Normaalitilan etenemisnopeus suprajohtavissa YBCO ohutkalvoissa

Abstract

Suprajohteiden löytymisen jälkeen niille on keksitty useita erilaisia käyttökohteita, jotka hyödyntävät niiden ominaisuuksia. Yksi kehityksen alla oleva käyttökohde on fuusioreaktoreiden voimakkaat magneetit. Fuusioreaktori on kuitenkin hyvin raskas ympäristö suprajohtaville materiaaleille, sillä erilaiset häiriöt ympäristössä voivat saada aikaiseksi lämpöä. Jos tämä lämpö kasvattaa suprajohteen lämpötilaa niin suureksi, että suprajohtimen läpi kulkevat virrat ylittävät sen kriittisen virran arvon, muuttuu tämä lämminnyt piste normaalitilaan. Tarpeeksi suuri lämpöpulssi luo ketjureaktion, jonka johdosta koko suprajohde muuttuu normaalitilaan, jos läpi kulkevalle virralle ei tehdä mitään. Pahimmassa tapauksessa tällainen siirtymä normaalitilaan voi hajottaa koko magneetin. Normaalitilaan siirtyminen sekä siirtymästä aiheutuvan ketjureaktion nopeus pitää ymmärtää hyvin, jotta tällaisilta tilanteilta voidaan välttyä. Tässä tutkielmassa valmistettiin suprajohtavia YBa_2Cu_3O_{6+x}-ohutkalvoja CeO_2-bufferoidulle metalliselle substraatille käyttäen laserhöyrystysmenetelmää. Ensin valmistettiin pieniä, 5 mm x 5 mm kokoisia, ohutkalvoja, joilla pyrittiin löytämään optimaalinen kasvatuslämpötila suurempaa 19 mm x 10 mm näytettä varten. Optimaalinen kasvatuslämpötila todettiin tutkimalla valmistettujen ohutkalvojen rakenteellisia ominaisuuksia röntgendiffraktiolla ja suprajohtavia ominaisuuksia magnetometrillä. Samanlaiset tutkimukset suoritettiin myös optimaalisessa lämpötilassa valmistetulle pitkälle näytteelle. Näin saatiin hyvä käsitys pitkän näytteen homogeenisuudesta. Tutkielmassa suunniteltiin, toteutettiin ja testattiin mittausjärjestelmä, jonka tehtävänä on mitata suprajohteessa kulkevan normaalitilan etenemisnopeus. Testinäytteen valmistuksen jälkeen suoritettiin mittauksia 0 T, 1 T ja 5 T magneettikentissä. Mittauksista saatiin määritettyä, kuinka normaalitila etenee eri virran arvoilla sekä kuinka paljon energiaa tarvitaan normaalitilan syntymiseen. Lisäksi mittaukset kertoivat, miten kyseiset suureet muuttuvat magneettikentässä. Tämä tutkielma loi perustan normaalitilan etenemisnopeuden mittauksille suprajohtavissa ohutkalvoissa. Tulevissa jatkotutkimuksissa voidaan käyttää erilaisia näytteitä, jolloin saadaan paremmin tietoa normaalitilan etenemisnopeuteen vaikuttavista tekijöistä ja voidaan siten vaikuttaa suprajohteiden kestävyyteen erilaisissa tulevaisuuden sovelluksissa.