Özet
Çok düşük sıcaklıklarda bazı metaller ve alaşımlar elektriği hiçbir direnç göstermeden iletir. Akım bu süper iletkenlerin içinden hiç enerji kaybına uğramadan milyarlarca yıl boyunca akabilir. Elektronlar eşleşip çift oluşturduğu ve elektriksel dirence yol açan çarpışmalardan kaçınacak şekilde hep birlikte ilerledikleri için devridaim yaparlar.
Süper iletkenlik maddenin kuantum halidir ve bu ancak kritik sıcaklıklar altında gerçekleşebilir. Süper iletkenlikler iki özellik üzerinde tanımlanırlar. Birincisi sıfır elektrik direnci ve diğeri de manyetik alanın süper iletken içinden atılmasıdır.
Peki elektriksel direnç nedir?
Elektrik, elektronların malzeme içerisinden akışıdır. Akan elektronların birbirleriyle çarpışması sonucu enerjilerinin bir kısmının kaybına neden olan da elektriksel dirençtir.
Süper iletkenlikte ise çarpışma bulunmamaktadır. Klasik fizikte her zaman sürtünme ve enerji kayıpları varken burada yoktur (kuantum etki).
Cıva mutlak sıfırın birkaç derece üstüne kadar soğutulduğunda elektriği hiç direnç göstermeden iletir. Bunu Hollandalı fizikçi Heike Onnes 4,2 K sıcaklığındaki sıvı helyumun içine cıvadan bir kablo soktuğunda keşfetmiş, akıma hiç direnç göstermeyen ilk süper iletken malzemeyi bulmuştur. Kısa bir süre içinde kurşun gibi bazı metallerle niyobyum nitrat gibi birtakım bileşiklerin de soğutulduğunda benzer davranış sergiledikleri gözlenmiştir. Değişik bazı malzemeler için farklı eşik sıcaklıkların altında direnç tamamıyla ortadan kalkar.
Devridaim: Direncin sıfır olmasının sonucu olarak, akım bir süper iletkenin içinde sonsuza dek akabilir. Labaratuvarda bu şekilde kapalı bir devrede akımın yıllardır akması sağlanmıştır. Bilim insanlarına göre bu akış hiç enerji kaybına uğramadan milyarlarca yıl da sürebilir.
Grup davranışı: Fizikçiler düşük sıcaklıklarda böyle büyük bir geçişin olması karşısında şaşırmışlardı. Bir eşik sıcaklığın oluşu, akla hızlı bir faz değişimini getiriyordu. Bunun üzerine elektronların metal içindeki kuantum davranışlarını araştırmaya başladılar. Kuantum mekaniği sayesinde bazı ipuçları elde edilmeye başlanınca 1950’lerde çeşitli fikirler ortaya atıldı. 1957’de Amerikalı fizikçiler John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer metallerdeki ve basit alaşımlardaki süper iletkenliği açıklayan bütünlüklü ve akla yatkın bir teori ortaya attı. Buna artık BCS teorisi deniyor. Bu teoriye göre, süper iletkenliğe yol açan şey, elektronlar birbirlerine çiftler halinde bağlandığı zaman gösterdikleri garip davranışlardır.
Cooper çiftleri olarak adlandırılan elektron çiftleri, birbirlerini bağlayan titreşimler üzerinden metal atomlarının kafes yapısıyla etkileşir. Metallerde kafes yapısında bir arada duran pozitif yüklü çekirdekler ve bunların çevresinde serbestçe dolaşan bir elektron “denizi” vardır. Metaller çok soğutulduğunda, pozitif yüklerin oluşturduğu kafes de sabit durduğundan, geçmekte olan eksi yüklü bir elektron kafesin artı noktalarını hafifçe kendine çeker ve dalga gibi titreştirir. Yakından geçen bir başka elektron azıcık daha yoğun artı yüklü bu bölge tarafından çekilebilir ve iki elektron eşleşerek bir çift meydana getirir. İkinci elektron birincinin peşinden gider. Aynı şey başka elektronların da başına gelir ve metalin içinde çok sayıda senkronize elektron çifti birbirine bağlanmış halde ilerleyerek bir dalga deseni oluşturur. Bu şekilde elektronlar da birbirleriyle çarpışmadıkları için direnç ortadan kalkar.
Sıcak süper iletkenler: 1980’lerde süper iletken teknolojisi büyük ivme kazandı. 1986’da İsviçreli araştırmacılar görece yüksek sıcaklıklarda süper iletkenleşen yeni bir seramik malzeme sınıfı keşfettiler. Bunlara yüksek sıcaklık süper iletkenleri adı verildi. Lantan, baryum, bakır ve oksijen karışımı olan bakır oksitler ya da kuprat tuzları diye bilinen) ilk bileşikleri 30 kelvinde süper iletken özellikleri göstermeye başlıyordu. Bir yıl sonra yaklaşık 90 kelvinde (yani soğutucu olarak yaygın biçimde kullanılan sıvı azottan bile daha sıcak) süper iletkenleşen bir malzeme tasarlandı. Perovskit temelli seramikler ile (talyum katkılı) cıva kuprat kullanılarak süper iletken eşik sıcaklıkları artık 140 kelvin dolaylarına, hatta yüksek basınç altında daha da yukarılara çıkarıldı.
Bu tür seramiklerin aslında yalıtkan olması gerektiği için bu durum oldukça şaşırtıcıydı. Fizikçiler yüksek sıcaklık süper iletkenliğini açıklayan yeni bir teori bulmaya çalışıyor. Bunları geliştirmek fiziğin hızla gelişen ve elektronikte devrim yaratacak alanlardan biri.
Süper iletkenlerin teknolojik bir nimet olduğunu söylemeye ise gerek yok. MRI makinelerinde, parçacık hızlandırıcılarda hatta enerji kaybı olmadığından enerji depolanmasında kullanılabilir. Ve süper iletken kablolar üretilerek güç santralleri arasında muazzam ölçüde enerji aktarılabilir. Hem Fermilab hem de Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda protonları saptıran mıknatıslar, süper iletken tellerden yapılmışlardır. Süper iletkenler gelecekte manyetik yolla havaya kalkabilecek araçlarda da kullanılacak gibi gözüküyor. Halihazırda ultra düşük sıcaklıklarda çalıştıkları için kullanım alanları sınırlı ama yüksek sıcaklık süper iletkenlerine yönelik araştırmaların çok çarpıcı sonuçları olabilir.
Kaynakça:
https://home.cern/about/engineering/superconductivity
http://www.wiki-zero.org/index.php?q=aHR0cHM6Ly9lbi53aWtpcGVkaWEub3JnL3dpa2kvU3VwZXJjb25kdWN0aXZpdHk
The Three Main Ingredients for Effective Modern Education | Boaz Almog | TEDxGateway
Joanne Baker, 50 Physics Ideas You Really Need to Know
Kenneth W. Ford, 101 Quantum Questions
