Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde rölativistik olan ve olmayan bölgelerde simetrilerin ve kırılmalarının incelenmesi
Investigation of the symmetries and the breakages in relativistic and non-relativistic regions in high temperature superconductors
Yazar: ÖZDEN ASLAN
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: Süper iletkenler = Superconductors

Özet:
Simetri ve kırılmaları kavramı, Yoğun Madde Fiziği, Temel Parçacıklar Fiziği, Yüksek Enerji Fiziği, Astrofizik gibi fiziğin hemen hemen her alanında, incelenen sistemi hem matematiksel açıdan basitleştirmekte hem de sistemin asli özelliklerini belirlemekte kullanılan çok önemli bir unsurdur. Bu nedenle, bu tez çalışmasında simetri ve kırılmaları kavramı, bir yüksek sıcaklık süperiletkeni olan HgBa2Ca2Cu3O8+x süperiletkeni baz alınarak incelenmiştir. İncelenen malzeme tez danışmanı Prof.Dr. Ülker Onbaşlı tarafından sentezlenmiş olup, normal atmosferik basınçta şimdiye kadar en yüksek kritik geçiş sıcaklığı, Tc, kritik akım yoğunluğu, jc ve termodinamik kritik alan, Hc değerlerine sahip bir numunedir.İlgili simetri ve kırılmaları, manyetik moment-sıcaklık eğrileri yardımıyla elde edilen ve kritik kuantum kaos noktaları olarak nitelendirilebilen, Meissner kritik geçiş sıcaklığı, Tc ve paramanyetik sinyalin maksimum olarak gözlemlendiği sıcaklık, TPMO yardımıyla incelenmiştir. Bu bağlamda;1) Meissner kritik geçiş sıcaklığında, bir boyutlu global ayar simetrisi kırılmaktadır. Ayrıca, rölativistik süperiletken sistemin bu sıcaklıkta, artık sadece kristal bir yapı olarak değil, ?Segâh Soliton? adı verilen çift heliks (sarmal) şeklindeki kuantum mekaniksel bir dalga olarak da betimlenebildiği anlaşılmıştır.2) Paramanyetik Meissner sıcaklığında ise zaman geri dönüşüm ve spin rotasyon simetrilerinin kırıldığı belirlenmiştir.3) Süperiletken sistemde korunan tek simetrinin ise inversiyon simetrisi olduğu bu tez çalışmasında ortaya çıkmıştır.4) TPMO'nun oldukça altındaki sıcaklıklarda, süperiletken sistemin kuantum mekaniksel sayılarının (yörünge kuantum ve manyetik kuantum sayıları) aynı olduğu anlaşılmıştır. Bu durumda sistemi, iç dinamikleri, simetri ve kırılmaları bağlamında incelemek oldukça zordur. Bu doktora tez çalışmasıyla bahsedilen zorluk aşılarak, sistemi betimleyen tek değişken olan faz farkının değişimi ve sanki parçacıkların etkin kütlesi, m* arasında ?Onguas denklemi? adıverilen bir bağıntı türetilmiştir. Etkin kütle niceliği ile elde edilen bazı sonuçlar aşağıda maddeler halinde listelenmistir.4.a) Sanki parçacıkların etkin kütlesi, m*'ın sıcaklıkla değişiminin birinci türevinden maksimum bir değer (zenith, verteks) saptanmıştır. Optimum olarak oksijenle katkılandırılmış numunede bu olayın sıvı azot sıcaklığında vukû bulduğu anlaşılmıştır. Bu tezde bu özel sıcaklık değeri, limit sıcaklık olarak adlandırılmaktadır.4.b) Optimum olarak katkılandırılmış süperiletken numune için bu özel limit sıcaklık değerinde sistemin plazma frekans değeri, mikrodalgadan kızıl ötesine (infrared) kaymaktadır.4.c) Genel rölativite prensiplerine göre, gravitasyonel bir çekim alanında elektromanyetik dalga frekansının mikrodalgadan infrared bölgeye kaydığı bilindiğinden, ilgili verteksin bir kuantum çekim alanı oluşturduğu sonucuna varılmıştır.5) Bunların yanı sıra, soliton olarak nitelendirilen Josephson girdaplarına ait serbest enerji değerleri hesaplanmış ve bu enerji değerlerine karşılık gelen frekans değerlerinin mor ötesi (ultraviyole) bölgede olduğu anlaşılmıştır.Ayrıca, kritik geçiş sıcaklığı üzerine oksijenle az katkılandırmanın ve d.c.(doğrusal akım) manyetik alanın değişim etkileri, manyetik moment-sıcaklık verileri yardımıyla incelenmiş ve bu bağlamda kritik geçiş sıcaklığının azaldığı tespit edilmiştir.Tezin en son bölümü ise, sistemi kristalografik simetri bağlamında ele almak için sistemin X-ışını kırınım desenleri (XRD) bakımından incelenmesine ayrılmıştır. XRD yardımıyla optimum ve az düzeyde oksijenle ısıl işlem geçirmiş süperiletken örneklerin kristal yapıları bu bağlamda incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda, her iki numunenin de baskın olarak HgBa2Ca2Cu3O8+x ve azınlık olarak da HgBa2CaCu2O6+x fazlarını ihtiva ettiği saptanmıştır.

Abstract:
The concept of symmetry and its breakages are very important components of physics and it is used not only to simplify the system mathematically but also to determine the intrinsic properties of the system in almost every field of physics, such as Condensed Matter Physics, Elementary Particle Physics, High Energy Physics and Astrophysics. In this doctorate thesis, the concept of symmetry and its breakages were investigated by means of the HgBa2Ca2Cu3O8+x high temperature superconductor. The investigated material, which was synthesized by Prof. Dr. Ülker Onbaşlı, has the highest critical transition temperature, Tc, the current density, jc, and thermodynamic critical magnetic field, Hc under the normal atmospheric pressure until now.The related symmetries and their breakages were investigated by means of the critical Meissner temperature, Tc and the temperature observed as a maximum of Paramagnetic Meissner Effect, TPME . These temperatures correspond to the critical quantum chaos points that were obtained via magnetic moment versus temperature curves. From this point of view, the following conclusions were reached:1) The one dimensional global gauge symmetry is broken at Meissner critical transition temperature. At this temperature, the relativistic superconducting system can be described as not only a crystal structure, but also the double helix quantum mechanical wave named as ?Segâh Solitons?.2) At Paramagnetik Meissner temperature, both of the time reversal and the spin rotation symmetries are broken.3) The inversion symmetry is the only symmetry which is conserved.4)The quantum mechanical numbers (orbital quantum and magnetic quantum numbers) of the superconducting system are the same at temperatures lower than TPME. In this situation, the investigation of the system is difficult from the point of view of intrinsic dynamics, symmetries and their breakages. This difficulty was overcome by the introduction of the concept of the relation between the phase difference being the only variable of the system and the effective mass of the quasi-particles, m* which was so called as ?Onguas Equation?. Somefindings, which were determined by means of the effective mass quantity, are listed as follows.4.a) The maximum value by means of the effective mass of the quasi-particles with respect to temperature, so called zenith (vertex) of the system, was obtained from the first derivative of m*-T relationship. It was found that this maximum value occurs in liquid nitrogen temperature for optimally doped sample. In this thesis, special temperature value was called as the limit temperature.4.b) The plasma frequency value of the system shifts from microwave to infrared region at the special limit temperature for optimally doped superconducting sample.4.c) According to the principles of the general relativity that the frequency of the electromagnetic wave shifts from microwave to infrared region under the attractive gravitational field. Hence, it was concluded that the related vertex must be attributed to the presence of the quantum gravitational field.5) The free energy values of the Josephson vortex which is defined as solitons was calculated and understood that these energy values correspond to ultraviolet region.The effects of under-doping with oxygen and the variation of d.c. (direct current) magnetic field on the transition temperature were investigated by magnetic moment-temperature data and it was observed that Tc was decreased.The last chapter of the thesis has been devoted to the examination of the superconducting system in the context of crystallographic symmetry by means of the X-ray diffraction (XRD) pattern. The crystal structures of the optimally doped and the under-doped superconducting samples were investigated. Hence, it was determined that both of the samples consist of HgBa2Ca2Cu3O8+x in major phase and HgBa2CaCu2O6+x in minor phase.