Catalog

Süperiletkenlerin Yüzüncü Doğum Yıldönümü Süperiletkenlik, bilim, teknoloji ve endüstri dünyasında büyük ilgi uyandıran Yirminci Yüzyıl’ın en önemli keşiflerinden biridir. Süperiletkenler elektrik akımına karşı çok düşük sıcaklıklarda sıfır direnç gösterir. Süperiletken malzemeler yüzde yüz saf olabileceği gibi farklı elementlerin bir bileşiği şeklinde de hazırlanabilir. 2011 yılı, bu büyük buluşun yüzüncü yıldönümü olarak kutlanmaktadır. Doç.Dr. Nihal Sarıer (İstanbul Kültür Üniversitesi) Bardeen, Cooper, Schrieffer (Nobel 1972Fizik) J. G.Bednorz ve K. A. Müller (Nobel 1987 Fizik) O n dokuzuncu yüzyılda, elektriğin doğası hakkındaki çalışmaların başlangıcında, bakır ya da gümüş gibi metallerin yapılarındaki serbest elektronların elektriksel iletkenliğe neden olduğu anlaşıldı. Bu tür “normal” iletkenlerin ortam sıcaklığı arttıkça serbest elektronlarının metal atomları ile çarpışarak saçıldığı, bunun bir sonucu olarak iletkenliğin azaldığı görüldü. Öte yandan, düşük sıcaklıklarda yapılan deneylerde metal atomların hareketleri yavaşlarken, kütleleri çok küçük olan elektronların hareketinde yavaşlama olmadığı, böylece elektriksel iletkenliğin arttığı belirlendi. Ancak metalik iletkenin yapısında eser miktarda bulunabilen diğer elementlerin, metalin kristal yapısında hatalara neden olduğu, bu hataların da çok düşük sıcaklıklarda bile “normal” iletken metalin az da olsa bir elektriksel direnç göstermesine neden olduğu deneysel olarak gözlemlendi. kisi” kuramına bir katkı olarak, kritik sıcaklıktan daha düşük sıcaklıklarda süperiletken bir malzemedeki elektronların aralarındaki itme kuvvetlerini yenerek kararlı çiftler oluşturduğunu, bu sayede elektronların saçılmasının önlendiğini ve elektriksel direncin sıfıra düştüğünü kanıtladılar. Böylece, isimlerinin baş harfleri ile tanınan “BCS Kuramı” ile süperiletkenlik olgusunun nasıl meydana geldiğini açıklamış oldular. Bugün BCS Kuramına uyan süperiletkenler, Tip I süperiletken olarak sınıflandırılmaktadır. Şekil 1. a) Süper iletken Hg ile normal bir metalin sıcaklığa karşı elektriksel direnci; b) Dr. Heike Kamerlingh Onnes ve onuruna basılan Hollanda pulu CBT 1268 / 14 8 Temmuz 2011 1911’de, Leiden Üniversitesi’nden (Hollanda) Dr.H.K. Onnes, bir ağır metal olan ve oda sıcaklığında sıvı halde bulunan Civa (Hg) elementini 4.2 Kelvin (269 oC) sıcaklığında sıvı Helyum banyosuna daldırdıktan sonra, Hg’nin elektriksel direncinin bu sıcaklıkta aniden sıfıra düştüğünü gözlemleyerek deney defterine “Civa sıfır elektrik dirence kadar düşürülebilir” diye not aldı (Şekil 1a). Elektriksel direnci sıfıra düşürülen malzemelere süperiletken adını verirken, süperiletkenlik özelliğinin ortaya çıktığı sıcaklığı da kritik sıcaklık(Tkritik) olarak tanımladı. Daha sonra, Dr. Onnes süperiletkenlik alanındaki büyük keşfi nedeni ile 1913 Nobel Fizik Ödülü ile ödüllendirildi. Yirmi yıl kadar süperiletkenlik olgusunun kuramsal açıklaması ile ilgili fazla bir ilerleme olmadı. 1933 yılında W. Meissner ve R. Oschenfeld, Kalay (Sn) ve Kurşun (Pb) metallerini sıvı Helyum banyosunda (4.2K) bir mıknatısa yaklaştırdıklarında, bu sıcaklıkta süperiletken hale gelen Sn’nin ve Pb’nin mıknatısı ittiğini deneysel olarak gözlemlediler. “Meissner Etkisi” olarak isimlendirilen bu buluş ile süperiletkenlerin yanlızca “ mükemmel iletken”ler değil aynı zamanda metalik iletkenlerden farklı elektriksel ve manyetik özelliklere sahip malzemeler olduğu kanıtlandı. 1957’de Bardeen, Cooper ve Schrieffer, “Meissner Et Tüm bu gelişmelere rağmen süperiletkenlik ile ilgili ilerlemeler çok yavaş seyretmiştir. 1973 yılına değin süperiletkenliğin meydana çıktığı kritik sıcaklık yanlızca 20 derece kadar yükseltilebildi. 1973’de Niobiyum (Nb) ve TitanSüperiletken beygir olarak adlandırılan NbTi ( Nibidyum elementlerinden elde edilen bir alaşıma 23 K’ de süpe yumTitanyum) bileşiği süperiletkenler pazarında en fazla riletkenlik özelliği kazandırılabilmiştir. Süperiletkenlerle alıcı bulan bir süperiletkendir. En yaygın kullanım alanlailgili en önemli buluşlardan biri de 1986’da IBM Zürih rından biri yıllık pazar payı bir milyar dolar olan Manyetik Araştırma Merkezi’nde araştırmalarını sürdüren Bednorz ve Rezonans Görüntüleme(MRI) cihazlarıdır. SüperiletkenleMueller tarafından yapıldı. rin kullanım alanları başka bir yazı konusu olarak ele alınaBu çalışmada ilk kez LantanStronsiyum ve Bakır Okcaktır. sitten oluşan seramik bir bileşikten 39 K’de superiletken elde edildi. Bu buluşun çok önemli iki yönünden biri seraKaynaklar: 1.Superconductors.org, http://www.superconductors.org/. mik yapılı bir malzemenin süperiletken hale getirilmesi, di2.Nobel Prize in Physics, http://nobelpriğeri de sıvı Helyum sıcaklığına kıyasla yüksek bir sıcaklıkta ze.org/nobelprizes/physics/laureates/ . süperiletkenliğin sağlanabilmiş olmasıdır. Bednorz ve Mu3.Durham University Superconductivity Groeller daha sonra, halen en çok kullanılan ticari süperiletup,http://www.dur.ac.uk/superconductivity.durham/ kenlerden olan YBa2Cu3O7 bileşiğini yaklaşık 92 K’de ( sıvı azotun kaynama noktası olan 77 K’den yüksek bir sıcaklıkta) süperiletken hale getirdiler. Bugün, bu tür süperiletkenler TipII süperiletken olarak sınıflandırılmakta, Tip I’den farklı olarak süperiletkenlik sıcaklığında manyetik özelliklerini yitirmemektedir (Şekil 2). Ortam sı Şekil 3. Normal basınç altında ya da yüksek basınç altında düşük (sıvı Helyum) ve yüksek sıcaklıkta ( sıvı Azot) süpericaklığını ve letken özellik kazandırılabilen elementler Periyodik Çizelge’de işaretlenmiş olarak görülmektedir. basıncı değiş tirerek süperiletken bileşikleri hazırlanabilen elementler Şekil 3’te verilen Periyodik Çizelge’de işaretlenmiş olarak görülmektedir. Süperiletkenliğe sahip malzemelerin keşfedilmesi o kadar büyük bir çığır açmıştır ki, manyetik levitasyonla çok yüksek hızda ulaşımdan soğuk füzyonla enerji üretimine, bilgisayar donanımlarından tıbbi cihazlara kadar pek çok alanda çok önemli uygulamalarda TipI ve TipII süperiletkenler kullanılmaya başlanmıştır. Örneğin süperiletken malzemeden yapılmış halka şeklinde bir elektrik kablosu kritik sıcaklığın altına kadar soğutulduğunda, hiçbir güç kaynağına gereksinim olmadan sürekli olarak elektrik akımı üretilebilmektedir.