Süperiletken ve Süper İletkenlik Hakkında Bilgi

Süperiletken (Üstüniletken), elektriksel iletkenlikleri sonsuza ulaşan maddelere denir. Bazı element ve alaşımlar belirli bir sıcaklık (Kritik sıcaklık:Tc) seviyesine veya o kritik sıcaklığın altına doğru soğutulduklarında süperiletkenlik özelliği kazanırlar. Elektrik akımı, dirençle karşılaşmadan süperiletken maddelerin üzerinden geçebilir. Başka bir özellikleri de içlerindeki manyetik akıyı mükemmel bir diyamanyetiklik özelliği göstererek dışarı itmeleridir. Bu diyamanyetik özellik göstermeleriMeissner etkisi olarak tanımlanır. Süperiletken maddeler 'den yüksek akıımlar geçebilir.

Süper iletkenlik Nasıl oluşturulur?

Süperiletkenlik, bazı malzemelerin hiç bir direnç göstermeksizin elektrik akımını iletmesine verilen addır. Bu olay konusunda en sık sorulan soru “çok küçük direnç” mi yoksa “sıfır direnç” mi sorusu. En baştan bunu kesinleştirmekte yarar var: Süperiletkenler sıfır dirence sahip. 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 (henüz hiçbirini evlerimizde kullanamayız). Ne yazık ki hangi malzemelerin hangi kritik sıcaklık altında süperiletken olacağını güvenle söyleyen bir kuram yok. Bu nedenle bilim adamları sürekli yeni malzemeler üretip, laboratuarda çok düşük sıcaklıklara kadar soğutarak (yani deneme-yanılma yöntemiyle) yeni süperiletkenler bulmak zorunda.

Tarihi Gelişme Süreci

Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes 1908 yılında Helyum’u sıvı hale dönüştürmeyi başardı. Bu başarı 4,2 K’e kadar olan düşük sıcaklıklarda fiziksel özelliklerin araştırılmasını mümkün hale getirdi. Metallerin elektriksel dirençlerinin bu düşük sıcaklık bölgelerindeki değişimi yine ilk defa Onnes tarafından incelendi. Sıvı Helyum’un keşfinden 3 yıl sonra Heike Kamerlingh Onnes, civa metalinde DC elektriksel direncin kritik sıcaklık(Tc) diye adlandırdığı sıcaklık ve altındaki sıcaklıklarda ölçülemeyecek kadar küçük bir değere düştüğünü gözlemledi. Ancak ölçülemeyecek kadar düşük değere düşmüyordu. Daha sonra yapılan ölçümlerle sıfır olduğu anlaşılmıştır. Bu heyecan verici gözlem süperiletkenliğin keşfi olarak bilinmektedir. Bu çalışmadan dolayı Kamerling Onnes 1913 yılında Nobel Fizik ödülünü kazandı. Daha sonraki yıllarda yapılan çalışmalarda başka elementlerin ve bileşiklerinde (1913 yılında kursunun (Pb) 7,2 K’de (Onnes, 1911), 1930 yılında Niyobyum'un 9,2 K’de (Chapnik, 1930) süperiletken olduğu anlaşıldı. Süperiletkenliğin H. K. Onnes tarafından 1911 yılında kesfinden 1933 yılına kadar süperiletkenin bir ideal iletken olduğu yani sadece sıfır dirence sahip olduğu düsünülüyordu. Kusursuz diyamanyetizma özelliği keşiften yaklaşık 22 yıl sonra W. Meissner ve R. Ochsenfeld tarafından gözlendi. Diyamanyetiklik, manyetik ters yönelmesi olarak ifade edilebilir. Manyetik alan yayılım frekansına göre moleküler çapta ters yönlenme eğilimi gösterirler. Bir mıknatısa yaklaştırıldığında kuzey kutbu gören maddenin yakın tarafı kuzey kutbu olarak yönelecektir. Su, bu yapıya sahip maddelerden biridir. Diyamanyetizma özelliği, keşfedilen süperiletkenler için ortak bir özellik oluşturmaktadır. Bu özellik Meissner Etkisi olarak bilinmekte olup, kritik sıcaklığın altındaki süperiletken bir malzemeye yüksek olmayan bir alan uygulandığında malzemenin bu manyetik alanı dışarlaması prensibidir .

Meissner Etkisi

W. Meissner ve R. Ochsenfeld tarafından 1933 yılında gözlemlenen bu etkide, manyetik alan içindeki bir süperiletken kritik geçiş sıcaklığına(Tc) kadar soğutulduğunda manyetik alan çizgileri süperiletkenin dışına itilir. Manyetik alanın bu şekilde dışarlanması Meissner etkisi olarak bilinir ve bu etki, bir süperiletkenin içinde B=0 olacak şekilde davrandığını gösterir. Manyetik alanın dışlanması, perdeleme akımları (shielding currents) olarak bilinen ve uygulanan manyetik alana eşit ve zıt yönde alan oluşturacak yönde süperiletken yüzeyinde akan elektrik akımından dolayı meydana gelir. Meissner etkisinin en iyi gösterimi levitasyon durumundaki kalıcı mıknatıs deneyidir. Süper iletkenler sıfır elektriksel dirence sahiptirler. Bunun yanında manyetik alanı itme gibi bir özellikleri daha vardır (diamanyetik). Yüklü bir parçacık bir eksen etrafında döndüğünde bir manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alanın yönünü parçacığın dönme yönü belirler. Atomlarda manyetik alan oluşturan tanecik elektrondur. Proton ve nötronun etkisi çok küçük olduğundan ihmal edilir. Bir atomun veya molekülün elektron dizilişi yazıldığında bazılarının eşleşmiş bazılarının ise eşleşmemiş olduğu görülür. Eşleşmiş elektronların dönme yönleri birbirine ters olduğundan oluşturdukları manyetik alanlar birbirlerini sıfırlayacaklardır. Elektron dizilişi yazılan maddenin bütün elektronları eşleşmiş ise net bir manyetik alan oluşmayacağından bu tür maddeler manyetik alandan etkilenmezler ve diamanyetik olarak isimlendirilirler. Bu olaya Meissner etkisi (akı dışarlanması) adı verilir.

Cooper Çifti

Cooper çiftleri Negatif elektrik yüklü elektron atom örgüsün içinden geçerken pozitif yüklü iyonlarla elektromanyetik etkileşime geçerse Cooper çifti oluşup atom örgüsünün şekli bozulur.Cooper çiftleri süperiletkendeki akımın taşıyıcılarıdır fonon alışverişi ile bağlı kalırlar.Fonon kristal titreşim kuantumudur.Parçalayıcısı düzen parametresiyken adını Leon Neil Cooper'dan alır.

Öncelikle, Cooper çiftlerini oluşturan elektronlar tek bir atoma bağlı değil. Bunlar, aynen metallerdeki gibi malzeme içinde serbestçe dolaşan elektronlardan oluşuyor. Bazı atomların (metal atomları) en dış kabuklarındaki elektronlar atomlara diğerlerinden çok daha zayıf bağlanmıştır. Atomları bir araya koyarak malzemeyi oluşturduğunuzda, bu elektronlar bir atomdan diğerine rahatça geçerek, malzeme içinde serbestçe dolaşmaya başlarlar. Küçük bazı farklar dışında bu hareket parçacıkların boş uzaydaki hareketine oldukça benziyor. Biz bu tip malzemelere “metal” diyoruz. Süperiletkenlik de metallerde, bu serbest elektronların birbirleriyle “bir şekilde” etkileşerek Cooper çiftleri oluşturmasıyla oluşuyor. Etkileşme BCS tipi dediğimiz süperiletkenlerde, atomların titreşmesi aracılığıyla gerçekleşiyor. Yani, bir elektron çevresindeki atomların titreşmesine neden oluyor, bu titreşimler uzağa yayılıyor ve başka bir elektronun hareketini etkiliyor. Fakat elektronların etkileşmesi için bu tek bir olası mekanizma değil. Özellikle seramik süperiletkenlerde başka etkileşme mekanizmalarının olduğu düşünülüyor.

Önemli olan bir nokta bu etkileşmenin çok zayıf olması. Bunun bir sonucu, elektronların birbirlerine bağlanması için sıcaklığın çok düşürülmesi gerekiyor. Bu da, belli bir kritik sıcaklığın altında gerçekleşiyor. Kritik sıcaklık her malzeme için farklı. O malzemedeki elektronların ne kadar büyük titreşim yaratabildiklerine (BCS mekanizması için), elektron yoğunluğuna vb. birçok faktöre bağlı. Birçok malzeme için bu 1 Kelvinin bile altında, kurşun için 7K, magnezyum diborid için 39K, seramikler için daha yüksek . Şu andaki dünya rekoruna 138K ile bir seramik sahip. Ama, bütün malzemeler süperiletken olamıyor. Bunun nedeni bu malzemelerde Cooper çifti oluşturacak derecede yeterince güçlü bir etkileşmenin olmaması olabilir ya da deneysel olarak yeterince düşük sıcaklıkları henüz elde edemediğimizden de olabilir. Bazı metallerse, normal basınç altında hiçbir zaman süperiletken olamadığı halde, yüksek basınç altında ve uygun sıcaklık altında süperiletken olabiliyor (örneğin demir). Şu anda, hangi malzemenin hangi sıcaklık (ve basınç) altında süperiletken olacağını güvenilir bir şekilde söyleyebilen bir kuram yok. Süperiletkenlik alanındaki en büyük sorun, kuramların bu anlamdaki yetersizliği. Gelecekte oda sıcaklığında süperiletken olan malzemeler bulunacağı umuluyor. Ama o zamana kadar, bilim adamları güçlü soğutucularla çalışmak zorunda. Kritik sıcaklığın üzerinde bir süperiletkenin metale dönüşmesi, bu malzemelerin normalde metal olmasından kaynaklanıyor, başka bir şey değil.

Elektronlar arasındaki etkileşmenin zayıf olmasının ikinci bir sonucu, bu elektronlar bağlanıp bir Cooper çifti oluşturduklarında aralarındaki uzaklığın oldukça büyük olması. (Zayıf etkileşme ==> büyük uzaklık, düşük kritik sıcaklık). Diğer bir takım nedenlerden dolayı bu uzaklığa “uyum uzaklığı” deniyor ve değeri 1000 Angstrom ile bazı seramiklerde 30 Angstrom arasında değişiyor. Atomların çapının birkaç Angstrom olduğunu hatırlarsanız, bir Cooper çiftindeki iki elektron arasında yüzlerce başka elektron olduğunu görebilirsiniz. Bunun bir anlamı, bir çiftteki elektronlardan birinin rahatlıkla bağdan kurtulup başka bir çifte bağlanabilmesi olasılığı. Yani, malzeme içinde bir kere birbirlerine bağlandı mı artık ayrılmayan çiftler yerine çok daha karmaşık bir durum söz konusu. Bu nedenle süperiletkenlerin kuramsal tasviri oldukça karmaşık ve yine bu nedenle süperiletkenlikle Bose-Einstein yoğuşması arasında birebir ilişki kuramıyoruz. (Halbuki iki olay birbirine çok benziyor). Bir çifti oluşturan elektronların enerjileri aynı da olabilir, farklı da. Bağlanmayı sağlayan etkileşme çok zayıf olduğundan, çiftin bağlanma enerjisi çok düşük. Bu nedenle elektronların enerjileri de aşağı yukarı aynı olmalı; enerjileri arasında çok büyük farklar olmamalı. Elbette bu elektronlar birbirleri arasında momentum ve enerji değişimi gerçekleştiriyorlar, ama söz konusu enerjiler bağlanma enerjisine göre çok düşük. Çiftin dağılarak iki bağımsız elektrona dönüşmemesi için bunlar zorunlu.

Cooper çiftlerinin oluşmasının neden sıfır dirence yol açtığı sorusununsa basit bir cevabı yok. Standart, Bose-Einstein yoğuşması cinsinden açıklaması şöyle: Kuantum kuramına göre elektron bir fermiyondur; yani aynı kuantum durumunda bulunamayan, Pauli dışlama ilkesine uyan parçacıklar. Buna karşın çift sayıda fermiyon içeren bir sistemse bir bozondur. Bozonlar da, fermiyonların aksine aynı kuantum durumunda bulunmaya çalışır. Örneğin helyum atomu, 2 proton, 2 nötron ve 2 elektrondan, dolayısıyla 6 fermiyondan oluşan bir bozondur. Bose-Einstein yoğuşması olayında, bozonların büyük çoğunluğu aynı kuantum durumuna girer. Bu durumda, eğer bir takım bozonlar bir yöne doğru sabit hızla hareket ediyorsa, bütün diğer bozonlar da aynı yöne doğru aynı hızla gitmek isteyecektir. Belli bir sıcaklığın altında sıvı helyumda gördüğümüz “süper akışkanlık” bu kuantum olgusundan kaynaklanıyor. Süperiletkenlerde de Cooper çiftleri bir bozon gibi davranıyor (ama, bir Cooper çiftini, değişmez bir parçacık olarak düşünmek pek doğru değil). Dolayısıyla, akım taşıyan bir durumda, bütün Cooper çiftleri aynı yönde, aynı hızla hareket etme eğiliminde. Dolayısıyla, bu akımdan bir Cooper çiftini çıkarmak (yavaşlatmak) enerji isteyen bir olay, normal dirençli metallerdeki gibi dışarıya enerji veren bir olay değil.

BCS Kuramı

Bir metalde atom örgüsünü oluşturan atomların birlikte hareket ettiği biliniyordu.Bu yapı belli enerji ve frekanslarda titreşiyordu.Titreşimin artması fonona bağlıydı frekans ise atom kütlesine bağlıydı.Civa için kritik sıcaklığın civa izotopuna göre değişiyordu buda süperiletkenliği fononla ilgisi olduğunu kanıtlıyordu.Negatif atom örgüsünün içinden pozitif yüklü iyonlarla elektromanyetik etkileşim yapmasının sonucu elektronları birlikte hareket ettirmeye çalışıyordu ve bu çiftlere Cooper çifti denildi.^[1] Süperiletkenliği anlamaya yönelik geniş çapta kabul edilmiş ilk teori 1957 yılında John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer adındaki Amerikalı fizikçilerden geldi ve onlara 1972'de Nobel ödülünü kazandırdı. Bu teori BCS teorisi olarak bilinmekte olup, adı bilimadamlarının soyisimlerinin başharflerinden derlenmiştir.

BCS teorisi, süperiletkenliği mutlak sıfıra yakın değerlerde olan elementleri ve basit alaşımları (1. tip süperiletkenler) açıklamakla birlikte yüksek sıcaklık süperiletkenlerini açıklamakta yetersiz kalmaktadır.

BCS teorisine göre elektronlar kristal bir örgünün içinden geçerken, örgü içeri doğru bükülme gösterir ve fonon denen ses paketleri oluşturur . Bu fononlar deforme olmuş alanda pozitif bir yük yatağı oluşturarak arkadan gelen elektronların aynı bölgeden geçmesine olanak sağlarlar. Elektronların çiftler halinde geçmesine sebep olan bu olaya 'phonon-mediated coupling' (fonon yardımıyla eşleşme) denir ve süperiletkenliğe olanak sağlar. Bu çift COOPER ÇİFTİ olarak adlandırılır.

Kalıcı Mıknatıs Deneyi

Kritik sıcaklığın altına kadar soğutulmuş bir süperiletken maddeye üstten küçük, hafif fakat oldukça kuvvetli bir mıknatıs yaklaştırıldığında, mıknatısın süperiletken madde üzerinde kaldığı gözlenir.Mıknatıs süperiletkene yaklaştırıldığı zaman süperiletken madde üzerinde bir süperiletken akım meydana getirecektir. Manyetik alanın etkisiyle oluşan bu süperiletken akım dışarıdan uygulanan alana eşit fakat zıt yönde bir manyetik alan oluşturur.Süperiletken madde içerisinde oluşan bu manyetik alan da dışarıdan uygulanan manyetik alanın süperiletken madde içerisine girmesini engelleyecektir. Bu engelleme sonucu da süperiletken mıknatıs üzerinde havada kalacaktır.Bu olay madde süperiletken fazında kaldığı sürece devam edecektir. BSC TEORİSİ:Süperiletkenliği anlamaya yönelik geniş çapta kabul edilmiş ilk teori 1957 yılında John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer adındaki Amerikalı fizikçilerden geldi ve onlara 1972'de Nobel ödülünü kazandırdı. �

Süperiletkenliğin teknolojik uygulaması
Manyetik Güç Depolama
Maglev Trenleri
Maglev Rüzgar Türbinleri
SQUIDs
Süperiletken Bolometreler
Süperiletken Kablolar