Cıva bazlı CuO2 katmanlı yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin elektrik ve manyetik özelliklerinin tespiti
Determination of electrical and magnetic properties of mercury based CuO2 layered superconductors
Yazar: ZEYNEP GÜVEN ÖZDEMİR
Danışman: PROF. DR. ÜLKER ONBAŞLI
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Bose-Einstein yoğunlaşması = Bose-Einstein condensation ; Süper iletkenler = Superconductors

Özet:
21. yüzyılda fiziğin halen çözümlenememiş problemlerinden birisi de yüksek sıcaklık süperiletkenlerindeki elektriksel iletim mekanizmasıdır. Bu doktora tezinde, yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde elektriksel iletkenliği açıklayan mekanizmanın belirlenmesi amacıyla, şu ana dek normal atmosferik basınçta en yüksek Meissner kritik geçiş sıcaklığına sahip cıva bazlı bakır oksit katmanlı HgBa2Ca2Cu3O8+x süperiletkeninin elektrik ve manyetik özelliklerinin araştırması yapılmıştır. Bu araştırma çerçevesinde, kritik akım yoğunluğu, süperiletkenlik yoğunlaşma enerjisi, Josephson kuplaj enerjisi, Josephson nüfuz derinliği, anizotropi faktörü, Josephson plazma rezonans frekansı hem optimum hem de aşırı düzeyde oksijenle ısıl işlem geçirmiş HgBa2Ca2Cu3O8+x süperiletkeni için hesaplanmıştır. İlgili hesaplar için manyetizasyon(mıknatıslanma)-manyetik alan (manyetik histerezis) verileri kullanılmıştır. c-ekseni boyunca yüksek anizotropi faktörü değerlerine rağmen, optimum olarak oksijen katkılandırılmış numunede sıvı helyum sıcaklığında, süperiletkenlik yoğunlaşma enerjisi ile Josephson kuplaj enerjisinin birbirine eşit olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, bu eşitliğin 3-7K sıcaklık aralığında geçerli olduğu teorik hesaplarla belirlenmiştir. Bunun sonucu olarak bu tezde, P.W. Anderson tarafından tek katmanlı sistemler için önerilen Katmanlar Arası teori, birim hücresinde üç bakır oksit katmanı içeren HgBa2Ca2Cu3O8+x yüksek sıcaklık süperiletkeni için ilk kez ispat edilmiştir. Bu bağlamda, numunenin ab-düzlemindeki süperiletken bakır oksit katmanlarında bulunan elektron çiftlerinin gerçekleştirdiği iki boyutlu Bose-Einstein yoğunlaşmasının, sistemde oluşan Josephson plazma rezonans frekansında oluşan sanki parçacık tünellemesi yoluyla c-ekseni boyunca tüm katmanlara yayıldığı gösterilmiştir. Ayrıca, düşük sıcaklıklarda optimum düzeyde oksijen katkılı HgBa2Ca2Cu3O8+x süperiletken numunesinin, Josephsonplazma rezonansı ile üç boyutlu Bose-Einstein yoğunlaşması sergilediği ispat edilmiştir. Bundan da öte, bu tez çalışmasıyla birlikte, düşük sıcaklıklarda üç boyutlu Bose-Einstein yoğunlaşması sergilenmesi sonucu, elektrik akımının tüm bakır oksit katmanlarına kayıpsız iletildiği sonucuna varılmıştır. Başka bir deyişle, literatürde süperiletkenden akan akım için süregelen tanecikler içinden veya arasından ayrımı Hg-1223 süperiletkeni için sıvı helyum sıcaklığında ortadan kalkmıştır. Sonuç olarak 4,2K'de hesaplanmış olan m2 başına 1012A değerindeki kritik akım yoğunluğunun, iletim akımına eşit olduğu sonucuna anlaşılmıştır. Ayrıca yukarıda bahsedilen özellikleri nedeniyle, ilgili süperiletken materyal düşük sıcaklıklarda eş fazlı bir elektromanyetik dalga kaynağı cihazı olarak kullanılabilir.Bu tez çalışmasının ikinci kısmı ise, HgBa2Ca2Cu3O8+x süperiletkeninin manyetik momentinin sanal bileşeninde kendini belli eden Paramanyetik Meissner olayında, oksijenle ısıl işlem sürecinin rolünün detaylı incelemesine ayrılmıştır. Yapılan incelemelere göre, oksijenle ısıl işlem geçiren numunede hem Meissner kritik geçiş hem de Paramanyetik Meissner sıcaklığının daha yüksek sıcaklık değerlerine kaydığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, oksijen katkısının sadece süperiletken sistemin manyetik momentinin sanal kısmının sıcaklığa bağlılık karakteristiğini etkilediği belirlenmiştir.

Abstract:
One of the unsolved problems of physics in the 21st century is the electrical conductivity mechanism in high temperature superconductors. In this doctorate thesis, the electrical and magnetic properties of mercury based copper oxide layered superconductor HgBa2Ca2Cu3O8+x, which has the highest Meissner transition temperature at the normal atmospheric pressure up to now, has been investigated in order to determine the mechanism, that explains the electrical conductivity in high temperature superconductors. In the context of this investigation, critical current density, superconducting condensation energy, Josephson coupling energy, Josephson penetration depth, anisotropy factor, Josephson plasma resonance frequency have been calculated for both optimally and over oxygen annealed HgBa2Ca2Cu3O8+x superconductors. The magnetization versus magnetic field (magnetic hysterezis) data has been used for the related calculations. Despite the high anisotropy factor values along the c-axis, it has been determined that the superconducting condensation energy and Josephson coupling energy values were found to be equal to one another in the optimally oxygen annealed sample at the liquid helium temperature. Moreover, it has been realized by the theoretical calculations that this equality is valid for the temperature interval of 3-7K. Accordingly, for the first time in this thesis the Interlayer Theory, which was proposed by P.W. Anderson for one layered systems, has been proved for the HgBa2Ca2Cu3O8+x high temperature superconductor which contains three copper oxide layers in its unit cell. In this context, it has been pointed out that the two-dimensional Bose-Einstein condensation, which is carried out by the electron pairs in superconducting copper oxide layers in the ab-plane of the sample, has been extended all layers along the c-axis via quasi particle tunneling at the Josephsonplasma resonance forming in the system. Moreover, it has been proved that optimally oxygen doped HgBa2Ca2Cu3O8+x sample performs the three-dimensional Bose-Einstein condensation at low temperatures via Josephson plasma resonance. Furthermore, with this doctorate thesis, it has been pointed out that the electric current transport all copper oxide layers lossless due to the exhibition of three- dimensional Bose-Einstein condensation at low temperature. The dilemma that goes on about the flow of the supercurrent intra or inter grain of the high temperature superconductors has been resolved for the Hg-1223 superconductor at liquid helium temperature. It has been realized that the calculated critical current density value of 1012A per m2 equals to the transport current of the system at 4,2K. The related superconducting material can be used as a coherent electromagnetic wave source device due to its properties mentioned above.The second part of this thesis has been devoted to detailed investigation of the role of the oxygen annealing process on the Paramagnetic Meissner effect, which emanates itself in the imaginary part of magnetic moment of the HgBa2Ca2Cu3O8+x superconductor. It has been observed that both the Meissner transition and the Paramagnetic Meissner temperatures increase for the optimally oxygen annealed samples. It has been also determined that the oxygen doping only affects the characteristics of temperature dependence of the imaginary part of the magnetic moment.