Düşük Sıcaklık Süperiletken (LTS) Malzemeler

Tarihsel gelişime bakıldığında ilk bulunan süperiletken malzeme metalik cıvadır ve Tc değeri 4.2 K olarak bilinmektedir. Daha sonraları ise Kurşun (Pb), Kalay (Sn) ve Niobyum’un (Nb) 7-9 K arasında süperiletken özellik gösterdikleri bulunmuştur. 1950’li yıllarda alaşımlar ile yapılan çalışmalarda ise Nb3Sn ve sonra Nb3Ge’un sırasıyla ~19 ve ~23 K civarlarında süperiletken oldukları gözlenmiştir. Bu arada çalışmalar tabi ki bu malzemeler ile sınırlı kalmayıp çok çeşitli alaşım veya saf metallerde düşük sıcaklıklarda süperiletkenlik özellik gözlenmiştir, Tablo-1 ve Tablo-2 .

Tablo-1 Süperiletken elementlerden teknolojik açıdan önemli olanları

Tablo 2 Süperiletken metal alaşımlardan teknolojik açıdan önemli olanları

Süperiletken

Tc (K)

Bc2(0) (T)

Süperiletken

Tc (K)

Bc2(0) (T)

Al

1.196

0.0105

Nb3Al

18.7

32.4

Ga

1.083

0.0058

Nb3Sn

18

24.5

Hg

4.153

0.0411

Nb3Ga

23

38

In

3.408

0.0281

NbN

15.7

15.3

Nb

9.26

0.1991

NbTi

9.3

15

Pb

7.193

0.0803

Nb3(AlGe)

21

44

Sn

3.722

0.0305

V3Si

16.9

23.5

Ta

4.47

0.0829

V3Ga

14.8

20.8

Ti

0.39

0.010

PbMoS

14.4

60

V

5.30

0.1023

W

0.015

0.000115

Yapılan uzun araştırmalar sonunda LTS malzemeler teknolojide birçok yerde önemli kullanım alanı bulmuştur. Bunların başında güçlü süperiletken mıknatıslar gelmektedir ki genellikle cevher ayrıştırılmasında ve parçacık hızlandırıcılarında, sağlık sektöründe MRI ve benzeri manyetik görüntüleme sistemlerinde ve bilimsel araştırmalar için NMR sistemlerinde günümüzde bile kullanılmaktadırlar.
Ancak bu malzemelerin teknolojide kullanılabilir olması için hacimsel hazırlanmalarının yanı sıra değişik yöntemler kullanılarak tel veya şerit haline getirilmeleri sağlanmıştır. Bugün günümüzde özellikle sağlık sektöründe MRI firmalarından bazıları ve NMR üreticilerinin çoğu halen bu ilk nesil LTS malzemeleri kullanarak manyetik görüntüleme sistemlerini üretip ticari olarak satmaktadırlar, Şekil 5. Bu malzemelerin kolay işlenebilirliklerinin ve üretilebilirliklerinin yanı sıra en önemli noktaları güçlü fiziksel ve manyetik özellikleridir. Genel olarak son derece kararlı fiziksel, termal ve manyetik özellik göstermekte ve 4.2 K de oldukça yüksek kritik akım yoğunluğu (104-106 A/cm2) değerlerine sahiplerdir. Kritik alan değerleri ise Hc=20 Tesla’nın üzerine çıkabilmektedir. Ancak düşük süperiletkenliğe geçiş sıcaklığı (Tc) gösterdikleri için sistem veya cihaz olarak işletim maliyetleri yüksektir. Ancak düşük anizotropi değerlerine sahip oldukları gibi HTS sistemler ile karşılaştırıldıklarında son derece basit kristal yapıya sahiplerdir, Şekil 6. Dolayısıyla önemli temel fiziksel özellikleri rahat bir şekilde araştırılabilmektedir.

Şekil 5 LTS malzemeler kullanılarak üretilen bir MRI sistemi.

Ayrıca bu malzemeler BCS teorisi olarak bilinen temeli 1950’li yıllara dayanan ve bilim insanlarının büyük çoğunluğu tarafından da kabul gören tek teoriye de uyum sağlamaktadırlar. Ülkemizde ise; bu malzemeler ile doğrudan yapılan deneysel bir çalışmaya (tamamı Türkiye de yapılmış) rastlanmamaktadır. Ancak bazı bilim insanlarımızın yabancı bilim insanları ile birlikte ortak teorik veya yarı teorik çalışmalarda bulundukları bilinmektedir. Ülkemiz açısından bu durum değerlendirildiğinde sonucun doğal olduğu kabul edilebilir çünkü HTS malzemelere ve bunlar ile yapılan uygulamalara dünya çapında olan ilgi hem çok fazla hem de işletim maliyeti açısından daha ucuz olduklarından teknolojik uygulamalar hızla HTS malzemelere doğru kaymaktadır.

Şekil 6. Nb3Sn metal alaşım süperiletkenin basit kristal yapısı.