi umudunu arttıracaktır.
















KAYNAKÇA

[1] Kittel, C., 1996, (çev:Bekir Karaoğlu), Katıhal fiziğine giriş, Güven Kitap Yayın
Dağıtımı Ltd.Şti, 6. Baskıdan çeviri, 239s.

[2] Serway, R.A., 1996, Ankara, Fen ve mühendislik için fizik, Palme Yayıncılık, 3.Baskıdan çeviri, 3. Cilt, 1290s.

[3] Eğitim Bilim ve Kültür Dergisi, Şubat 2004, 6(65), s. 8-10. Seferoğlu, S. S. (2002). Uzaktan eğitim ve iletişim teknolojileri.

[4] Kılıç, Selda, 2008, Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi

[5] Davarcığolu, N., 2005, Süperiletkenlerde Ginzburg-Landau denklemi ve çözümleri, 32-33 s.

[6] Hook, J.R., Hall, H.E., Köksal, F. Ve Altıntaş, M., 1999, Katıhal fiziği, Bölüm
10, Literatür Yayıncılık, 278-307 s.

[7] http://tr.wikipedia.org/wiki/Süper_iletken

[8] http://www.fizikgosterideneyleri.com/superiletkenlik.html

[9] http://www.yildiz.edu.tr/~akdogan/malzeme2/Super_iletgen_Malzemeler.pdf

[10] http://superiletken.blogspot.com/2010/10/superiletken-uygulamalar.html

[11] http://www.scribd.com/doc/8420725/SUPERLETKENLİK

[12] http://www.fizik.us/superiletken/superiletkenler-uygulamalari.html