Hur skapas supraledaren?


YBCO är vad man kallar en keramisk halvledare.

YBCO bildar en jämn kristall. Yttriumatomerna är gula, barium lila, koppar gröna och syre röda i bilden. Du ser hur lätt det är att komma åt att sprätta bort en syreatom? Syreatomerna binder fyra andra atomer inuti kristallen på bilden, men bara tre uppåt och nedåt. Där ska givetvis nästa bariumatom i kristallen haka på.

Den supraledande YBa2Cu3O7-x -filmen ångas med en gasfasdepositionsprocess (Metalo-Organic-Chemical-Vapor Deposition, MOCVD) på ett isolerande substrat av lantan-aluminiumoxid (LaAlO3 eller SrTiO3 , NbGaO3 osv). med dimensioner kring 4 x 6 millimeter som värms till 800-850°C. Depositionsprocessen utförs inuti en kammare kallad reaktor. En datorstyrd injektor pustar in mycket exakta mikrodoser av en organisk lösning bestående av en blandning av Y(tmhd)3, Ba(tmhd)2 och Cu(tmhd)2 (tmhd = 2,2,6,6-tetrametyl-3,5-heptandionat) i lämpliga proportioner. Evaporatorns temperatur hålls på 300°C för att den organiska lösningen omedelbart ska avdunsta, varpå ångan snabbt förs in i reaktorn med hjälp av argon eller syrgas och där avsätts på substratet.

Det är viktigt att du förstår att det inte rör sig om kisel och att vi definitivt inte talar om halvledare. Substratet är av just detta kristallmaterial för att avståndet mellan atomerna passar lagom till avståndet mellan atomerna i YBCO-kristallen. Skulle det bli misspass, som i bilden nedan, skulle det uppstå felaktigheter i YBCO-kristallen och det skulle bli trasiga ställen som inte var supraledande, eller ställen som uppvisade väldigt mycket ”pinning”, hållkrafter som förhindrar de magnetiska virvlarna att vandra fritt. Felaktigheter blir det ändå, men med lämplig efterbehandling av YBCO kan man övervinna dem.

Som exempel ser du här en elektronmikroskopbild av tvärsnittet av en kiselkristall nederst, som belagts med ett lager isolerande kiseldioxid och ovanpå detta polykisel. Prickarna är enskilda atomer. Det är grav misspassning mellan avstånden mellan atomerna i de olika lagren och det leder till röra i gränssnittet. I just detta fall, en halvledartransistor, spelar det ingen roll för den är inte i atomstorlek, men för supraledare som bara är några atomlager tjocka kan det bli katastrof.

Intressant nog kan CVD också användas till att skapa kolkristaller, alltså absolut felfria syntetiska diamanter. De går att få upp till 15 centimeter stora. Exempelvis Scio Diamond Technology Corp. i USA ägnar sig åt sådant. De gamla, traditionella diamanthandlarna bävar. Blodsdiamanternas tid kan vara förbi.

Hur gör man kanaler?


Kanalerna är områden på supraledaren som gjorts lite svagare supraledande vid en bestämd kryogenisk temperatur. Man gör dem som avlånga spår som virvlarna kan flyta fram längs. Kanaler är därför en bra liknelse.

Man brukar skriva formeln för YBCO som YBa2Cu3O7−x (minus x på slutet). Supraledningen hos materialet är beroende av värdet på x i slutet av formeln, alltså kristallens syreinnehåll. Endast YBCO-material som har 0 ≤ x ≤ 0,65 blir supraledande under Tc. När x är ~0,07 är materialet supraledande vid den allra högsta temperaturen 95 K eller i de starkaste magnetiska fälten, nämligen 120 tesla tvärs och 250 T längs kristallens CuO2-plan.

Man kan förändra Tc genom att ta bort en eller flera syreatomer här och var ur YBa2Cu3O7-kristallen. Materialet värms till cirka 600°C med en mycket smal laserstråle med ett fokus på ~5 µm. Detta får syreatomerna att sprätta iväg ur kristallen och de blåses därefter bort med en ström av inertgas som kväve eller helium. När materialet kallnat till rumstemperatur sker ingen återoxidering. Kanalen blir alltså ett syrefattigt område. Inom detta område kan Lorenz-kraften som drar de magnetiska virvlarna mot varandra överstiga pinning-kraften, den kraft som håller kvar virvlarna i kristallens oundvikliga orenheter. Orenheterna bildar störningar i den i övrigt regelbundna YBCO-kristallen där virvlarna gärna fastnar och hålls kvar (”pinning”, jfr kartnålens funktion)


Eders undertecknad sitter och är fascinerad. Bild: Audrone Vodzinskaite.

Kryogeniska kärl


För att supraledaren ska kunna fungera och användas för mätning, måste den befinna sig i ett kryogeniskt kärl, en temos, neddoppad i flytamde kväve.


Bild: Audrone Vodzinskaite.

Här visar Arturas ett dewarkärl (termos) och ett kryogeniskt spjut som doppas ned i den. Samtidigt försluter man termosens öppning med en delbar kork av frigolit. Korkarna har flera diametrar eftersom han har dewarkärl från olika tillverkare. Supraledaren monteras på den lite grövre änden nedtill och de vita mätledarna kommer ut upptill.


Bild: Audrone Vodzinskaite.

Arturas justerar en kontakt på kryospjutets business end. De fyra kontaktfjädrarna ska trycka mot de fyra kontaktpunkterna på YBCO-flisan. Flisan är alltså inte monterad i detta stadium, men ska sitta mitt på den lite avrundade kopparplattan. De fyra vita ledarna partvinnas och går upp ur den kryogeniska miljön genom röret, åt höger.


Kryostat för vakuumbruk. Bild: Audrone Vodzinskaite.

Anordningen i förra bilden kan bara användas för enklare, kortvariga mätningar i atmosfärstryck. När mätningen ska pågå under längre tid måste supraledaren befinna sig i vakuum för att isoleras bättre från omvärlden. En kryostat som på denna bild kan hålla temperaturen en dag. Detta kryospjut har en stor behållare för flytande kväve upptill. Både kvävebehållaren och spjutet nedsänks i ett yttre vakuumkärl och supraledaren kommer inte i kontakt med kvävet direkt. Med den förra, enklare anordningen varierar temperaturen på provet beroende på hur nära ytan av det flytande kvävet det befinner sig, men det går å an dra sidan fort att få igång en mätning. Med denna anordning tar det längre tid att komma igång, men mätningen kan fortgå längre eftersom temperaturen blir stabilare. Egentligen önskar Arturas sig en automatisk anordning som kan pytsa i mera kväve när det gamla har kokat bort, så att mätningarna kan fortgå under ännu längre tid, gärna 2-3 dagar utan att vidröras av människohand.


Här är vakuumanordningen i närbild. Bild: Audrone Vodzinskaite.

Kopparkärlet fylls med kväve genom den mittersta nippeln i locket till vänster, medan mätapparaturen ansluts till bananuttagen närmast i bild. Därefter sänkas allting ned i vakuumkammaren (från höger i bild) och kammaren pumpas tom på luft genom nippeln längst bort på locket.


Nederänden av det kryogeniska spjutet i närbild. Bild: Audrone Vodzinskaite.

För tillfället är inget monterat på experimentytan längst till höger. Även kontaktfjädrarna är bortmonterade. Den extra kopparplattan med två grova ledare ovanför (till vänster om) monteringsplattan är ett termoelement av typ K för mätning av anordningens innertemperatur. Den andra änden av termoelementet är fastskruvad på utsidan av kryostaten (den brunaktiga klumpen intill det svarta bananuttaget i förra bilden).

Sida 3 / 5

Innehållsförteckning