Supravodiˇce M. Odstrˇcil, T. Odstrˇcil ˇ FJFI - CVUT, Bˇrehov´a 7, 115 19 Praha 1
[email protected],
[email protected] Abstrakt V ˇcl´anku je pops´an n´aˇs experiment, jehoˇz c´ılem bylo urˇcit kritickou teplotu vysokoteplotn´ıch supravodiˇc˚ u YBaCuO a BSCCO. Potom jsme rozebrali probl´emy, kter´e vznikly bˇehem tˇechto mˇeˇren´ı, moˇzn´e zp˚ usoby jejich vysvˇetlen´ı a odstranˇen´ı.
1
Teoretick´ yu ´ vod
Supravodiˇce se dˇel´ı do dvou z´akladn´ıch druh˚ u, supravodiˇce I. a II. typu, podle toho jak se chovaj´ı v siln´em magnetick´em poli. My jsme naˇse mˇeˇren´ı prov´adˇeli na vysokoteplotn´ıch supravodiˇc´ıch, kter´e se ˇrad´ı do supravodiˇc˚ u II. typu. Jin´e neˇz vysokoteplotn´ı nen´ı moˇzn´e mˇeˇrit ve ˇskoln´ıch praktik´ach, protoˇze zat´ımco ty supravodiˇce, se kter´ ymi jsme pokus prov´adˇeli, staˇcilo ochladit dus´ıkem, ostatn´ı supravodiˇce by se musely chladit kapaln´ ym heliem a to uˇz je technicky podstatnˇe n´aroˇcnˇejˇs´ı. Pˇri kritick´e teplotˇe (TC ) se zaˇc´ınaj´ı elektrony v supravodiˇci spojovat do Cooperov´ ych p´ar˚ u, kter´e jsou na rozd´ıl od elektron˚ u bosony a proto mohou b´ yt vˇsechny v jednom kvantov´em stavu. A pr´avˇe jejich korelace zp˚ usobuje supravodivost. A urˇcen´ı t´eto kritick´e tepoty je c´ılem tohoto experimentu. Kritickou teplotu urˇc´ıme zmˇeˇren´ım z´avislosti odporu na teplotˇe.
2
Pouˇ zit´ e pˇ r´ıstroje a pom˚ ucky
K mˇeˇren´ı jsme pouˇzili sadu na mˇeˇren´ı pˇrechodov´e teploty supravodiˇc˚ u od firmy LD Didactic GmbH (obr. 1). Supravodiˇc je v uloˇzen´ y sondˇe (ˇc´ıslo 2), kter´a se vloˇz´ı do tekut´eho dus´ıku. V´ ystup z tohoto pˇr´ıstroje, kter´ y pˇrev´adˇel mˇeˇren´e hodnoty odporu a teploty na napˇet´ı, jsme pak pomoc´ı programu DataStudio zaznamenali do poˇc´ıtaˇce.
3
Mˇ eˇ ren´ı
Prvn´ı mˇeˇren´ı jsme prov´adˇeli na supravodiˇci YBaCuO1 [ybakuo], protoˇze ten byl pˇr´ımo integrovan´ y v mˇeˇr´ıc´ı sondˇe uˇz od v´ yrobce. Mˇeˇren´ı prob´ıhalo tak, ˇze jsme sondu vloˇzili do kapaln´eho dus´ıku a poˇc´ıtaˇcem zaznamen´avali hodnoty. Sonda je hlin´ıkov´a krabiˇcka, ve kter´e je pˇripevnˇen´ y supravodiˇc tak, aby se nedot´ ykal stˇen. Teplo se pˇren´aˇselo jen pomalu vzduchem a podloˇzkou na kter´e leˇz´ı. Kdyby se supravodiˇc vloˇzil do dus´ıku pˇr´ımo, tak 1
YBa2 Cu3 O7−X
Obr´azek 1: Mˇeˇr´ıc´ı aparatura s pˇr´ısluˇsenstv´ım
by se sice dalo taky nˇeco zmˇeˇrit, protoˇze ˇcist´ y dus´ık je nevodiv´ y, ale ochlazen´ı by bylo tak rychl´e, ˇze by se nic pouˇziteln´eho nedalo zmˇeˇrit. Po tom, co jsme supravodiˇc ochladili, tak jsme jeˇstˇe pro kontrolu vyzkouˇseli opaˇcn´ y smˇer, kdy se sonda na vzduchu pomalu ohˇr´ıvala. Pˇri druh´em mˇeˇren´ı jsme v sondˇe vymˇenili p˚ uvodn´ı supravodiˇc a m´ısto nˇej jsme tam vloˇzili supravodiˇc BSCCO2 [bisko], kter´ y mˇel vyˇsˇs´ı pˇrechodovou teplotu (podle v´ yrobce 108K) a mˇelo by b´ yt jednoduˇsˇs´ı dos´ahnout TC . S t´ım jsme provedli stejn´ y postup, s t´ım rozd´ılem, ˇze jsme maxim´alnˇe zes´ılili v´ ystup z aparatury, protoˇze odpor nov´eho supravodiˇce byl ˇr´adovˇe niˇzˇs´ı. Supravodiˇc YBaCuO mˇel odpor 5Ω a BSCCO mˇel podle v´ yrobce 0,02Ω (my jsme zmˇeˇrili 0,04Ω).
4
Probl´ emy mˇ eˇ ren´ı
Probl´emem prvn´ıho mˇeˇren´ı bylo, ˇze se n´am nedaˇrilo ochladit supravodiˇc na dostateˇcnˇe n´ızkou teplotu, abychom si byli jist´ı, ˇze uˇz pˇreˇsel do supravodiv´eho stavu. Pˇrek´aˇzka byla v tom, ˇze pr˚ uchodem proudu supravodiˇcem a termistorem se supravodiˇc slabˇe zahˇr´ıval, a protoˇze jsme byli t´emˇeˇr na teplotˇe varu dus´ıku, tak tento jev zabraˇ noval pˇrechodu. Proto jsme se pokusili nˇekolikr´at vypnout mˇeˇr´ıc´ı aparaturu a zase zapnout, aby mˇela teplota moˇznost poklesnout. Na obr´azku 2 je vidˇet, jak i mal´ y rozd´ıl teploty dok´azal v´ yraznˇe sn´ıˇzit odpor, a naopak kr´atk´e zapojen´ı mˇeˇr´ıc´ı aparatury dok´azalo rychle ohˇr´at supravodiˇc. Z naˇseho mˇeˇren´ı n´am vyˇslo, ˇze teplota pˇrechodu je pˇribliˇznˇe mezi -190 aˇz -195. U druh´eho mˇeˇren´ı na supravodiˇci BSCCO jsme teplotu, pˇri kter´e nastal pokles odporu, urˇcili pˇribliˇznˇe na 100K aˇz 110K. V´ yhodou bylo, ˇze byla vyˇsˇs´ı a nebylo ani potˇreba vyp´ınat mˇeˇr´ıc´ı aparaturu. Probl´em byl, ˇze graf z´avislosti odporu na teplotˇe vypadal jinak, neˇz jsme ymi hodnotami, pˇredpokl´adali (obr. 3). Tak´e jsou v grafu znaˇcn´e rozestupy mezi namˇeˇren´ protoˇze digit´aln´ı pˇrevodn´ık nebyl dostateˇcnˇe pˇresn´ y. 2
Bi1,8 Pb0,2 Sr2 Ca2 Cu3 O10+X
Obr´azek 2: Namˇeˇren´e hodnoty v z´avislosti na ˇcase, YBaCuO
Obr´azek 3: BSCCO - Z´avislost odporu na teplotˇe
Obr´azek 4: Odpor v z´avislosti na teplotˇe pro YBaCuO a BSCCO
Obr´azek 5: Hodnoty namˇeˇren´e v´ yrobcem u supravodiˇce YBaCuO
5
Diskuze
Z namˇeˇren´ ych hodnot pro YBaCuO obr. 4 je vidˇet, ˇze na konci uˇz zaˇcal padat odpor k nule. Nen´ı tam vidˇet ta ˇca´st, kdy by uˇz mˇel b´ yt konstantn´ı (nulov´ y). Je to nejsp´ıˇse zp˚ usobeno t´ım, ˇze teplota varu dus´ıku je -196 a my jsme mˇeli moˇznost mˇeˇrit teplotu pouze s pˇresnost´ı na 5. To, ˇze se do supravodiv´eho stavu opravdu dostane, jsme ovˇeˇrili pozdˇeji pomoc´ı magnetu, kter´ y nad supravodiˇcem v kapaln´em dus´ıku levitoval. Namˇeˇren´a z´avislost celkem odpov´ıd´a hodnot´am od v´ yrobce [1] (obr. 5), aˇz na to ˇze n´am odpor zaˇcal klesat o 10 stupˇ n˚ u pozdˇeji. To lze vysvˇetlit t´ım, ˇze YBaCuO je citliv´e na vlhkost a kdyˇz je dlouhou dobu ve vlhku, tak se zhorˇsuj´ı jeho vlastnosti [2]. Vysvˇetlen´ı namˇeˇren´ ych hodnot BSCCO je uˇz sloˇzitˇejˇs´ı. Prvn´ı moˇznost byla, ˇze je to nˇejak´ y zvl´aˇstn´ı druh polovodiˇce. To by vysvˇetlovalo, proˇc se odpor se sniˇzuj´ıc´ı teplotou zvyˇsuje a pak kles´a. A opravdu se BSCCO chov´a jako polovodiˇc, ovˇsem jenom pˇri teplot´ach nad 900 [3]. Nav´ıc n´am v´ yrobce potvrdil, ˇze z´avislost odporu na teplotˇe tohoto supravodiˇce, mˇela vypadat podobnˇe jako u YBaCuO. Pˇri 300 K by mˇel b´ yt elektrick´ y odpor kolem 0,02Ω , a pak by mˇel s klesaj´ıc´ı teplotou klesat po pˇr´ımce smˇerem k bodu (0 K, 0 Ω). Pˇri teplotˇe kolem 150 K by se mˇel odpor zaˇc´ıt odchylovat od t´eto pˇr´ımky smˇerem k niˇzˇs´ım hodnot´am, pˇri 110 K by mˇela b´ yt odchylka od pˇr´ımky 50%, pˇri 108 K by mˇel b´ yt odpor nulov´ y. Nejpravdˇepodobnˇejˇs´ı vysvˇetlen´ı je termoelektrick´ y jev. Supravodiˇc se ochlazoval nerovnomˇernˇe a vytvoˇril se tam teplotn´ı gradient. Pˇrestoˇze teplotn´ı rozd´ıl nemohl b´ yt moc velk´ y, tak se tam mohlo vytv´aˇret napˇet´ı, kter´e by ovlivˇ novalo namˇeˇren´e hodnoty. Mˇeˇr´ıc´ı aparatura mˇeˇrila odpor pomoc´ı u ´bytku napˇet´ı na zdroji konstantn´ıho proudu. Protoˇze byla nav´ıc zes´ılena na maxim´aln´ı hodnoty, staˇcilo by napˇet´ı v ˇr´adech des´ıtek aˇz stovek µV aby se na mˇeˇren´ı projevilo. Nav´ıc kdyˇz jsme potom sondu vyt´ahli ven na vzduch a mˇeˇrili z´avislost pˇri ohˇr´ıv´an´ı, tak byl ten vzestup a pokles napˇet´ı mnohem m´enˇe v´ yrazn´ y, protoˇze se to na vzduchu ohˇr´ıvalo pomaleji a teplotn´ı gradient byl menˇs´ı, neˇz kdyˇz se to chladilo ponoˇren´e v dus´ıku. ˇ sen´ım tohoto probl´emu by bylo prov´ezt jeˇstˇe jedno mˇeˇren´ı s obr´acenou polaritou Reˇ mˇeˇr´ıc´ıho proudu tak aby se jev projevil v opaˇcn´em smˇeru a v´ ysledn´e hodnoty seˇc´ıst tak
aby se odeˇcetla vznikl´a chyba. Na druhou stranu, d´ıky Seebeckovˇe jevu jsme byli schopni zmˇeˇrit teplotu pˇrechodu celkem pˇresnˇe na 110K, protoˇze se supravodivost´ı vymizel. Pokud tam nebyla jeˇstˇe jin´a chyba, a kdyby se tam ten jev neobjevil, tak by kv˚ uli nepˇresnostem mˇeˇr´ıc´ıch pˇr´ıstroj˚ u byla vidˇet jen vodorovn´a pˇr´ımka jedn´e hodnoty odporu, kter´a by nˇekde v p˚ ulce pˇreˇsla do druh´e pˇr´ımky o u ´roveˇ n n´ıˇz a ta by z˚ ustala do konce. Takˇze bychom nebyli schopni hodnotu pˇrechodu ani pˇribliˇznˇe odhadnout.
6
Z´ avˇ er
Pro dalˇs´ı mˇeˇren´ı supravodiˇce YBaCuO by bylo uˇziteˇcn´e se ho pokusit d˚ ukladnˇe vysuˇsit (vyp´ect). T´ım by se mˇely obnovit jeho vlastnosti, druh´a moˇznost je up´ect si vlastn´ı supravodiˇc z pr´aˇsku, ale to je velice ˇcasovˇe n´aroˇcn´e [4] a u ´spˇech nen´ı zaruˇcen. Pˇri mˇeˇren´ı supravodiˇc BSCCO je potˇreba komutovat mˇeˇr´ıc´ı proud a z namˇeˇren´ ych v´ ysledk˚ u by pak ˇsel sloˇzit graf neovlivnˇen´ y termoelektrick´ ym napˇet´ım. Mˇeˇren´ı je ale potˇreba udˇelat s pˇredzesilovaˇcem, nebo s citlivˇejˇs´ım digit´aln´ım pˇrevodn´ıkem napˇet´ı do poˇc´ıtaˇce. Na pˇrevod by ˇsli pouˇz´ıt multimetry METEX z praktik, ty by mˇeli asi 5x vyˇsˇs´ı pˇresnost, ale nepodaˇrilo se k nim sehnat ovladaˇce. Dalˇs´ı moˇznost je sehnat nˇejak´ y poˇc´ıtaˇc s kvalitn´ı laboratorn´ı kartou, kter´a by mˇela dosahovat jeˇstˇe vyˇsˇs´ı pˇresnosti (nejl´epe v ˇr´adech µV)
Reference [1] Leybold didactic: Superconductor, Experiment Kit for Determining the Transition Temperature Leybold didactic GMBH: 2007 [2] S. M. Arora, V. H. Desai and K. B. Sundaram: The effect of processing parameters on the environmental stability of YBaCuO superconductor Journal of Materials Science [3] Oliver Eibl: United States Patent 5665662 US Patent Issued on September 9, 1997 [4] Leybold didactic: Experiment Kit for Producing a Superconductor Leybold didactic GMBH: 2007
