mladinska raziskovalna naloga 
IZDELAVA VISOKOTEMPERATURNEGA SUPERPREVODNIKA IN MERJENJE 
ODVISNOSTI NJEGOVE UPORNOSTI O D TEMPERATURE 

Goran GLAVAŠ, Sebastjan CUNJA in Edi P1ŠKO 
Srednja pomorska šota Portorož, 6632 0 Portorož, SLO 
Mentor: prof. Robert STECEL 
IZVLEČEK 
Izdelali smo visokotemperaiurni superprevodnik YBaiCujOy s kritično temperaturo nad vreliščem tekočega dušika (77 K). To smo dokazali s prikazom Meissnerjevega učinka oz. lebdenja trajnega magneta iz CoSm nad superprevodnikom. Uspela nam je sinteza spojine YBa?Cu?,0?, kar kažejo rentgenski difraktogram in slike mikrostrukture z optičnega mikroskopa ter elektronskega vrstičnega mikroskopa. Izdelali smo tudi merilno napravo in z meritvijo prikazali odvisnost upornosti superprevodnika od temperature ter izmerili kritično temperaturo s uperpre vodn ika 88 K. 
Kijuine besede: visokotemperaturni superprevodnik, superprevodnost Key words: high temperature superconductor, superconductivity 
UVO D 

Uporaba superprevodnikov nam bo v vsakdanje živ­ljenje prinesla veliko sprememb; velike prihranke pri proizvodnji, prenosu in porabi energije, hitrejše in zmo­gljivejše računalnike, vozila, ki lebdijo nad superpre­vodnimt cestami... 
Da so odkritja na tem področju res pomembna, dokazujeta dva podatka: pet Nobelovih nagrad iz fizike in število (dvajset tisoč) vrhunsko usposobljenih znan­stvenikov v dobro opremljenih laboratorijih, ki danes zagnano iščejo nove superprevodne snovi. 
Električna upornost je lastnost snovi, da se upira gibanju prostih delcev v njej. Nastane zaradi medse­bojnih trkov prostih oz. gibljivih delcev ter trkov med gibljivimi (najpogosteje elektroni) in vezanimi delci (ato-mi - ioni). Električna upornost je odvisna od tempera­ture. Prt vseh kovinah in nekaterih zlitinah se upornost z nižanjem temperature zmanjšuje. To zmanjševanje običajno poteka postopoma in pri temperaturi 0 K (absolutna ničla oz. ~273°C) upornost doseže najnižjo vrednost. 
Pri nekaterih snoveh pa upornost postopoma pada le do določene temperature (kritična temperatura T«), nakar sunkovito pade na nič oz. neizmerljivo vrednost. Takšnim snovem pravimo superprevodniki, pojavu pa superprevodnost. Danes je poznanih že 26 elementov in na tisoče spojin, ki postanejo superprevodne, če jih dovolj ohladimo. Pri tem pa je zanimivo to, da med njimi ni tistih, ki so pri normalni temperaturi najboljši prevodniki (Ag, Cu). 
Raziskovanje pojava superprevodnosti nima dolge zgodovine. Krajši pregled pomembnejših dosežkov s tega področja pa je naslednji: 
-	 1911: nizozemski fizik H. K. Onnes odkrije super­prevodnost v živem srebru pri temperaturi 4,16 K; 1933: W. Meissner in R. Ocbsenfeld odkrijeta po­polno diamagnetičnost superprevodnika;; 
C. GS.AVAŠ. S. CUNJA. L RŠKO: IZDELAVA VISOKOTEMPERAIURNEGA SUPERPRE VODNIKA .. . 241-246 
Slika 1: Lebdenje trajnega magneta zaradi Meissnerjevega učinka. 
Fig. 1: Lévitation of permanent magnet above the superconductor because ofMeissner effect. 

-	1957: j. Bardeen, L. N. Cooper in J. R. Schrieffer po­stavijo mikroskopsko (BCS) teorijo, s katero so raz­ložili pojav superprevodnosti; 
-	1986: J. G. Bednorz in K. A. Müller odkrijeta oksidno keramiko La-Ba-Cu-O s Tk=30K (do tedaj najvišja Tk: Nb3Ge~23,3 K); sledi nage! napredek v razvoju superprevodne ok­
sidne keramike; 
-	1987: odkrit YBa2 Cu3 07 s TK=93 K; 
-	1988: odkrit T[8a2Ca3Cu407 s TK=125 K; 
•
 1993: odkrit HgBa2Ca2Cu3Oß+x s TK=1 35 K; 1995: 27. februarja na Srednji pomorski šoli izdelan prvi superprevodnik -YBa2 Cu3 07 . 

SUPERPREVODNOST 
Kot je bilo že v uvodu omenjeno, je prvi pogoj za pojav superprevodnosti dovolj nizka temperatura, ki jo imenujemo kritična temperatura (!]<}. Vendar to še ne zadošča. Na superprevodnost vplivata še dva dejavnika: magnetna poljska jakost (H) in gostota električnega toka (J). Ce se superprevodnik nahaja v magnetnem polju, kateremu se veča magnetna poljska jakost, se pri določeni vrednosti superprevodnost podre in snov pre­ide v področje normalne prevodnosti. Tej magnetni poljski jakosti pravimo kritična magnetna poljska jakost (Hj<). To pomeni, da bo pri naraščajočem H od 0 do H^ temperatura, pri kateri bo prišfo do prehoda v super­prevodnost, vse nižja (med Tj< in 0 K). Podobno je omejen tudi tok, ki teče skozi superprevodnik oz. go­stota toka v njem (j (A/m1)). Če ta preseže kritično vrednost ()[<), se superprevodnost podre. 

Način prevajanja v superprevodniku se bistveno raz­likuje od prevajanja v običajnih prevodnikih. V teh so delci, ki prevajajo, posamezni elektroni, medtem ko v superprevodnikih prevajajo elektroni v parih (Cooperjevi pari). Torej se elektrona v Cooperjevem paru privlačita kljub temu, da se v normalnem stanju elektrona zaradi Coulombove sile odbijata. 
Do tega pojava pride zaradi nihanja jeder v kristalni mreži. Ko gre prvi elektron iz Cooperjevega para mimo jedra, delujeta delca drug na drugega s privlačno siio. 
'Pri tem je hitrost elektrona veliko večja od hitrosti nihanja rešetke (ki je pri nižji temperaturi vse počas­
G. GlAVAŠ, S. CUNJA. L. PIŠKO: IZDELAVA ViSOKOTEMPERATURNEGA SUPERPREVOPNSKA ..., 24Î-24 6 
nejše). Zaradi tega se elektron na drugi strani od jedra že oddaljuje, medtem ko pride jedro šele na mesto prehoda prvega elektrona. V tem trenutku je to mesto zaradi jedra pozitivno naeiektreno. Za prvim prihaja drugi elektron (zaradi privlačne sile jedra) proti mestu, kjer je bil prvi. Medtem se jedro zaradi elastičnosti kristalne mreže že vrača proti prvotnemu položaju in drugi elek­tron gre neovirano mimo njega. Tako si oba elektrona sledita, kljub temu da med njima deluje odbojna sila. 
Posledica vsega tega je, da se elektroni oz. elek­tronski pari neovirano gibljejo skozi snov. Če pa že pride do kakršnih koli trkov med delci, so ti neizgubni. 
To pomeni, da takšna snov nima električne upor­nosti. Če se temperatura poviša, se poveča tudi inten­zivnost nihanja kristalne mreže, ki povzroči razbijanje Cooperjevih parov. 
"Nek fizik se je domislil plastične primerjave gibanja elektronov v superprevodniku z gibanjem množice ljudi na nogometnem igrišču. Če se vsak človek giblje ne­odvisno od drugih, se bodo ljudje med seboj 2adevafi in spotikali. Če bo energija narasla in se bodo hoteli gibati hitreje, bo trkov več in zmeda bo narasla. Če pa vsi ljudje sklenejo roke in odkorakajo v taktu, trkov ne bo in tudi če se kdo spotakne, ne bo padel, ker ga držijo sosedje. Podobno si lahko razložimo urejeno gibanje elektronov v superprevodniku." (Življenje in tehnika, september 1987, stran 37) 
Takšno dogajanje je značilno za klasične superpre­vodnike, medtem ko način prevajanja v visokotem­perat.urnih superprevodnikih do sedaj še ni popolnoma pojasnjen, tistega, ki pa mu bo uspelo to narediti, čaka zagotovo šesta Nobelova nagrada. 
Poleg izgube upornosti pride pri superprevodnosti tudi do izrinjanja magnetnega polja iz superprevodnika, medtem ko za vse ostale snovi velja, da magnetno polje prehaja skoznje. Pojav je znan kot Meissnerjev učinek. 
Če damo nad superprevodnik trajni magnet, se bo v superprevodniku pojavil električni tok, ta pa bo ustvaril takšno magnetno polje, ki zunanjemu (trajni magnet) nasprotuje in je tako njuna vsota v superprevodniku enaka nič. 
To magnetno polje pa deluje z odbojno silo tudi na trajni magnet in, če je sila dovolj velika in teža magneta dovolj majhna, bo magnet lebdel nad superprevod­nikom (slika 1). 
MATERIALI JN METODE 


Lastnosti Y832011307 

Struktura superprevodnika VBCO je v primerjavi z običajnimi kovinskimi oksidi in anorganskimi spojinami precej zapletena. Imenujemo jo perovskitna struktura. 
prevodnost superprevodnika zelo odvisna od smeri pre­vajanja. Tako je prevodnost v smeri ravnin več kot desetkrat večja od prevodnosti pravokotno nanje. 
Fizikalne lastnosti superprevodnika YBa2Cu307_>; (G<x<1) so odvisne od vsebnosti kisika v strukturi. Tako je pri vsebnosti kisika 0& (YBajCu^Oe) snov izolator. Če je vsebnost večja kot 0^4 , preide snov iz izolatorja v kovino, ki postane pri dovolj nizki temperaturi super­prevodnik. Koncentracija kisika vpliva tudi na kritično temperaturo. Ta je najvišja pri YBa2Cu30(3igi in sicer Tk-93K. Na koncentracijo kisika v strukturi lahko vpli­vamo tako, da superprevodnik segrevamo v atmosferi argona (kisik odvzemamo) ali kisika (kisik dodajamo). 

izdelava YBa2Cti3Q7 

Superprevodnik YBa2Cu30/ smo naredili iz treh sestavin (oksidov): Y2O3, BaCO^ in CuO. 
Y2O3: je bel prah, ki se razkraja v blagih kislinah, ne pa tudi v vodi, specifična teža je 4.84 kg/dm3, tališče pa ima pri 2410°C. 
BaCO?: je bel prah, topen v kislini, netopen v vodi in alkoholu, specifična teža je 4.43 kg/dm3, tališče ima pri 1740°C pri 90 atm. 
CuO: je črn amorfen ali kristal i ničen prah, ki se topi v kislinah in amonijevem kloridu, ne topi pa se v vodi, specifična teža je 6.4 kg/dni3, tališče ima pri 1026°C. 
Postopek izdelave superprevodnika obsega: 
-tehtanje, 
-predsintranje, 
-stiskanje, 
-sintranje. 
Sfika 2: Električna vezava za merjenje upornosti super­prevodnika, Fig. 2: Electric circuit for measurement of super­conductor resistance. Rfd -upornost tokovnih priključkov (current lead resi-
Njen najpomembnejši del so ravnine bakrovega ok-stance) RKu -upornost napetostnih priključkov (voltage sida CUO2, skozi katere teče superprevodni tok. Ker so sense lead resistance) R$p " upornost superprevodnika te ravnine med seboj sorazmerno dobro izolirane, je (resistance of superconductor) 
G. GLAVAŠ, S. CUNJA, E. PIŠKG: IZDELAVA VISOKOTEMPERATURNEGA SUPERPREVODNIKA ..., 241-246 
a) Tehtanje: 
Y 2 0 3 - 1.1 3 g (1.13016 g) 
BaC03 - 3.95 g (3.95044 g) 
Cu O - 2.39 g (2.39000 g). 

b) Predsintranje oziroma sintranje nasplošno je po­stopek, pri katerem se majhni delci kovin ali oksidov (velikosti pm) segrevajo do temperature površinskega taljenja. Pri tem se delci združujejo v večja zrna, zaradi česar se manjša razmerje med površino in volumnom in s tem površinska napetost. Pri tem postopku so zelo pomembni čas in temperatura sintranja ter homogenost prašnih delcev. 
Predsintranje smo opravljali 24 ur pri 850°C, ohla­janje pa je trajalo 8 ur. Postopek smo dvakrat ponovili. Po vsakem predsintranju smo dobljeno zmes dobro zdrobili. 
c) Da bi dobili željeno obliko superprevodnika (okrogla ploščica), smo najprej izdelali orodje - model za stiskanje. Stiskali smo s hidravlično stiskalnico s tla­kom 20 MPa. V prvih poizkusih nam je po stiskanju superprevodna ploščica razpadla. Ugotovili smo, da je bil vzrok temu hrapava površina orodja, zato smo ga dodatno obdelali (polirali). 
d) Superprevodno tableto smo nato sintrali 24 ur pri temperaturi 950DC in nato ohlajali 16 ur. Ohlajanje je potekalo postopno, saj se med tem spremeni struktura snovi iz tetragonalne v oitorombsko in veže nase kisik. Takšna struktura in dovolj velika vsebnost kisika pa sta pogoj za superprevodnost. 
Pri sintranju sta pomembna zlasti naslednja dejavnika: 
-
 temperatura sintranja ne sme nikoli doseči tempe­rature tališča (1000°C), saj takšna struktura ne bi imela superprevodnih lastnosti. Najprimernejša temperatura je pod 970°C in nad 930°C; 

-
 podlaga, na kateri je tableta med sintranjem, mora biti iz snovi, ki ima čim višje tališče. Pri izdelavi prvega superprevodnika smo uporabili podlago iz AI2O3, pri drugih dveh pa iz kvarčnega stekla (S1O2)-


Predsintranje in sintranje smo opravili v električni peči (s temperaturnim dosegom do 1100°C), ki ima re­gulacijo temperature, izvedeno s pomočjo dvopolo­žajnega regulatorja in tipala temperature oz. termočlena NiCr-Ni, nameščenega v peči. 
Ker je temperatura sintranja zelo pomembna, smo peč priredili tako, da smo zaporedno k notranjemu ter­močlenu priključili še enega, zunanjega, enake zgradbe (NiCr-Ni). Ta nam je služil za merjenje referenčne temperature (20°C). Med prostima priključkoma smo merili napetost, ki sta jo ustvarila termočlena in s pomočjo tabel stalno določali temperaturo peči. 
Ugotovili smo, da je temperatura nihala okoli na­stavljene vrednosti za 28°C, kar smo tudi upoštevali pri sintranju. 

Merjenje upornosti superprevodnika 
Pred pričetkom priprav za merjenje smo morali iz­brati merilno metodo za merjenje upornosti superpre­vodnika in temperature. 
Za to meritev smo izbrali ti . štiritočkovno metodo merjenja upornosti. Na ta način smo se izognili mo­lilnemu vplivu upornosti priključkov, kar bi pri majhnih upornostih superprevodnika celo onemogočilo meritev (slika št. 2), 
Superprevodnik smo priključili s pomočjo štirih pri­ključkov v dva tokokroga: enega z izvorom konstant­nega toka in drugega z voltmetrom. 
Izvor konstantnega toka nastavimo tako, da skozi su­perprevodnik in Rj<j teče stalen tok znane velikosti, ne glede na velikost upornosti R«; ali Rsp. Tako je padec napetosti na Rjp popolnoma neodvisen od (enačba 
1). 
U$p = I * Rgp (enačba!) 
Padec napetosti na Rgp merimo z voltmetrom, ki je priključen na notranji (napetostni) sponki. Tudi ti pri­ključki imajo neko upornost RKu, vendar ker priključimo voltmeter z veliko notranjo upornostjo (Rn>10MQ), je tok v tem tokokrogu zanemarljiv in zato tudi padci napetosti na R ^ (enačbe 2, 3 in 4). 
U y = U$P + 2 . URKu (enačba 2) 
Urku « ^SP (enačba 3) 
U v -US P (enačba 4) 
Upornost lahko sedaj izračunamo (enačba 5): 
L _ JJv 
S P * (enačba 5) 



Merjenje temperature 
Za merjenje temperature smo izbrali uporovno tipalo Pt 100. To je upor, narejen iz platine, ki ima pri temperaturi 0°C upornost 100Q. Ker je njegova upor­nost RT sorazmerna s temperaturo T (enačba 6), lahko z merjenjem upornosti in nato s pomočjo tabel določimo merjeno temperaturo: 
R T =10 Q • (1 +A * T) (enačba 6) 
Tudi pri tej meritvi smo uporabili štiritočkovno metodo za merjenje upornosti. 
Najpomembnejše pri pripravi merilne naprave je namestitev superprevodnika in temperaturnega tipala, ki morata biti čim bliže. Le-tako bo lahko temperaturno 

G . GLAVAŠ , S. CUNJA , E. PIŠKO: IZDELAV A VISOKOTEMPERATURNEG A SUPERPREVOPNIK A ..., 241-2.46 
Slika 3: Diagram odvisnosti upornosti od temperature našega superprevodnika VBaiCu^O?. Fig 3: Dependence of tbe resistance on temperature for a superconductor YBa2Cu307. 
tipalo merilo pravo trenutno temperaturo superpre­vodnika. 
Najtežji del priprave je bila pritrditev kontaktov na superprevodnik. Ker pri nas in v bližnji Italiji nismo mogli dobiti prevodne (Ag) paste, smo si najprej hoteli pomagati sami. S poizkusi oz. merjenjem prevodnosti pri nizkih temperaturah (tekočega aluminija, kovinskih lepil), smo ugotovili, da bi bila za nas najprimernejša mešanica univerzalnega lepila z drobnimi opilki mede­nine (zaradi prevodnosti). Vendar ko smo na ta način pritrdili kontakte in skušali opraviti meritev, nam le-ta ni uspela. Že začetna upornost je bila zelo visoka (pribl. 100Q, morala pa bi biti manj kot 1Q), pri ohlajanju pa je upornost sicer postopoma padla, vendar ne do nič, ampak do tretjine začetne vrednosti. 
Tu nam je priskočil na pomoč dr. Slavko Bernik iz IjS v Ljubljani, ki nam je na superprevodnik nanese! štiri kontakte iz Ag-paste Du Pont 7095. Ta je bila še odžgana 30 minut pri temperaturi 600°C. Tako smo na zunanja kontakta prMotali priključke za tokovni izvor, na notranja pa za merilnik napetosti. 
Superprevodnik in temperaturno tipalo smo s teflon­skim trakom pritrdili na daljši nosilec, s pomočjo kate­rega smo superprevodnik potapljali v posodo s tekočim dušikom. 
Za nosilec smo uporabili plastično cev, ki je dober toplotni izolant, da nam ne bi zunanja toplota uhajala po nosilcu v posodo s tekočim dušikom. Nosilec je pritrjen na stojalo in se med meritvijo ne premika. 
Na drugi strani nosilca je osem priključnih sponk, povezanih s superprevodnikom in temperaturnim tipa­lom, za priklop merilnikov in izvorov konstantnega toka. 
Za meritev smo izdelali še dva nastavljiva izvora konstantnega toka. 
REZULTATI IN DISKUSIJA 

Pred meritvijo smo pričakovati naslednje rezultate. 
Pri ohlajanju bi morala upornost postopno padati do kritične temperature, kjer bi prišlo do skokovitega padca. Ta se nahaja med 0 K in 93 K, kar je odvisno od vsebnosti kisika v superprevodniku. Seveda smo lahko pred meritvijo le upali, da bo kritična temperatura nad 77 K, kajti sicer s tekočim dušikom ne bi mogli dovolj ohladiti superprevodnika. 
Pred meritvijo smo morali nastaviti konstanten tok skozi superprevodnik 10mA in temperaturno tipalo PttOO 1mA. Ta toka sta dovolj majhna, da se super­prevodnik oz. tipalo med meritvijo ne segrevata, kar bi sicer povzročilo napako. Med meritvijo smo postopno dvigali posodo s tekočim dušikom in s tem sta se enakomerno ohlajala temperaturno tipalo PtfOO in superprevodnik. 
Ker na šoli nimamo merilnika, s katerim bi lahko izmerili napetost na superprevodniku (velikosti pV), smo si ga morali izposoditi. Tako smo napetost na super­prevodniku merili z digitalnim multimetrom Hewlett Packard 34401A na merilnem območju od 0 do lOOmV (ločljivost lOOnV), tok pa smo kontrolirali z mili­ampermetrorn Iskra BL2 na merilnem območju od 0 do 10mA s točnostjo 0,5%. 
Temperaturo oz. napetost na temperaturnem tipalu smo merili z digitalnim multimetrom Hung-Chang HC 81 na merilnem območju od 0 do 400mV. 
Rezultati meritve oz. diagram odvisnosti upornosti od temperature je prikazan na sliki št.3. 
Na diagramu lahko vidimo, da pri ohlajanju upor­nost superprevodnika skoraj linearno pada do tempe­rature 93 K, kjer je začetek prehoda v superprevodno stanje. Tu upornost naglo pade in pri temperaturi 88 K doseže vrednost nič. 
ZAHVALA 

Zahvaljujemo se dr. Slavku Berniku in dr. Draganu Mihajloviču iz Inštituta Jožef Štefan za vspodbude in vsestransko pomoč pri našem delu. Obenem bi se radi zahvalili še mag. Nives Kovač iz Morske Biološke Postaje, ki nam je stehtala sestavine za eksperiment. 
G. G LAVAS, S. CUNJA, E. PISKO: !ZDELAVA VISOKOTEMPERATURNEGA SU PE RP RE VO D N I K A 241-246 
RIASSUNTO 
Abbiamo costruito un superconduttore ad alte temperature Vfí^CujO/ con temperatura critica al di sopra del punto di ebolizione dell'azoto liquido (77 K). il falto é stato proviato verificando l'effetto Meissner ovvero la levitazione del magnete permanente CoSm sopra H superconduttore. 
La sintesi de! composto YBa^CujO? é riuscita bene, !I che é stato dimostrato dai difrattogrami a raggí-X e dalle fotografíe della microstruttura tramite il microscopio elettronico. Abbiamo costruito pure un apparecchio di misurazione con il quale abbiamo misurato come la resistenza del superconduttore dipende dalia temperatura, e abbiamo definito la temperatura critica del superconduttore che era di 88 K. 
VIRI IN LITERATURA Verlag. 
Poberaj I., 1993. Sklopitev med nosilci naboja in Bernik S., 1990. Raziskave visokotemperatumih kera-optičnimi fononi v YBa2Cu307„x, disertacija, FNT, Lju­mičnih superprevodnikov v sistemu Y-Ba-Cu-O, Ma-bljana, 1993. gistrsko delo, FNT, Ljubljana, 1990. Tehnička enciklopedija HI, Leksikografski zavod "Miro­Kostič, V. & L. Kostič, 1980. Hemijsko tehnološki slav Krleža", Zagreb, 1969. leksikon, Rad, Beograd. Tehnička enciklopedija Xíl, Leksikografski zavod "Miro-Kamimura H. & Oshiyama A., (Eds.), 1989. Mechanisms slav Krleža", Zagreb, 1992. of high temperature superconductivity (proc. of the 2nd Revija Življenje in tehnika, september 1987. NEC symposium, Hakone, japan, 1988), Springer ­