Próbalap szupra

A szupravezetés elmélete dióhéjban

Heike Kamerlingh Onnes holland fizikus, miután 1911-ben megépítette hélium cseppfolyósító berendezését, elsőként végezhetett kísérleteket az abszolút nulla fokhoz igazán közeli hőmérsékleteken. Alacsony hőmérsékleti mérései pár hónapon belül 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.

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. A magashőmérsékletű szupravezetéshez kapcsolódó elméleti modellekért 2003-ban ítéltek oda újabb Nobel-díjat. Az ilyen új anyagok kedvező tulajdonságai révén olyan lehetőségek is ígéretessé váltak, mint szupravezető motorok vagy távvezetékek készítése.

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 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 lenne a szupravezetők nulla elektromos ellenállásával, az utóbbi jelenség túlmutat a klasszikus elektrodinamika keretein. Az elméletet egy szupravezető gyűrűre alkalmazva azt várjuk, hogy a szupravezető állapotban, a gyűrű síkjára merőlegesen bekapcsolt mágneses tér a gyűrű belsejébe nem hatol be. Ezzel szemben a mágneses térben lehűtött szupravezető gyűrű belsejében a külső tér lekapcsolása után is bent marad, “befagy” a mágneses tér.

1. ábra. Az óriás mágneses ellenállás elvén alapuló merevlemezek működése.

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). 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 2. ábrán mutatott elrendezés 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.

2. ábra. Az óriás mágneses ellenállás szemléltetése.

A jelenséget a következő egyszerű modellel szemléltethetjük: Bontsuk fel az elektromos áramot “fel” illetve “le” spinű elektronok áramára. A le spinű elektronok egy felfelé álló mágnesezettségű rétegen lényegesen nehezebben haladnak át, mint egy lefelé álló mágnesezettségűn. Jelöljük egy mágneses réteg ellenállását egy bizonyos spinű elektronokra nézve -el ha a réteg mágnesezettségi iránya megegyezik az elektronok spinirányával, illetve -vel, ha a mágnesezettség iránya ellentétes az elektronok spinirányával. A fel és le spinű elektronokat független áramcsatornaként kezelve a parallel és antiparallel mágnesezettségű rétegek eredő ellenállása a 3. ábrán szemléltetett helyettesítő képpel modellezhető.

3. ábra. Különböző mágnesezettségű rétegek eredő ellenállásának számolsására szolgáló helyettesítő kép.

A fenti két ellenállást $\setbox0\hbox{$ R_1 = R + \Delta R $}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$, $\setbox0\hbox{$ R_2 = R - \Delta R $}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ alakban kifejezve a parallel és antiparallel beállások esetén az ellenállás $\setbox0\hbox{$ R_{AP} = \frac{R_1 + R_2}{2} = R$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$, $\setbox0\hbox{$R_{P}=\frac{2R_1 R_2}{R_1 + R_2}=R-\frac{\Delta R^2}{R}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ , azaz a P elrendezés ellenállása valóban kisebb, mint az AP elrendezésé.

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. 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.

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 speciális felülettel vannak bevonva, így szabad kézzel megfogva sem kerül szennyeződés a kezetekre, azonban fontos az elővigyázatosság.
• A folyékony nitrogénnel óvatosan bánjatok, kerüljétek, hogy a bőrötökhöz érjen. Semmiképp se mártsátok bele a kezeteket, és ne igyatok belőle!

A. Szupravezető fázisátalakulásának mérése

1. Állítsátok össze a 4. ábrán látható mérési elrendezést!