Superconductivity (Nobel Prize Physics in Everyday Application – Laboratory Exercise)

The theory of superconductivity in a nutshell

Dutch physicist Heike Kamerlingh Onnes was the first to carry out experiments at temperatures really close to absolute zero, after building his helium liquefier apparatus in 1911. Within a few months, his low-temperature measurements led to a very surprising discovery: he found that the resistance of a mercury wire drops to zero below 4.19 K temperature. Later it turned out that many materials (e.g., lead, tin, aluminium) behave as perfect conductors, so-called superconductors, at sufficiently low temperatures. Kamerlingh Onnes' work was awarded the Nobel Prize just two years later, in 1913.

After the discovery of superconductivity, it took almost half a century for the theory of the phenomenon to be formulated (J. Bardeen, L. Cooper, R. Schiffer - 1957, Nobel Prize: 1972). According to this theory, superconducting charges are pairs of electrons with special properties that propagate in a crystal in a different manner compared to simple electrons. The experimental study of the behaviour of the so-called Cooper pairs (Nobel Prize 1973) led to applications such as the creation of the most sensitive magnetic field sensor (SQUID), the world's fastest 'conventional' computers, or the prospect of quantum computers based on superconducting nanostructures.

Since Onnes's early discovery, superconductivity has been a constant focus of modern physics. This is reflected in the fact that, in addition to the above, Nobel Prizes were awarded in 1987 and 2003 for theoretical or experimental work on superconductivity. The Nobel Prize for superconductors at high temperatures (1987) is of particular importance, as it made it possible to achieve superconductivity at the boiling point of liquid nitrogen, which is considerably cheaper than liquid helium. The favourable properties of these new materials have also led to promising possibilities for superconducting motors and transmission lines.

The zero electrical resistance encountered in the superconducting state allows magnetic fields of several Tesla to be maintained by driving current into a superconducting coil. After the establishment of superconductivity, the power supply can be disconnected, and short-circuiting the ends of the coil results in currents (even 100 Amps or higher) circulating in the coil, with no damping in time, without additional external driving. Today, this principle is exploited in magnetically levitated trains, medical MRI (magnetic resonance imaging) machines or superconducting magnets in the CERN particle accelerator.

Another accompanying phenomenon of superconductivity is the so-called Meissner effect, discovered in 1933. Meissner and Ochsenfeld showed that:

• below a critical value, the magnetic field cannot penetrate into the superconductors, and
• materials cooled in a finite magnetic field squeeze out the magnetic field when they turn superconducting below the transition temperature.

The first property can be explained by the compensating magnetic field due to circular currents, which are induced by the time-varying external magnetic field and are not damped by the zero electrical resistance of the superconductors. However, the explanation of the second phenomenon goes beyond the scope of classical electromagnetics. Applying the theory to a superconducting ring, we expect that in the superconducting state, a magnetic field coupled perpendicular to the plane of the ring does not penetrate into the interior of the ring. In contrast, the magnetic field inside a superconducting ring remains inside the ring (“frozen” inside the ring) even after the external field is turned off.

Measuring magnetic field with a GMR sensor

The magnetic field that builds up inside or escapes from the superconducting ring can be measured by a magnetic field sensor, which is also used in hard disk drive read heads. The operation of such sensors is based on the phenomenon known as the giant magnetoresistance (GMR), which was discovered by Albert Fert and Peter Grünberg in 1988, who were awarded the Nobel Prize in 2007 for their discovery. A nanostructure with GMR property is composed of two ferromagnetic layers separated by a thin non-magnetic layer (see Figure 1, bottom panel). By choosing the right materials and the right thickness of the non-magnetic layer, it is possible to achieve a magnetisation of the two layers in opposite directions in the absence of an external magnetic field. By coupling an external magnetic field of appropriate magnitude to this arrangement, the magnetization of the two layers can be rotated in the same direction (parallel). When the magnetization is parallel (P), the resistance of the layer structure is significantly lower than when it is antiparallel (AP), so that a significant reduction in resistance can be achieved by applying an external magnetic field. This phenomenon is called giant magnetoresistance.

Figure 1. An illustration of the giant magnetoresistance.

The underlying phenomenon is that the electrical conduction properties depend on the orientation of the spin (or magnetic moment) of conductive electrons relative to the magnetization of the ferromagnetic layer. The arrangement is somewhat similar to that of optical polarisation filters: crossed polarisation filters pass little light, while co-aligned polarisation filters pass a lot of light. It is important to note, however, that the GMR phenomenon only occurs in nanostructures, if the two magnetic layers are separated by a significantly thicker non-magnetic layer, by the time the electrons reach the second layer, they have already forgotten which direction of magnetisation they come from due to various interaction mechanisms. In this manner, the resistance of larger structures does not depend on the direction of magnetisation of the two layers. In the optics analogy, this is equivalent to placing a diffuse medium between the two polar filters that randomly rotates the polarization.

In the electronics industry, the first and still most significant use of magnetic resistance-based technologies is in the read head of hard disk drives. In the early 1990s, these used inductive read heads: information stored magnetically on hard disks was read out using a voltage induced in a small coil by a rapidly rotating magnetic disk. In the mid-1990s, with the transition to magnetoresistive technology, read heads based on anisotropic magnetoresistance (AMR) were the first to be introduced. Significant increases in storage capacity were achieved with AMR heads, but the small resistance variation (< 1%) of the AMR phenomenon became a major limiting factor later. The GMR phenomenon exceeds this value by an order of magnitude, and read heads based on the GMR phenomenon have been used in hard disk drives since the late 1990s. This has led to a further significant increase in the storage capacity of hard disks.

GMR read heads follow the so-called spin-valve arrangement. Of the two magnetic layers, one has a fixed magnetization with a pinned orientation (hard to rotate), while the other is a magnetic layer with free orientation (easy to rotate), as shown in Figure 2. The magnetization of the latter layer is adjusted according to the magnetization orientation of the bits stored on the hard disk (rotating under the read head), so that the information can be read out simply by measuring the resistance of the spin valve.

Figure 2. Operation of hard disks based on the phenomenon of giant magnetoresistance.

Mérési feladatok

Biztonsági előírások:

• A mérések során fokozott óvatossággal kezeljétek a szupravezető mintákat, mivel drága és sérülékeny eszközök.
• A szupravezető anyagok mérgezőek az emberi szervezet számára, így a mérés során ne egyetek, valamint a mérések végén mossatok kezet. A szupravezető minták felületén speciális bevonat van, így szabad kézzel megfogva sem kerül szennyeződés a kezetekre, azonban fontos az elővigyázatosság.
• A folyékony nitrogénnel óvatosan bánjatok, kerüljétek azt, hogy a bőrötökhöz érjen. Semmiképp se mártsátok bele a kezeteket, és ne igyatok belőle! A folyékony nitrogénben lehűtött tárgyakhoz se nyúljatok szabad kézzel!

Szupravezető fázisátalakulásának mérése

A következőkben egy szupravezető minta fázisátalakulását fogjátok mérni, nyomon követve az eszköz ellenállását az idő függvényében.

A szupravezető minta ellenállása a normál állapotban is nagyon kicsi, néhányszor tíz m$\setbox0\hbox{$\Omega$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ 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 ellenállás értékeket 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 ellenállás méréssel 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. Ezt otthon egy könnyű számolással ellenőrizhetitek.

4. ábra. a) Ellenállás mérése két pontban. b) Ellenállás mérése négy pontban

1. Állítsátok össze az 5. ábrán látható mérési elrendezést!

5. ábra. Szupravezető pálca átalakulásának mérésére szolgáló elrendezés.

Az összeállítás lépései:

• Csatlakoztassátok a mérőkártyát és a multimétert a számítógépre.
• A méréshez szükséges 8 vezeték (4 a szupravezető mintához és 4 a PT 1000-es hőmérsékletszenzorhoz) a mintatartóhoz egy RS232 soros porti kábelen keresztül csatlakozik. A csatlakozó másik vége szét van bontva annak érdekében, hogy a mérőáramkört össze lehessen állítani. A vezetékek színekkel vannak kódolva, amelyeket az alábbi módon kell összekötni:
• A szupravezető I+/- áram ága piros/narancssárga és a V+/- feszültség ága fekete/barna.
• A PT 1000-es hőmérsékletszenzor I+/- áram ága sárga/lila és a V+/- feszültség ága zöld/kék. Az RS232 kábel 9. vezetéke (szürke) nincs használatban.
• A minta négypontellenállásának mérésére szolgáló V+ és V- kivezetéseket csatlakoztassátok a multiméter bemeneteire. Az I+ kivezetést a 100 $\setbox0\hbox{$\Omega$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ ellenállással sorban az 5 V kimenetre kössétek. Az I- kivezetést csatlakoztassátok a DGND kimenetre.
• A hőmérsékletmérésre szolgáló kábelek közül kettőt egy 1 k$\setbox0\hbox{$\Omega$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ ellenállással sorban kössétek az AO0 és az AGND kivezetésekre, a másik kettőt az AI 0+ és 0- bemenetekre. Itt arra figyeljetek, hogy azok a vezetékek legyenek az AGND illetve az AI 0- kivezetésekre kötve, amelyek a negatív polaritást kódolják.

2. Indítsátok el a mérésvezérlő programot! Ehhez a …./myDAQprogram.sln filet kell megnyitni.

6. ábra. A mérésvezérlő program kezelőfelülete.

A program kezelőfelülete a 6. ábrán látható. Az „SC rod” és „SC ring” opciókkal tudtok váltani a szupravezető pálca és gyűrű mérései között. Először az „SC rod” opcióra lesz szükségetek. A Start! gomb megnyomásával indíthatjátok a mérést, és a Stop! gombbal állíthatjátok le. A mérési adatokat a Filename szövegdobozban megadott néven tudjátok elmenteni. A mentés idejére állítsátok meg a mérést. Ha új mérést kezdtek, a Clear graphs! gombra kattintva tudjátok törölni a grafikonok adatait.

A program a hőmérőn és a soros ellenálláson, valamint csak a hőmérőn eső feszültségértékekből számolja ki a PT1000 típusú hőmérő ellenállását. Ennek a hőmérőnek működési elve a következő: nulla Celsius-fok hőmérsékleten 1 k$\setbox0\hbox{$\Omega$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ az ellenállása, amely csökkenő hőmérséklet mellett csökken, növekvő mellett nő. -50 °C és 200 °C között jó közelítéssel lineáris az ellenállás-hőmérséklet összefüggése, ezen egyenes alapján számolja ki a mérésvezérlő program az aktuális hőmérsékletet. Alacsony hőmérsékleten ez már nem feltétlen teljesül, így a folyékony nitrogén hőmérsékletén (77 K= -196 °C) ez a közelítés némi pontatlanságot visz a mérésbe.

Ha mindennel elkészültetek, szóljatok a mérésvezetőnek, aki ellenőrzi az összeállítást és kitölti nektek a folyékony nitrogént.

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?

Meissner - effektus tanulmányozása

A következőkben egy szupravezető gyűrűben létrejövő perzisztens köráramot fogjátok tanulmányozni.

1. Állítsátok össze a mérési elrendezést a 6. ábra alapján!

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 csatlakoztassátok a multiméter az AI 0+ és AI 0- bemeneteire.
• 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