Süperiletkenlik

SÜPERİLETKENLİK
Süperiletkenlik, belirli maddelerin doğru akımı hiçbir direnç ve kayıpsız iletmek için aşırı düşük sıcaklıklara soğutulduklarında, bu maddelerin gösterdikleri özellikleridir. Başka bir deyişle sıcaklığın belirli bir değerin altına düşürüldüğü zaman doğru akım ile elektriksel dirençleri sıfır olan malzemelere süperiletken denir. Bu bize, elektrik akımının sıradan iletkenlerde dirençten doğan ve ısı olarak yayılan enerji kaybını engelleme olanağı verir.
Oda sıcaklığında, bakır tel ya da normal bir iletkende hızla hareket eden çok sayıda fonon vardır. Bu tür iletkenlerdeki direncin nedenlerinden birisi, akımın yani elektronların metal boyunca hareket ederken bu fononlarla karşılaşması, yani elektronlarla fononların çarpışması.
Bir süperiletken içerisindeki elektronların davranışıysa bundan tümüyle farklı. Kristal örgüdeki kusurlar yine olmakla birlikte, elektronların bu engeller boyunca hareketi oldukça değişik. Elektronlar engel oluşmayan bölgeleri seçiyorlar. Dolayısıyla, herhangi bir engelleme ya da sürtünme olmadığından, hiçbir enerji kaybı olmaksızın elektriği iletebiliyorlar.
Süperiletkenlerin bir başka özelliği ise kusursuz diamanyetik olmaları.Yani süperiletkenler manyetik alanı tamamen iter. Böylece süperiletken mıknatıslar yardımıyla, örneğin bir treni raylara temas etmeden hareket ettirebilir ve sürtünmeyi azalttığımız için trenin çok daha hızlı gitmesini sağlarız.
Çok düşük ısılarda elektronlar “Cooper Çiftleri” adı verilen ikililer oluştururlar iletkenin içerisinde atomlara çarpmadan ve sonuç olarak enerji kaybetmeden hareket edebilirler. Bu ısı değişik metal ve seramikleri için farklıdır ve mutlak sıfır (-273 ºC) ile -196ºC arasında değişir. Bu ısıları sağlamak kolay olmadığı için süper iletkenliğin kullanımı oldukça sınırlıdır. Şu anda ancak sıvı azot gibi yardımcı soğutucular sayesinde süper iletkenlik sağlanabilmektedir.
Halka şeklindeki bir süperiletkenin taşıdığı akımın yıllarca değişmeden aynı kaldığı gözlemlenmiş. Bu nedenle, süperiletkenlerde akım taşıyan elektronların yaptığı hareket, normal metallerde yaptığı hareketten nitelik olarak çok farklı.
Bütün süperiletkenler bu özelliklerini düşük sıcaklıklarda kazanıyorlar. Bir süperiletken ısıtıldığında belli bir kritik sıcaklıkta direnci olan normal bir metale dönüşüyor. Bugüne kadar bulunan bütün süperiletkenlerin kritik sıcaklıkları sıfırın altında ve çok düşük. Hangi malzemelerin hangi kritik sıcaklık altında süperiletken olacağını güvenle söyleyen bir kuram yoktur.
Yüzlerce malzemenin çok düşük sıcaklıklarda süperiletkene dönüştüğü bilinmektedir. Hepsi metal olan 27 kimyasal element, atmosfer basıncında, kendi kristalgrafik formlarında süperiletkenlerdir. Bunlar arasında yaygın olarak bilinenler Alüminyum, Kalay, Kurşun, Civa, Renyum, Lantan ve Proktantinyum yer alır. Bunlara ilave olarak metal, yarıiletken olan 11 kimyasal element düşük ısı ve yüksek basınç altında süperiletkendir. Uranyum, Seryum, Silikon ve Selenyumu bunlar arasında sayabiliriz. Bizmut kendi kristal-grafik formunda süperiletken olmamasına rağmen, çok düşük sıcaklıklarda düzenli duruma geçerek süperiletken süperiletken haline gelebilir. Krom, Manganez, Demir, Kobalt ve Nikel gibi magnetik elementlerin hiçbirinde süperiletkenlik görülmez.Bilinen süperiletkenlerin birçoğu alaşım veya bileşiktir.Süperiletkenliğin iki belirleyici özelliği vardır. Maddenin içindeki elektrik akışı, maddenin yapısını oluşturan iyon örgüleriyle çarpışması sonucu engellenir. Buna maddenin direnci adı verilir. Böyle bir madde süperiletken duruma geldiğinde, bu direnç sıfıra iner. Süperiletken durumda maddenin örgüsü, elektronları engellemek yerine, onların hareketine destek olur. Bunun uygulamadaki anlamı süperiletken bir devrede elektrik akımının ilke olarak kayıpsız akacağıdır.Süperiletkenlerin sıfır direnç göstermelerinin yanı sıra yakınlarında bulunan herhangi bir manyetik alanı dışlamaları da ayırdedici bir özellikleridir. Örneğin bir mıknatıs kritik sıcaklığın (süperiletkenliğe geçiş sıcaklığı) altında bulunan bir süperiletkeni sanki ters kutuplu bir mıknatısmış gibi iter. Ancak kritik sıcaklığının üstünde aynı süperiletken madde herhangi (mıknatıs olmayan) bir iletken gibi davranır. Yani mıknatısın süperiletken üzerinde bir etkisi gözükmez.
Elektriği hiçbir dirençle karşılaşmaksızın ve hiçbir enerji kaybına uğramaksızın iletebilen bu malzemelerin geçmişi, 19. Yüzyılda Michael Faraday’ın keşiflerine kadar uzanıyor.
Gaz halinde bulunan elementlerin sıvılaştırılması, 19. Yüzyıl bilim adamları için oldukça büyüleyici ve ilgi çekici bir uğraş alanıydı. Çok düşük sıcaklıklara gereksinim duyulan bu işlemi ilk kez, 1823 yılında Michael Faraday kloru sıvılaştırmasıyla gerçekleştirdi. Farday, bunun için kloru 77 Kelvin’e (K) kadar soğutmuştu.. Mutlak sıfır da bir maddenin enerjisi de olabilecek en düşük değerde bulunuyor.
Faraday, sonradan değişik sıcaklıklarda başka gazları da sıvılaştırmayı başardı. Ancak, oksijen, azot, hidrojen ve metan gibi bazı gazları sıvılaştıramamış ve bu tür gazların sıvılaştırılamayacağını öngörmüştü.1877 yılına gelindiğinde, Louis Cailletet ve Raol Pictet oksijen ve azotu sıvılaştırmayı başardılar ve böylece Faraday’ın öngörüsü de çürütülmüş oldu. Ardından da James Dewar, 1898 yılında hidrojeni 20 K’de sıvılaştırarak mutlak sıfıra en yakın değeri elde etti.
20. yüzyıla girildiğinde de, bilim adamları birbirleriyle yarışırcasına mutlak sıfır yakınlarında malzemelerin davranışlarını araştırmaya başlamışlardı. Bu çalışmaların bir sonucu 1900 yılında hidrojenin sıvılaştırılması için gerekli sıcaklığın 6 K’ye kadar düşebildiğinin gösterilmesiydi. Böylece mutlak sıfıra adım adım yaklaşılıyordu. Artık bilim adamları için, gazları sıvılaştırmaktan çok, bu sıcaklıktaki sıvılaştırılmış gazları kullanarak diğer malzemelerin davranışlarını araştırmak ön plana çıkıyordu.
Sonunda Hollandalı fizikçi Kamerlingh o¬nnes, 4,2 K’lik değere ulaşmayı başardı ve bu sıcaklıkta elde ettiği sıvı helyumu kullanarak değişik malzemeleri soğuttu. Amacı, bu sıcaklıktaki malzemelerin davranışlarını gözlemlemekti. Deneyleri sırasında o¬nnes, bu sıcaklık değerinde cıvanın ilginç bir davranışını keşfetti. Cıva, belli bir sıcaklık değerinin altında elektrik akımına karşı neredeyse tüm direncini kaybediyordu. “kritik sıcaklık (Tc)” adını verdiği bu eşik değerin altında cıva, yalnızca çok iyi bir iletken değil, elektriğe karşı hiçbir direnç göstermeyen bir “süperiletken”e dönüşüyordu.
Onnes, 1911 yılında bu sonuçlarını sunduğunda yepyeni ve çarpıcı bir buluşa imza atıyordu:
Sıfır Direnç
Michael Faraday’ın 19. yüzyılda yaptığı en önemli keşiflerin başında hiç kuşkusuz elektrik akımının üretimi ve kullanımını olanklı kılan çalışmalar gelir. Yepyeni bir teknolojik devrimi simgeleyen bu elektrik teknolojisi bugünkü teknolojimizin de temelini oluşturuyor. Elektriği kullanmamızın en önemli nedenlerinden birisi de, istediğimiz zaman ve istediğimiz yerde enerji elde edebilmenin en kolay yolu olması. Elektrik sayesinde motorları çalıştırır, ışık üretir, ısınır ve bilgisayarlarımızı kullanabiliriz. Eve gelen faturalar dışında da bizi hiç zorlamaz. Ancak, evlerimizin her yerini donatan prizlere elektriğin taşınması için tellere (kablolara) gereksinim var. İşte bu noktada bazı problemler çıkıyor. Elektriği taşıyan teller genellikle metaldirler ve bu metaller elektrik akımına karşı bir direnç gösterirler. Bu direnç de, tel boyunca akan akımı, yani kullanılacak enerjinin bir kısmını atık ısıya dönüştürür. Örneğin bir ampul ya da elektrikli ısıtıcı bu ilkeyle çalışır. Ancak sözkonusu olan ısı ya da ışık elde etmek değil, elektriği iletmek olunca, ortaya çıkan ısı aslında atık enerji anlamına geliyor. Fakat sıradan bir iletken yerine bir süperiletken kullanırsanız elektrik akımı, hiçbir enerji kaybuna uğramadan akabilir. Çünkü süperieltkenlerin elektriksel dirençleri yoktur.
Aslında fizikçiler, metal bir telin soğutulduğunda ya da sıcaklığı oda sıcaklığının altına düşürüldüğünde, direncinin azaldığını çok eskiden beri biliyorlardı. Çünkü bu sayede örgü titreşimleri azalır ve böylece elektron akışı kolaylaşır. Ancak, mutlak sıfır gibi muazzam soğuk değerlerde metalin direncinin ne kadar azalacağı pek bilinmiyordu. Hatta William Kelvin gibi bazı bilim adamları, bu sıcaklıkta elektronların hareketinin, dolayısıyla akımın tümüyle duracağını düşünüyorlardı. Buna karşın, o¬nnes’in de içinde bulunduğu bir başka grup, direncin tümüyle azalacağını iddia ediyorlardı.
Direnci azaltmanın bir diğer yöntemiyse metali saflaştırmak. Sıcaklığın mutlak sıfıra (0 K) yaklaşması gibi, metal de saflaştıkça direncini kaybeder. Dolayısıyla, saf bir metalin 0 K’deki direncinin sıfır olmasını beklemek yanlış olmaz. Ancak, pratikte, mutlak sıfıra yaklaşmak mümkünken, sıfıra ulaşmak neredeyse olanaksız; üstelik elektriksel aygıtları ve telleri bu sıcaklığa kadar soğutmak da pek kolay değil.
Yüzyılın başında mutlak sıcaklığa ulaşmak için girişilen çabaların en başarılı sonucu, 1908 yılında Danimarka’lı fizikçi Kamerlingh o¬nnes’in helyumu sıvılaştırmasıydı. o¬nnes, ilk iş olarak da bu sıcaklıkta metallerin elektriksel dirençlerinin ne olacağını gözlemeye girişmişti. Birçok metalle yaptığı deneylerinde, bu metallerin mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara soğutulduklarında elektriksel dirençlerinin kararlı bir şekilde azaldığını gördü. Kullandığı metal ne kadar safsa direnci de sıfıra o kadar yakın oluyordu. Cıvanın kolayca saflaştırılabileceğini bilen o¬nnes, çok saf ince bir cıva teli üzerinde ölçümler yaptı. Bu kez sonuç ilginçti: 4,2 K’nin hemen üzerindeki bir sıcaklıkta telin direnci birden neredeyse sıfıra (yaklaşık 0,11 ohm) düşüyordu. Aslında, o¬nes 10-5 ohmdan daha fazla bir direnç ölçemedi, çünkü bu değer o zamanlarki aletlerin hassasiyet sınırıydı. Daha sonraları tekniğini geliştirip tekrar yinelediği deneylerinin sonuçlarını 1911’de yayımladığında, cıvanın direncinin süperiletkenliğe geçiş aşamasında 1011’in katlarıyla orantılı olarak azaldığını söylüyordu. Yani cıva 4,15 K’nin altındaki sıcaklıklarda süperiletken hale geçiyordu. Aynı deney, kalayın direncinin de 3,72 K’de sıfıra düştüğünü gösterdi. Bazı malzemeler, belli sıcaklık değerlerini altında açıkça başka bir duruma geçiyorlardı. o¬nnes bu yeni keşfettiği duruma süperieltkenlik adını vermişti.
Böylece, cıva ve benzeri bazı metallerin dirençlerinin, “kritik sıcaklık” (Tc) adı verilen belirli bir sıcaklıkta sıfıra düştüğü anlaşıldı. Bunun anlamı şu; eğer süperiletken bir tel ilmekten bir akım geçirirseniz bu akım sonsuza dek akar. o¬nnes, böyle bir ilmeğin ürettiği manyetik alanı gözlemek için, ilmeğe bir pusula yaklaştırdı ve pusulanın iğnesinin 24 saaten fazla sapmış olarak kaldığını gözledi.
Bugün artık, çoğu metalin süperiletken hale getirilebildiğini biliyoruz. İçlerinde niobyum-kalay ve niobyum alüminyum gibi alaşımların da bulunduğu en iyi süperiletkenlerin kritik sıcaklıklarıysa en yüksek 20 K kadar. Soy metaller, bakır, gümüş, altın gibi metalleriyse süperiletken hale getirmek olanaksız.
1913 yılında o¬nnes’e Nobel fizik ödülünü getiren, malzemelerin bu ilginç davranışlarının keşfi bilim adamlarını hemen harekete geçirdi. Her yeni bilimsel keşifte olduğu gibi, süperiletkenliğin de kuramsal bir çerçeveye oturtulması gerekiyordu. Aslında süperiletkenlik için, daha doğrusu mutlak sıfıra yakın sıcaklıklardaki malzemelerin davranışlarına ilişkin, kuram geliştirme çabaları keşfinden önceye dayanıyor. Bu konuyla ilgili ilk kuram James Dewar’ınki. Dewar, sıcaklığın mutlak sıfıra yaklaştığı durumlarda iletkenliğin de sıfıra yaklaşacağını söylüyordu. Ancak Dewar’a göre sıfır direnç mümkün değildi. Çünkü mutlak sıfıra ne kadar yaklaşılırsa yaklaşılsın, asla ulaşılamayacağını düşünüyordu. Bir başka kuramın yaratıcısı Kelvin’e göre de, sıcaklık azaldıkça direnç artmalıydı. Kelvin’e göre, malzeme soğudukça elektronlar duracak ve hareket edemeyecek, böylece de akım iletimi mümkün olmayacaktı. 1900 yılına gelindiğindeyse Paul Drude ve Henrik Lorentz, sıcaklık ve direnç ilişkisine bir başka kuram önerdiler. Kurama göre, direncin iki temel kaynağı vardı; birisi sıcaklık diğeri de kristal yapıdaki kusurlar. Sıcaklık ne kadar yüksekse kristaldeki atomlar o kadar çok titreşecek ve elektronların hareketi engellenerek daha fazla direnç oluşacaktı. Drude ve Lorentz, direncin azalmasının nedenini sıcaklığın çok soğuk olduğu değerlere bağlıyorlardı. Sıcaklık azaldığında, sıcaklığın ve benzer şekilde kristaldeki kusurların neden olduğu direnç de azalacaktı. Bu sıcaklık-direnç üzerine sürdürülen tartışmalar, o¬nnes’in keşfiyle son buldu. Artık süperiletkenliğin kaynağı anlaşılmıştı ve bu da güçlü bir kuramı gereksiniyordu.

Kaynak: Bu okuduğunuz içerik internet üzerinden derlenmiştir. Sitemizde yer alan içerikler özgün içerik değildir. Bu içerik sizin içeriğinizse iletişim seçeneklerinden bize ulaşıp atıfta bulunabilirsiniz.