Υπεραγωγοί (Superconductors)

Transcript

1 Υπεραγωγοί (Superconductors)

2 ΓΕΝΙΚΑ (1) Μελέτες πάνω στην ειδική αντίσταση των μετάλλων σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι οποίες ξεκίνησαν το 1911 από τον Onnes, έδειξαν ότι σε ορισμένα μέταλλα, κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία Τ c (~4 Κ), η αντίσταση στη ροή συνεχούς ρεύματος πέφτει απότομα στο μηδέν (ενώ πάνω από Τ c έχει την αναμενόμενη θερμοκρασιακή εξάρτηση). Τα υλικά αυτά ονομάστηκαν υπεραγωγοί. Για την ιστορία: Αρχικά, βρέθηκε ότι κάτω από τη θερμοκρασία των 4,2Κ ο Ηg εκδήλωνε «υπεραγωγιμότητα». Στα χρόνια που ακολούθησαν απεδείχθη ότι και άλλα μέταλλα, ξαφνικά, σε μια ορισμένη τιμή θερμοκρασίας, χαρακτηριστική για καθένα από αυτά - ΚΡΙΣΙΜΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ - έχαναν την ηλεκτρική τους αντίσταση. Ο Pb στους 7,2Κ, ο Sn στους 3,7Κ, το Cr στους 3Κ, το Al σε 1,4 Κ ο Zn στους 0,9Κ, έχαναν την ηλεκτρική τους αντίσταση. Η μηδενική αντίσταση σε έναν υπεραγωγό έχει ως αποτέλεσμα, αν αυτός διαρρέεται από ρεύμα, να διαρρέεται επ' άπειρον!!!. Η έλλειψη αυτή αντίστασης κάνει τους υπεραγωγούς μοναδικούς για τη μεταφορά ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις (λόγω απουσίας θερμικών απωλειών) και για τη δημιουργία μόνιμων μαγνητικών πεδίων.

3 ΓΕΝΙΚΑ (2) Αξιοσημείωτες είναι και οι μαγνητικές ιδιότητες των υπεραγωγών Το μαγνητικό πεδίο μέσα σε έναν υπεραγωγό, στην υπεραγώγιμη κατάστασή του, είναι μηδέν (επάγονται επιφανειακά ρεύματα που ακυρώνουν τυχόν εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, με τον ίδιο τρόπο που σε έναν αγωγό επάγονται επιφανειακά φορτία που μηδενίζουν το ηλεκτρικό πεδίο εσωτερικά του αγωγού). Η υπεραγωγιμότητα δηλαδή σχετίζεται α. με ΜΗΔΕΝΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ και β. με την εκδήλωση ενός έντονου ΔΙΑΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΥ (όταν δηλαδή ο υπεραγωγός βρεθεί σε μαγνητικό πεδίο η μαγνήτισή του είναι αντίθετη προς το μαγνητικό πεδίο με αποτέλεσμα να εμφανίζονται απωστικές δυνάμεις ανάμεσα στον υπεραγωγό και στο μαγνήτη). Σημειώνεται ότι, η κρίσιμη θερμοκρασία, Τ c, εξαρτάται από το υλικό του υπεραγωγού και από το μαγνητικό πεδίο στην περιοχή γύρω από τον υπεραγωγό. Όσο μεγαλύτερο είναι το μαγνητικό πεδίο τόσο μικρότερη είναι η κρίσιμη θερμοκρασία. Το μαγνητικό πεδίο με το οποίο Τ c 0 (το υλικό δεν μπορεί να γίνει υπεραγώγιμο) λέγεται κρίσιμο μαγνητικό πεδίο, Β c. ΓΕΝΙΚΑ: Η υπεραγωγιμότητα καταστρέφεται από τη θερμοκρασία και το μαγνητικό πεδίο. Οι τυπικοί μεταλλικοί υπεραγωγοί σήμερα διακρίνονται σε υπεραγωγούς τύπου Ι και τύπου ΙΙ (βλ. παρακάτω). Επίσης, σχετικά πρόσφατα ανακαλύφθηκαν μη μεταλλικά υλικά που γίνονται υπεραγώγιμα σε αρκετά υψηλότερες θερμοκρασίες από τους τύπου Ι και τύπου ΙΙ υπεραγωγούς (Τ c > 20 Κ). Τα υλικά αυτά ονομάστηκαν υπεραγωγοί υψηλών θερμοκρασιών.

4 Χρονική εξέλιξη της ανακάλυψης των κυριοτέρων υπεραγωγών από το 1911 μέχρι το 2000 και πρόβλεψη για το άμεσο μέλλον(---)

5 Εξήγηση της υπεραγωγιμότητας - Θεωρία BCS Μέχρι το 1957 η υπεραγωγιμότητα ήταν ένα φαινόμενο χωρίς ερμηνεία. Το 1957 ο John Bardeen, o Leon Cooper και o Robert Schrieffer παρουσίασαν τη θεωρία BCS που φέρει τα αρχικά των ονομάτων τους. Η έννοια κλειδί στη θεωρία τους ήταν το ζευγάρωμα των ηλεκτρόνιων με ενέργεια κοντά στη στάθμη Fermi, σε «ΖΕΥΓΟΣ COOPER» μέσα από την αλληλεπίδραση με το κρυσταλλικό πλέγμα. Το ζευγάρωμα συνοδεύεται από μία ασθενική έλξη σχετιζόμενη με τις ταλαντώσεις του πλέγματος. Η σύζευξη με το πλέγμα λέγεται και phonon αλληλεπίδραση. Το ζεύγος Cooper είναι δύο ηλεκτρόνια που δείχνουν να ομαδοποιούνται σε συμφωνία με τη θεωρία BCS ή με κάποια άλλη - παρά το γεγονός ότι και τα δύο έχουν αρνητικό φορτίο και «φυσιολογικά» θα έπρεπε να απωθούνται. Κάτω από τη κρίσιμη θερμοκρασία T c τα ζευγάρια αυτά ηλεκτρονίων δημιουργούν ένα συμπύκνωμα μία μοναδική κβαντική κατάσταση το οποίο ρέει χωρίς αντίσταση. Δεδομένου όμως ότι μόνο ένα μικρό κλάσμα των ηλεκτρονίων είναι ζεύγη το αντικείμενο στο οποίο συμβαίνει αυτό δεν χαρακτηρίζεται ως ένα συμπύκνωμα Bose Einstein.

6 Φαινόμενο Meissner ή διαμαγνητισμός (1) Κατά την εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου, έντασης Η σε ένα υπεραγώγιμο υλικό σε θερμοκρασία Τ<Tc, παρατηρείται αποκλεισμός των δυναμικών γραμμών του πεδίου από το εσωτερικό του υλικού, όταν η ένταση του πεδίου είναι μικρότερη μιας κρίσιμης τιμής (Η<Hc). Πρόκειται για το φαινόμενο Meissner- Ochsenfeld ή διαμαγνητικό φαινόμενο. Όταν το υλικό βρεθεί σε θερμοκρασία Τ>Tc, το διαμαγνητικό φαινόμενο εξαλείφεται Η επίδραση του μαγνητικού πεδίου στη θερμοκρασία εμφάνισης του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας φαίνεται παρακάτω Για κάθε Τ<Tc υπάρχει και μια συγκεκριμένη κρίσιμη τιμή έντασης μαγνητικού πεδίου Hc, τέτοια ώστε: όπου Ηο η ένταση του μαγνητικού πεδίου σε θερμοκρασία 0 Κ.

7 Φαινόμενο Meissner (2) Υπεραγωγοί τύπου Ι Στους υπεραγωγούς αυτούς υπάρχει μια κρίσιμη θερμοκρασία Τ c <10 Κ και ένα κρίσιμο μαγνητικό πεδίο Β c <0,2 Τ. Για Τ>Τ c ή Β>Β c δεν υπάρχει υπεραγώγιμη κατάσταση. Παράδειγμα τέτοιου υπεραγωγού είναι τα είναι μέταλλα (Pb, Hg, Sn, Cr, Zn) που εκδηλώνουν αγωγιμότητα σε συνήθεις θερμοκρασίες (πλην του Nb). Καμπύλη μαγνήτισης σε συνάρτηση με την ένταση του μαγνητικού πεδίου για έναν υπεραγωγό τύπου I και έναν υπεραγωγό τύπου II που έχουν την ίδια διαφορά ελεύθερης ενέργειας μεταξύ της κανονικής και της υπεραγώγιμης κατάστασης. Η επιφάνεια κάτω από τις δυο καμπύλες μαγνήτισης είναι η ίδια. Επίδραση της κρίσιμης τιμής των μαγνητικών πεδίων στην εμφάνιση του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας, για υπεραγωγούς τυπου ΙΙ. Υπεραγωγοί τύπου ΙΙ Εδώ υπάρχει μια κρίσιμη θερμοκρασία Τ c <21 Κ και δύο κρίσιμα μαγνητικά πεδία, Η c1 και Η c2 (< 45 Τ). Για Η<Η c1 ο υπεραγωγός συμπεριφέρεται ως υπεραγωγός τύπου Ι. Μεταξύ Η c1 και Η c2 ο υπεραγωγός βρίσκεται σε μία μικτή κατάσταση, όπου η αντίστασή του είναι μηδέν, αλλά το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο δεν αποβάλλεται από το εσωτερικό του. Παράδειγμα τέτοιου υπεραγωγού είναι το Nb και ενώσεις και κράματα μετάλλων [Nb 3 AlGe ο βέλτιστος μέχρι τώρα).

8 Κατηγορίες υπεραγώγιμων μεταλλικών υλικών (1) Τα υπεραγώγιμα μεταλλικά υλικά χωρίζονται στις παρακάτω βασικές κατηγορίες: καθαρά μέταλλα κράματα μεσομεταλλικές ενώσεις τύπου Α 3 Β Η μεταβολή της κρίσιμης θερμοκρασίας σε συνάρτηση με τη θέση του στοιχείου στο Περιοδικό Σύστημα. Τα μέταλλα της V και Vll ομάδας του Π.Σ. εμφανίζουν τις μεγαλύτερες κρίσιμες θερμοκρασίες, ενώ τα μέταλλα των ομάδων με άρτιο αριθμό έχουν τις μικρότερες. Το Nb έχει τη μεγαλύτερη κρίσιμη θερμοκρασία [9,5K].

9 Κατηγορίες υπεραγώγιμων μεταλλικών υλικών (2) Τα κράματα των υπεραγώγιμων στοιχείων παρουσιάζουν μεγαλύτερη κρίσιμη θερμοκρασία από εκείνη του κάθε συστατικού τους χωριστά, όταν η μέση ηλεκτρονική πυκνότητα του κράματος είναι ίση με 4,75. Η μέση ηλεκτρονική πυκνότητα (ρ e ) ενός κράματος Α-Β ορίζεται ως εξής : Τα κυριότερα κράματα που εμφανίζουν υπεραγώγιμες ιδιότητες είναι τα εξής: Nb-60% κ.α. Τi (9 Κ), Nb-25% κ.α. Zr (11 Κ). Οι μεσομεταλλικές ενώσεις που εμφανίζουν υπεραγώγιμες ιδιότητες είναι του τύπου Α 3 Β και παρουσιάζουν μια κυβική κρυσταλλική δομή που είναι γνωστή ως δομή β- βολφραμίου (β-w). Στην κυψελίδα αυτή, τα άτομα Β σχηματίζουν ένα κυβικό πλέγμα, ενώ τα άτομα Α βρίσκονται σε τεταεδρικές θέσεις σε 3 - ορθογωνικά διευθετημένες αλυσίδες. Βασικότεροι εκπρόσωποι είναι: V 3 Ga (16,5 Κ), V 3 Si (17,1 Κ), Nb 3 AI (17,5 Κ), Nb 3 Sn (18,05 Κ) και Nb 3 Ge (23,2 Κ). Κρυσταλλική δομή β-w Τα υπεραγώγιμα μεταλλικά υλικά κατασκευάζονται με μηχανικές κατεργασίες (έλαση, διέλαση) και έχουν τη μορφή συνθέτων υλικών. Χρησιμοποιείται δηλαδή μήτρα ενός καλού αγωγού (π.χ. Cu) μέσα στην οποία τοποθετούνται σύρματα των υπεραγώγιμων ενώσεων ή κραμάτων. Η μήτρα του Cu χρησιμοποιείται επίσης και λόγω της ολκιμότητας που διαθέτει σε σχέση με τις υπεραγώγιμες ενώσεις που είναι σκληρές και ψαθυρές.

10 Κατηγορίες υπεραγώγιμων μεταλλικών υλικών (3) Σύνθετο υπεραγώγιμο σύρμα που περιέχει 19 σύνολα νημάτων Nb με πυρήνα Sn, εγκιβωτισμένα μέσα σε μήτρα Cu Σχηματική αναπαράσταση σύνθετου υπεραγώγιμου υλικού. Μικρογραφία σε τομή πολύκλωνου συρμάτος: Σύνθετο υπεραγώγιμο σύρμα Cu (εξωτερικό περίβλημα) με 2100 εσωτερικά νήματα κράματος Νb-Τi

11 Υπεραγωγοί υψηλών θερμοκρασιών Tο 1986, σε έρευνα πάνω στην αγωγιμότητα μεταλλικών οξειδίων, ανακαλύφθηκαν υπεραγώγιμα μεταλλικά οξείδια με Τ c μέχρι και 100 Κ και Β c =50-100Τ. Ονομάστηκαν υπεραγωγοί υψηλών θερμοκρασιών (HTSC) και αποτελούν τη νέα ελπίδα στην έρευνα των υπεραγωγών. Το μεγάλο τους πλεονέκτημα είναι ότι για την ψύξη των υλικών μπορεί να χρησιμοποιηθεί πλέον υγρό άζωτο (αντί για υγρό He), το οποίο είναι φθηνότερο και πιο εύκολα επιτεύξιμο. Η θεωρητική μελέτη των υπεραγωγών υψηλών θερμοκρασιών είναι υπό εξέλιξη, καθώς η θεωρία BCS στη σημερινή της μορφή δεν είναι απόλυτα επαρκής. Η θεωρητική αυτή μελέτη δίνει ελπίδες περαιτέρω αύξησης της Τ c, η οποία σήμερα έχει φθάσει στους 125Κ. Παράδειγμα τέτοιου υπεραγωγού είναι το Tl-Ba-Ca-Cu-O. O πρώτος HTSC συνετέθη στα εργαστήρια της IBM της Ζυρίχης το 1986 από τους Bednorz και Muller και ήταν ένα οξείδιο τύπου La-Ba-Cu-Ο με T c = 30 Κ. Με βάση αυτό κατασκευάστηκε ένα χρόνο αργότερα από την ομάδα του Chu, στο Πανεπιστήμιο του Houston (ΗΠΑ), ένα οξείδιο τύπου Υ-Ba-Cu-Ο με Τ c = 93 Κ, υψηλότερη δηλαδή και από τη θερμοκρασία του υγρού αζώτου (77 Κ). Οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας είναι κεραμικά υλικά, που υπό φυσιολογικές συνθήκες είναι μονωτές του ηλεκτρισμού.

12 Δομή και ταξινόμηση υπεραγώγιμων κεραμικών (1) Με βάση την κρυσταλλογραφική τους δομή τα κεραμικά υπεραγώγιμα υλικά κατατάσσονται σε 2 κατηγορίες: (α) Τύπου Ba 1-x K x BiΟ 3 (β) Cu-Ο υπεραγώγιμα υλικά (α) Υπεραγώγιμα κεραμικά τύπου Ba 1-x K x BiΟ 3 Ανήκουν στην οικογένεια του απλού κυβικού περοβσκίτη τύπου ΑΒΟ 3 (cubic peroνskite). Η προσθήκη κάποιου ποσοστού Κ (x=0,25) έχει αποτέλεσμα τη σταθεροποίηση της δομής του περοβσκίτη και την αύξηση της μέσης οξειδωτικής βαθμίδας του Bi, λόγω της μερικής υποκατάστασης του Ba. Κρυσταλλική δομή απλού κυβικού περοβσκίτη, τύπου ΑΒΟ 3 (β) Cu-Ο υπεραγώγιμα υλικά 1 η υπο-ομάδα: YBa 2 Cu 3 Ο 7 ή "1-2-3" κεραμικά Έχει δομή τριπλού περοβσκίτη (3 κύτταρα "στοιβαγμένα" με κεντρικά άτομα Ba, Υ, Ba), του οποίου, συγκριτικά με την ιδανική μορφή, λείπουν 2 άτομα Ο. Όταν περιέχει 6-6,5 άτομα Ο ανά στοιχειώδες κύτταρο είναι ημιαγώγιμο και η οξειδωτική βαθμίδα του Cu είναι +2. Από 6,5-7 άτομα Ο ανά στοιχειώδες κύτταρο αυξάνεται η μέση οξειδωτική βαθμίδα του Cu από +2 σε +3 με αποτέλεσμα ορισμένα άτομα Cu της θέσης (2) να αντικαθίστανται απο άτομα Cu με οξειδωτική βαθμίδα +3. Η αλλαγή της οξειδωτικής βαθμίδας του Cu(2) είναι κρίσιμη για τις υπεραγώγιμες ιδιότητες του οξειδίου. Δομή υπεραγωγού τύπου "1-2-3": (α) Ιδανικό κύτταρο υποθετικού ΥΒa 2 Cu 3 O 9 υπεραγωγού. (β) Ιδανική δομή ΥΒa 2 Cυ 3 Ο 7-x υπεραγωγού.

13 2 η υπο-ομάδα: Bi-Sr-Ca-Cu-Ο, ΤI-Ba-Ca-Cu-Ο οξείδια Χαρακτηρίζονται από μια δομή sandwich που αποτελείται από επίπεδα τύπου ΑΒΟ 2, όπου (Α= ΤΙ, Βi και B=Ba, Sr), σε συνδυασμό με επίπεδα CuO 2 ή με επίπεδα τύπου (CuO 2 )Ca(CuO 2 ). Η εναλλαγή των επιπέδων CuΟ 2 γίνεται με παρεμβολή επιπέδων ΑΒΟ 2, τα οποία εμφανίζουν κρυσταλλική δομή ισοδύναμη αυτής του ορυκτού άλατος NaCI. Η οξειδωτική βαθμίδα του Cu παραμένει +2 και η μεταφορά ηλεκτρονίων μπορεί να γίνει από τα επίπεδα CuΟ 2 στα επίπεδα ΑΒΟ 2. Δομή και ταξινόμηση υπεραγώγιμων κεραμικών (2) Υπεραγώγιμα μεταλλικά οξείδια: χημικοί τύποι, δομές και κρίσιμες θερμοκρασίες. Σχηματική παρουσίαση sandwich δομών του οξειδίου CuO 2 με ενδιάμεσα στρώματα με δομή ορυκτού άλατος: (α) απλό στρώμα CuO 2, (β) διπλό στρώμα CuO 2 CaCuO 2 και (γ) τριπλό στρώμα ΑΒΟ 2.

14 Ενεργειακό διάκενο (Δ) (energy gap) Κατά το μετασχηματισμό από την κανονική στην υπεραγώγιμη κατάσταση, παρουσιάζεται αναδιάρθρωση της ηλεκτρονικής δομής κατά τρόπο, ώστε τα ηλεκτρόνια να κατανέμονται ανά ζεύγη και να δημιουργούν το υπεραγώγιμο ρεύμα. Η νέα ηλεκτρονική δομή δημιουργεί ανωμαλία στη συνέχεια των επιτρεπόμενων ενεργειακών σταθμών, με αποτέλεσμα να παρατηρείται μια απαγορευμένη ενεργειακή ζώνη (2Δ) κοντά στην επιφάνεια Fermi. Η υπέρβαση του ενεργειακού διάκενου (Δ) συνιστά τη διάσπαση των ηλεκτρονικών ζευγών και την αναστολή της υπεραγωγιμότητας. Ασυνέχεια ειδικής θερμότητας Κατά τη μετάβαση από την κανονική στην υπεραγώγιμη κατάσταση, παρατηρείται απότομη αύξηση της ειδικής θερμότητας χωρίς την εμφάνιση της λανθάνουσας θερμότητας. Η απότομη αλλαγή στην ειδική θερμότητα εξηγείται από την ύπαρξη του ενεργειακού διάκενου (Δ). ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ (1) ΚΒΑΝΤΩΣΗ της μαγνητικής ροής Ένας υπεραγωγός τύπου Ι μπορεί να παγιδεύσει τη μαγνητική ροή εφόσον βρεθεί σε μαγνητικό πεδίο με θερμοκρασία μεγαλύτερη από την κρίσιμη. Τόσο η θεωρία London όσο και η BCS προβλέπουν ότι η παγιδευμένη μαγνητική ροή είναι κβαντισμένη. Φ = nφ 0 με Φ 0 = πћ/e Το φαινόμενο σήραγγας Josephson Μια άλλη σημαντική θεωρητική πρόοδος έγινε το 1962 από τον 22χρονο Brian D. Josephson, φοιτητή του Cambridge University, ο οποίος πρόβλεψε ότι ΕΝΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ΘΑ ΜΠΟΡΟΥΣΕ ΝΑ ΚΑΝΕΙ ΤΗΝ ΕΜΦΑΝΙΣΗ ΤΟΥ ΜΕΤΑΞΥ ΔΥΟ ΥΠΕΡΑΓΩΓΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ακόμα κι αν μεταξύ τους βρίσκεται ένα μη υπεραγώγιμο υλικό ή ένας μονωτής. Η πρόβλεψή του επιβεβαιώθηκε και 1973 τιμήθηκε με το βραβείο Nobel. Το «φαινόμενο Josephson» έχει βρει εφαρμογή στον ανιχνευτή SQUID, τον καλύτερο ανιχνευτή μαγνητικών πεδίων.

15 Η Ενδιάμεση κατάσταση (mixed state) Η ενδιάμεση κατάσταση (mixed state ή flυx pinning) εμφανίζεται στους υπεραγωγούς τύπου ΙΙ για εντάσεις μαγνητικού πεδίου μεταξύ της άνω και της κάτω κρίσιμης τιμής. Αποτέλεσμα είναι η σταδιακή διείσδυση των δυναμικών γραμμών μέσα στο υλικό δημιουργώντας κανονικές περιοχές (normal phases), οι οποίες βρίσκονται σε επαφή με τις υπεραγώγιμες περιοχές. Η διείσδυση του πεδίου, κατά περιοχές, δημιουργεί τα λεγόμενα ροοειδή (fluxoids ή νortices), τα οποία διατάσσονται κατά κανονικό τρόπο δημιουργώντας το λεγόμενο πλέγμα Abrikosoν και περιστοιχίζονται από κυκλικά υπερρεύματα (supercurrents). Με την αύξηση της έντασης του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου προκαλείται ο "ερπυσμός" και η εξάπλωση των ροοειδών (flux creep) λόγω της αύξησης της δύναμης Lorentz, με αποτέλεσμα τη μείωση της έκτασης της υπεραγώγιμης φάσης. Οι ακαθαρσίες αλλά και οι ατέλειες του κρυσταλλικού πλέγματος (διαταραχές, όρια κόκκων, κατακρημνίσματα, εγκλείσματα, κ.λ.π.) θέτουν εμπόδια στη μετατόπιση των ροοειδών προκαλώντας το φαινόμενο της αγκύρωσης των ροοειδών (flυx pinning effect). Η μεταλλουργική κατεργασία των υπεραγώγιμων υλικών έχει πολλές φορές ως αποτέλεσμα τη βελτίωση της υπεραγωγιμότητας τύπου ΙΙ (αύξηση του J c ), είτε λόγω προσμείξεων, είτε με αύξηση της πυκνότητας διαταραχών κατά τη μορφοποίηση (έλαση, διέλαση, εκρηκτική συμπίεση). Η διείσδυση του μαγνητικού πεδίου μέσα σ' έναν υπεραγωγό. Ο βαθμός της σκίασης δείχνει την ένταση του πεδίου, ενώ οι γραμμές τη ροή των ρευμάτων. Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου, οι οποίες είναι κάθετες προς το επίπεδο του σχήματος κι έχουν κέντρο τα σκοτεινά σημεία, περικλείονται από δακτυλίους ρευμάτων που λέγονται ροοειδή.

16 Σύνθεση υπεραγώγιμης σκόνης (α1 ) Πυροσυσσωμάτωση σε στερεά κατάσταση (sintering). Σε θερμοκρασία γύρω στους 950 ο C, με πρώτες ύλες Υ 2 Ο 3, BaCO 3, CuO στοιχειομετρικά αναμεμειγμένες, συντίθεται το κεραμικό υλικό "1-2-3". Μετά την πυροσυσσωμάτωσης (9-16h), ακολουθεί θερμική κατεργασία της σκόνης σε θερμοκρασία γύρω στους 900 ο C, σε ατμόσφαιρα οξυγόνου, προκειμένου να αναπληρωθούν οι απώλειες ατόμων οξυγόνου στον κρύσταλλο. (α2) Μέθοδος συγκαταβύθισης (Co-precipitation method). Ως πρώτες ύλες χρησιμοποιούνται υδατικά διαλύματα νιτρικών, και όχι ανθρακικών, αλάτων των στοιχείων που θα αποτελέσουν το υπεραγώγιμο οξείδιο. Η παραμένουσα στο ίζημα υγρασία αποβάλλεται με ξήρανση. Η μέθοδος της συγκαταβύθισης είναι πιο αξιόπιστη από την προηγούμενη, διότι η παρασκευή της υπεραγώγιμης φάσης γίνεται με ανάμειξη ατόμων, δεν εισάγονται ακαθαρσίες και δεν "μολύνονται" τα όρια των κόκκων του υπεραγώγιμου υλικού, με σχηματισμό υμενίων άνθρακα. (α3) Τεχνική Sol-Gel Πρόκειται για πρωτοποριακή τεχνική παρασκευής πολύ καθαρών, ομογενών και λεπτόκοκκων κεραμικών υλικών. Μικροσκοπικά σωματίδια (1-100 nm) σε κολλοειδή διασπορά (gel), συμπυκνώνονται και μετατρέπονται σε ελαστική μάζα (sol). Όταν η μετατροπή αυτή γίνεται με χημικό τρόπο, η μέθοδος χαρακτηρίζεται ως sol-gel διεργασία και απαιτεί σταθερή τιμή του ph των χρησιμοποιούμενων διαλυμάτων. Η καθαρότητα κι η στοιχειομετρία του κεραμικού υλικού μετά την ξήρανση των gels είναι πολύ υψηλή. Η τεχνική sol-gel, λόγω της διασφάλισης της απαιτούμενης στοιχειομετρίας, είναι πολύ αποδοτική κυρίως σε πολυφασικά συστήματα, π.χ. Bi-Sr-Ca-Cu-0 και Ti-Ba-Ca-Cu-O.

17 Παραγωγή και μορφοποίηση συμπαγούς υπεραγώγιμου υλικού Τεχνική τήξης-ανακρυστάλλωσης (Melt texturing) Πρόκειται για τεχνική παρασκευής υπεραγώγιμων μονοκρυστάλλων: σκόνη YBa 2 Cu 3 O 7 θερμαίνεται πολύ αργά στο διάστημα o C με αποτέλεσμα τη δημιουργία υγρής και στερεής φάσης. Με περαιτέρω θέρμανση στους 1320 ο C επιτυγχάνεται πλήρης τήξη. Το τήγμα διατηρείται σ αυτή τη θερμοκρασία για 2h περίπου και στη συνέχεια ψύχεται πολύ αργά. Κατά την ψύξη αναπτύσσονται βελονοειδείς κρυσταλλίτες μεγάλου μήκους ( μm). Η πυκνότητα ρεύματος είναι της τάξης των 104 A/cm 2, σε θερμοκρασία υγρού αζώτου, τιμή πολύ υψηλότερη από αυτή των αντίστοιχων πολυκρυσταλλικών υπεραγώγιμων υλικών. Τεχνική "σκόνης μέσα σε σωλήνα" (Powder-in-Tube Technique, ΡΙT) Σωλήνας από αγώγιμο μεταλλικό υλικό (Ag, Cu) πληρούται με σκόνη υπεραγώγιμου υλικού. Ακολουθεί μείωση της διατομής του με μηχανικές κατεργασίες έλασης ή διέλασης. Με αυτή τη μέθοδο επιτυγχάνεται παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων, σε βιομηχανική κλίμακα, υπεραγώγιμου σύρματος με πυρήνα κυρίως Bi-Sr-Ca-Cu-0. Εκρηκτική συμπίεση σκόνης (Explosiνe compaction of powders) Η σκόνη αρχικά τοποθετείται μέσα σε ένα μεταλλικό περίβλημα (Ag, Cu, κ.λπ. ) και γύρω από αυτό τοποθετείται ισχυρή εκρηκτική ύλη. Γίνεται ηλεκτρική διέγερση του εκρηκτικού, και το παραγόμενο κρουστικό κύμα μεταδίδεται μέσω του μεταλλικού περιβλήματος στο σώμα της σκόνης. Το τασικό κύμα που αναπτύσσεται έχει σαν αποτέλεσμα τη συμπίεση και τη συσσωμάτωση της σκόνης, δημιουργώντας έτσι συμπαγές υλικό. Μετά από κατάλληλη θερμική κατεργασία, ακολουθεί μορφοποίηση του συνθέτου υλικού "μεταλλικό περίβλημα-κεραμικό" με κατάλληλη μηχανική κατεργασία (έλαση, διέλαση, συρματοποίηση), είτε εν ψυχρώ, είτε εν θερμώ.

18 Παραγωγή λεπτών υμενίων και επιστρωμάτων μεγάλου πάχους (1) Υπεραγώγιμα επιστρώματα με ηλεκτροφόρηση Με διάλυση της υπεραγώγιμης σκόνης σε κατάλληλο διαλύτη και επιλογή κατάλληλης πυκνότητας ρεύματος γίνεται συναπόθεση των μετάλλων στην κάθοδο (π.χ. Υ, Ba, Cu στην περίπτωση Υ-Ba-Cu-0). Ακολουθεί θερμική κατεργασία σε ατμόσφαιρα οξυγόνου, για μείωση του πορώδους και αναπλήρωση του στοιχειομετρικού οξυγόνου. Το πάχος των επιστρωμάτων είναι συνήθως >10μm. Απόθεση ιόντων υλικού της καθόδου με χρήση ηλεκτρικού τόξου συνεχούς ρεύματος (RF/DC spυttering) Η σκόνη συμπιέζεται και τοποθετείται πάνω σε μεταλλικό υποδοχέα, με την εφαρμογή κενού. Με επιβολή ορισμένης τάσης, γίνεται εξάχνωση της σκόνης (κάθοδος) με κατάλληλη ηλεκτρική εκκένωση και απόθεσή της πάνω σε ειδικά υποστρώματα (MgO, SrTlO 3 ). Ακολουθεί θερμική κατεργασία σε ατμόσφαιρα οξυγόνου. Το πάχος των επιστρωμάτων κυμαίνεται από nm.

19 Παραγωγή λεπτών υμενίων και επιστρωμάτων μεγάλου πάχους (2) Με χρήση Laser Συνεξάχνωση με δέσμη ηλεκτρονίων (Electron beam co-eνaporation) Απόθεση με ψεκασμό πλάσματος (Plasma spray deposition)

20 Εφαρμογές υπεραγώγιμων υλικών Ηλεκτρομαγνήτες Σε εφαρμογές όπου απαιτούνται υψηλής έντασης μαγνητικά πεδία (πυρηνικοί αντιδραστήρες, μαγνητοϋδροδυναμικές γεννήτριες, μαγνητικοί τομογράφοι, κ.λπ.). Ηλεκτρικές μηχανές Προβλέπεται η χρήση υπεραγώγιμου επαγωγέα στις ηλεκτρικές μηχανές, με αποτέλεσμα την εξασφάλιση υψηλών μαγνητικών εντάσεων και την εξοικονόμηση όγκου. Μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας Προβλέπεται η χρήση υπεραγώγιμων συρμάτων, που θα μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα υψηλής πυκνότητας. Μαζικές μεταφορές Εφαρμογή υπεραγώγιμων υλικών για την κατασκευή του "απωθούμενου τραίνου", όπου η δράση ισχυρών μαγνητικών πεδίων είναι απαραίτητη για την ανάπτυξη μεγάλων απωστικών δυνάμεων. Ηλεκτρονικοί υπολογιστές. Η χρήση των υπεραγώγιμων υλικών στην τεχνολογία των micro-switches θα φέρει μεγάλη βελτίωση στην ταχύτητα επεξεργασίας σήματος. Μετρητική τεχνολογία Με την αξιοποίηση του φαινομένου Josephson είναι δυνατή η κατασκευή ευαίσθητων μετρητικών οργάνων (AC/DC SQUIDS). Ιατρική Με τη χρήση μαγνητικών τομογράφων και άλλων ευαίσθητων μαγνητικών οργάνων. Πυρηνική Φυσική Χρησιμοποιούνται μεγάλης ισχύος ηλεκτρομαγνήτες στους επιταχυντές σωματιδίων (SSC: Superconductor Super Collider).