Magas átmeneti hőmérsékletű szupravezető fázisátalakulásának vizsgálata forrásának megtekintése

__NOTOC__
== A szupravezetésről dióhéjban ==
<wlatex>
Heike Kamerlingh Onnes holland fizikus, miután megépítette hélium cseppfolyósító berendezését, elsőként végezhetett kísérleteket az abszolút nulla fokhoz igazán közeli hőmérsékleteken. Alacsony hőmérsékleti mérései rövid időn belül, 1911-ben nagyon meghökkentő felfedezéshez vezettek: azt találta, hogy egy higanyszál ellenállása 4,19 K hőmérséklet alatt zérusra csökken. Később kiderült, hogy számos anyag (pl. ólom, ón, alumínium) tökéletes vezetőként, úgynevezett szupvavezetőként viselkedik megfelelően alacsony hőmérsékleten. Kammerling Onnes munkáját már két évvel később, 1913-ban Nobel-díjjal jutalmazták.

A szupravezetés felfedezését követően közel fél évszázadot kellett várni a jelenség elméletének megszületésére (J. Bardeen, L. Cooper, R. Schiffer – 1957, Nobel-díj: 1972). Eszerint a szupravezető áramot szállító töltések különös tulajdonságokkal rendelkező elektron-párok, amelyek az egyszerű elektronoktól eltérő módon terjednek egy kristályban. Az ún. Cooper-párok viselkedésének kísérleti vizsgálata (Nobel-díj: 1973) vezetett a későbbiekben olyan alkalmazási lehetőségekre, mint a legérzékenyebb mágneses tér szenzor (SQUID) megalkotása, a világ leggyorsabb “hagyományos” számítógépeinek készítése, vagy a szupravezető nanoszerkezeteken alapuló kvantum-számítógépek perspektívája.

Onnes korai felfedezése óta a szupravezetés folyamatosan a modern fizika kiemelt témái közé tartozik. Ezt jelzi, hogy szupravezetéssel kapcsolatos elméleti vagy kísérleti munkákért a fentieken kívül 1987-ben és 2003-ban is osztottak ki Nobel-díjakat. Kiemelkedő technikai jelentőségű a magashőmérsékletű szupravezetőkért odaítélt Nobel-díj (1987), hiszen ekkor vált lehetővé, hogy a folyékony héliumnál lényegesen olcsóbb folyékony nitrogen forráspontján is elérhető legyen a szupravezetés. Az ilyen új anyagok kedvező tulajdonságai révén olyan lehetőségek is ígéretessé váltak, mint szupravezető motorok vagy távvezetékek készítése. A laboratóriumi gyakorlat keretében magashőmérsékleti szupravezető anyag szupravezető fázisátalakulását vizsgáljuk.

A szupravezetés másik kísérő jelensége az 1933-ban felfedezett ún. Meissner-effektus. Meissner és Ochsenfeld megmutatták, hogy egy kritikus érték alatt a mágneses tér nem tud behatolni a szupravezetők belsejébe, valamint a véges mágneses térben lehűtött és szupravezetővé vált anyagok az átalakulási hőmérsékletük alá hűtve kiszorítják magukból a mágneses teret. Míg az előbbi tulajdonság önmagában megmagyarázható az időben változó külső mágneses tér által keltett, és a szupravezetők nulla elektromos ellenállása miatt nem csillapodó köráramok következtében fellépő kompenzáló mágneses térrel, az utóbbi jelenség túlmutat a klasszikus elektromosságtan keretein.

A szupravezető állapotban tapasztalt nulla elektromos ellenállás lehetővé teszi, hogy egy szupravezető tekercsbe áramot vezetve, majd a tápegységet kiiktatva és a tekercs végeit rövidre zárva a tekercsben keringő, akár 100 Amperes nagyságú, időben nem csillapodó áramokkal több Tesla nagyságú mágneses tereket tartsunk fenn további külső meghajtás nélkül. Napjainkban ezt az elvet használják ki a mágnesesen lebegtetett vonatok, az orvosi MRI készülékek vagy a CERN részecskegyorsító szupravezető mágneseiben. A laboratóriumi gyakorlat keretében egy egyszerűsített elrendezésben vizsgáljuk a csillapítatlan köráramot. Egy szupravezető gyűrű belsejében nem változhat a mágneses fluxus, hiszen a fluxusváltozás hatására feszültség indukálódna, de a zérus ellenállás miatt nem eshet feszültség a szupravezetőben. Ennek megfelelően  mágneses térben lehűtött szupravezető gyűrű belsejében a külső tér lekapcsolása után is bent marad, “befagy” a mágneses fluxus, amit a külső tér kikapcsolása után a gyűrűben folyó, csillapítaltan szupravezető köráram tart fenn.
</wlatex>

==Mágneses tér mérése GMR szenzorral==
<wlatex>
A szupravezető gyűrű belsejében felépülő vagy onnan kiszoruló mágneses teret a merevlemezek olvasófejeiben is alkalmazott mágneses tér érzékelő szenzorral mérhetjük. Az ilyen, ún. óriás mágneses ellenállást (GMR) mutató nanoszerkezetek felfedezése (1988) Albert Fert és Peter Grünberg nevéhez kötődik, akik 2007-ben Nobel-díjat kaptak felfedezésükért. A szerkezet két ferromágneses rétegből áll, amelyeket egy vékony nemmágneses réteg választ el egymástól (lásd 1. ábra, alsó panel). A felhasznált anyagok és a nemmágneses réteg vastagságának megfelelő megválasztásával elérhető, hogy külső mágneses tér hiányában a két réteg mágnesezettsége egymással ellentétes irányú legyen. Erre az elrendezésre megfelelő nagyságú külső mágneses teret kapcsolva a két réteg mágnesezettségét beforgathatjuk egymással párhuzamos irányba. A mágnesezettség párhuzamos (parallel, P) állása esetén a rétegszerkezet ellenállása lényegesen kisebb, mint az ellentétes (antiparallel, AP) beállás esetén, így külső mágneses tér alkalmazásával jelentős ellenállás-csökkenést tudunk elérni. Ezt a jelenséget hívjuk óriás mágneses ellenállásnak.
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
|-
| [[Fájl:gmr2.png|közép]]
|-
| align="center"|1. ábra. ''Az óriás mágneses ellenállás szemléltetése.''
|}

A jelenséget hátterében az áll, hogy az elektromos vezetési tulajdonságok függnek attól, hogy az elektronok ''spinje'' (illetve mágneses momentuma) milyen irányban áll a ferromágneses réteg mágnesezettségéhez képest. Az elrendezés valamelyest hasonlít az optikai polárszűrőkhöz: keresztezett polárszűrőkön kevés, míg azonos állású polárszűrőkön sok fény halad át. Fontos azonban megjegyezni, hogy a GMR jelenség csak nanoszerkezetekben jelentkezik, ha a két mágneses réteget lényegesen vastagabb nemmágneses réteg választja el, akkor az elektronok mire a második rétegbe jutnak, különböző kölcsönhatási mechanizmusoknak köszönhetően már ''elfelejtik'', hogy milyen mágnesezettségi irányú rétegből jönnek, így az ellenállás nem függ a két réteg mágnesezettségének irányától. Optikában ez annak feleltethető meg, mint ha a két polárszűrő közé egy olyan diffúz közeget helyeznénk, mely véletlenszerűen elforgatja a polarizációt.

Az elektronikai iparban a mágneses ellenálláson alapuló technológiák első és máig is legjelentősebb felhasználása a merevlemezek olvasófejéhez kapcsolódik. Ezekben az 1990-es évek elején induktív olvasófejeket alkalmaztak: a merevlemezeken mágnesesen tárolt információ kiolvasását a gyorsan forgó mágneses lemez által egy kis tekercsben indukált feszültség segítségével végezték. Az 1990-es évek közepén áttérve a magnetorezisztív technológiára először az anizotróp mágneses ellenálláson (AMR) alapuló olvasófejek terjedtek el. Az AMR fejeknek köszönhetően jelentős tárolókapacitás-növekedést sikerült elérni, azonban az AMR jelenség kis, <1 százalékos ellenállás-változása a későbbiekben komoly korlátozó tényezővé vált. A GMR jelensége ezt az értéket egy nagyságrenddel meghaladja, így az 1990-es évek vége óta a merevlemezekben a GMR jelenségén alapuló olvasófejeket használnak. Ezzel a módszerrel a merevlemezek tárolókapacitásának további jelentős növekedését lehetett elérni.

A GMR olvasófejek az ún. spin-szelep elrendezést követik. A két mágneses rétegből az egyik rögzített, nehezen elfordítható irányú mágnesezettséggel rendelkezik, míg a másik egy könnyen forgatható mágnesezettségű réteg (2. ábra). Az utóbbi réteg mágnesezettsége az olvasófej alatt forgó merevlemezen tárolt bitek mágnesezési irányának megfelelően áll be, így az információ a spinszelep ellenállásának mérésével egyszerűen kiolvasható.

{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
|-
| [[Fájl:gmr1.png|közép]]
|-
| align="center"|2. ábra. ''Az óriás mágneses ellenállás elvén alapuló merevlemezek működése.''
|}

</wlatex>

== Mérési feladatok ==

Biztonsági előírások:

* A mérések során fokozott óvatossággal kezeljük a szupravezető mintákat, mivel drága és sérülékeny eszközök. 
* A szupravezető anyagok mérgezőek az emberi szervezet számára, így a mérés során ne együnk, valamint a mérések végén mossunk kezet. A szupravezető minták felületén speciális bevonat van, így szabad kézzel megfogva sem kerül szennyeződés a kezünkre, azonban fontos az elővigyázatosság.
* A folyékony nitrogénnel óvatosan bánjunk, kerüljük a kontaktust a bőrrel. A folyékony nitrogénben lehűtött tárgyakhoz ne nyúljunk szabad kézzel!


=== Szupravezető fázisátalakulásának mérése ===
<wlatex>
A szupravezető minta ellenállása a normál állapotban is nagyon kicsi, néhányszor tíz m$\Omega$ nagyságú. Ezért ha két pontban mérjük az ellenállását, a mért értéket a kontaktusok ellenállása fogja dominálni, ahogy a 4.a) ábrán is látszik. Ezeket az ellenállásértékeket nem ismerjük. Ha ismernénk őket, a mért értékből kivonva akkor is csak nagyon pontatlanul tudnánk meghatározni a minta tényleges ellenállását,
ezért egy másik módszerrel, úgynevezett négypont ellenállásméréssel végezzük a kísérletet (4.b) ábra). Ebben az elrendezésben a műszerek által mutatott feszültség és áram értékek hányadosa ténylegesen csak a minta ellenállását fogja megadni.
{|  cellpadding="5" cellspacing="20" align="center"
|-
| align="center"|[[Fájl:ketpont.png|center|250px]]
| align="center"|[[Fájl:negypont.png|center|250px]]
|-
| colspan="2" align="center"|4. ábra. ''a) Ellenállás mérése két pontban. b) Ellenállás mérése négy pontban''
|}

'''1.''' Állítsuk össze az 5. ábrán látható mérési elrendezést!
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
|-
| [[Fájl:scpalca.jpg|közép]]
|-
| align="center"|5. ábra. ''Szupravezető pálca átalakulásának mérésére szolgáló elrendezés.''
|}

Az összeállítás lépései:
* Csatlakoztassuk a mérőkártyát egy USB kábelen keresztül a számítógépre.
* A minta négypontellenállásának mérésére szolgáló banándugók közül a V+ és V- kivezetéseket csatlakoztassuk a digitális multiméter feszültségmérő bemeneteire. Az I+  kivezetést egy 100 $\Omega$-os ellenállással sorban kössük a mérőkártya 5 V-os  kimenetére. Az I- kivezetést csatlakoztassuk a mérőkártya DGND kimenetére. 
* A Pt1000-es ellenálláshőmérőt szintén négypontos elrendezésben mérjük Feszültségmérésre a mérőkártya digitális multiméter bemenetét használjuk, az áramot a mérőkártya 5V-os kimenetéről egy 1 k$\Omega$ ellenállás-on keresztül adjuk ki. 

'''2.''' Írjunk mérésvezérlő programot a szupravezető minta illetve a hőmérő ellenállásának mérésére. A hőmérő hőfoktényezője alapján számítsuk át a hőmérő ellenállását hőmérsékletté. (Megjegyzés: az adatok utólagos kiértékelése során vegyük figyelembe a platina ellenálláshőmérő karakterisztikájának nemlinearitását is!)

'''3.''' A mérésvezérlő program segítségével vegyétek fel a szupravezető minta négypontellenállásának hőmérsékletfüggését úgy, hogy lassan belemártjátok a mintatartót a folyékony nitrogénbe. Miután stabilizálódott a hőmérséklet a folyékony nitrogén hőmérsékletén, lassan emeljétek ki a mintatartót és az asztalra téve várjátok meg, amíg felmelegszik szobahőmérsékletre. Melegedés közben is mérjétek az ellenállás hőmérsékletfüggését. A mért görbék alapján határozzátok meg a szupravezető átalakuláshoz tartozó kritikus hőmérsékletet!
* ''Miért térnek el a hűléskor és a melegedéskor mért átalakulási hőmérsékletek egymástól?''
* ''Milyen hibái lehetnek a hőmérséklet mérésének? ''
* ''Mekkora hibával tudjuk meghatározni a minta ellenállását? Mekkora az a legnagyobb ellenállás, amit még nullának mérünk?''
</wlatex>

=== Meissner - effektus tanulmányozása ===

'''1.''' Állítsátok össze a mérési elrendezést a 6. ábra alapján!
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
|-
| [[Fájl:scgyuru.jpg|közép]]
|-
| align="center"|6. ábra Szupravezető gyűrű vizsgálatának mérési elrendezése.
|} 

Ennek menete:

* A mérőkártyáról válasszátok le az előző mérés eszközeit.
* A mágneses szenzor kék/barna kivezetését csatlakoztassátok a mérőkártya 5 V kimenetére, a kék-fehér/barna-fehér kivezetést a DGND kimenetre.
* A szenzor zöld/narancs és zöld-fehér/narancs-fehér kivezetéseit banándugókkal csatlakoztassátok a multiméter bemenetre. 
* A táp kivezetéseit banánkábelekkel kössétek a tekercsre. A tekercsen eső feszültség mérésére a tekercs kivezetéseit az AI 1+ és AI 1- bemenetekre is kössétek rá.
* A mérésvezérlő programban válasszátok az „SC ring” opciót.

'''2.''' Számoljátok ki, hogy mekkora a mágneses tér a tekercs közepén a tekercsen eső feszültség függvényében! A tekercs menetszáma és ellenállása a tekercs oldalán olvasható, a hosszát tolómérővel mérhetitek meg.

Ha ezzel elkészültetek, szóljatok a mérésvezetőnek, aki ellenőrzi az összeállítást és a számolásotokat.

'''3.''' A műanyag csipesz segítségével helyezzétek a szupravezető gyűrűt az edény aljára, majd töltsetek folyékony nitrogént az edénybe. Ezután helyezzétek a GMR szenzort a gyűrű közepébe, és kapcsoljatok a tekercsre körülbelül 3.5 mT mágneses térnek megfelelő feszültséget. Mit mutat a szenzor? 
* ''Mi az oka a jelenségnek?''

'''4.''' Vegyétek ki a szenzort és a gyűrűt az edényből, utóbbihoz használjátok a műanyag csipeszt. Várjátok meg, míg a gyűrű felmelegedik, közben öntsétek vissza az edényből a folyékony nitrogént a termoszba. Ezután helyezzétek vissza az üres edényt és a mintát a tekercs közepébe, majd kapcsoljatok a tekercsre ismét 3.5 mT mágneses térnek megfelelő feszültséget.  Öntsetek óvatosan folyékony nitrogént az edénybe, és helyezzétek vissza a mágneses szenzort. Kapcsoljátok le a tekercs által biztosított külső mágneses teret. A kikapcsolás pillanatától számítva az idő függvényében mérjétek a szenzor jelét legalább 10 percen keresztül! Közben ha szükséges, pótoljátok a folyékony nitrogént.

* ''Kikapcsoltuk a külső mágneses teret, mégsem mutat zérus térértéket a szenzor. Miért van ez?''
* ''A mérés alapján adjatok felső becslést a gyűrű ellenállására!''
* ''Az előző feladatrészben számolt zérus ellenállás hibájával kalkulálva mennyi idő alatt csökken le a gyűrűben a mágneses tér nullára?''

'''5.''' Várjátok meg míg elfogy a nitrogén, és felmelegszik a gyűrű. Közben mérjétek a gyűrű közepében a teret.

Megjegyzés: ha precízebben szeretnénk elvégezni a mérést, akkor a GMR szenzort kalibrálni kell szobahőmérsékleten és alacsony hőmérsékleten is.

== Függelék: A mérésen használt eszközök==

* szupravezető pálca
* mintatartó hőmérővel
* myDAQ mérőkártya
* termosz
* folyékony nitrogén
* szupravezető gyűrű
* hungarocell edény
* tekercs
* mágneses szenzor
* műanyag csipesz
* tápegység
* banánkábelek
* csavarhúzó
* tolómérő