Katalog

FtZİK Ustüniletkenlik: Dünya bir devrimin eşiğinde Katıların düşük sıcaklıklardaki en ilginç özelliklerinden blri de birçok metal ve alaşımın elektriksel direncinin tamamen yok olmasıdır. Bu direncin yok olması ya da iletkenliğin sonsuz olması durumuna ustüniletkenlik denir. Fizik laboratuvarlarında, oda sıcaklığında ustüniletkenlik elde edebilmek için korkunç yarış sürüyor. Bazı bilim adamları yataklarını bile laboratuvarlara taşıdılar. Dr.Gülen Aktaş Boğaziçi Ünlversltesl Fizlk bölümü öğretlm üyesl. tunıletkenın yalnızca kusursuz bır iletken olrrakla kalmayıp aynı zamanda kusursuz bır dıamıknatıs olduğunu da gostermektedır Ustunıletkenın ıçınde man yetık alanın yok olmasına, ustunıletkenın yuzeyınde oluşan akımlar neden olur Bu akımların oluşturduğu manyetık alan dış kaynakların oluşturduğu manyetık alanların etkısını yok eder Ustüniletkenlik mekanızması, ustunıletkenlığın ılk kez gozlemlenmesınden 50 yıl sonra uç Amerıkalı fızıkçı Bardee Cooper Schrıffer tarafından gelıştırılen ve BCS kuramı dıye bılınen bır kuram tarafından açıklanagelmıştır (Bu uç fızıkçı 1972 yılında ustüniletkenlik kuramları ıle Nobel Odulu'nu almışlardır) Bu kuramın temel noktası elektronların çıftler oluşturmasıdır Bu cıftlere 'Coo per çıftlerı' denır Bır metal ıçındekı elektronlar orgusu sanıldığı gıbı serbest elektronlar olınayıp krıstal orgusu vasıtasıyla bırbırlerı ıle etkıleşırler Elektronun ustundekı eksı yuk artı yuklu lyon lar uzerınde cekıcı bır etkı oluşturur Bunun sonucu olarak elektronün yakınındakı lyonlar elektrona doğru meylederler Artık yukun bu hafıf meylı de dığer elektronları ceker Bu çekıcı kuvvetın etkısı oda sıcaklığında çok kuçuk olmasına karşın, çok dusuk sıcaklıklarda ıkı elektronu bır çıft halınde bırbırıne bağlayacak ^ adar buyuktur Bır Cooper çıftı, zıt momentuma sahıp ıkı elektrondan oluşur Bu da, elektronlar zıt yonde hareket edıyorlar demektır Klasık olarak duşunulduğunde bırbırlerınden uzakla şan bu ıkı elektronün bırbırlerıne bağlı bır çıft oluşturmaları duşunulemez Ancak modern fızığın temelı olan kuvantum mekanığı, böylesıne zıt yonde gıden elektronların bırbırlerıyle etkıleşmelerıne ızın verır Akım taşıyan bır ustunıletken telde Cooper çıftlerının akıma ters yonde net bır momentumları vardır ve elektrık yukunu bu yonde taşırlar Elektron çıftlerı krıstal ıçınde hıçbır dırençle karşılaşmadan hareket ederler Kurama gore, Cooper çıftının bır elektronu, krıstal tarafından saçılıp momentumu değıştığınde dığer elektron da saçılacak ve momentumu aynı mıktarda ama zıt yonde değışecektır Sonuç olarak krıstal bır Cooper çıftını bır butun olarak ne yavaşlatabılecek ne de hızlandırabılecektır Ustunıletkenlerın mıknatıs ozellıklerı, bunların kuçuk ve guçlu elektromıknatıslar olarak kullanılabılmelerı konusunda daha başlangıçta bılım adamlarını umutlandırmıştı Ancak o zamanlar bılınen cıva, kurşun ve kalay gıbı superıletken metaller uzerınde yapılan deneylerde gozlenen bır durum bu umutları boşa çıkardı Ustunıletkenden, buyuk manyetık alanlara ulaşılacak kadar akım geçırıldığınde metal, ustunıletken olma ozellığını yıtırıyordu Araştırmaların temeli 1950'lerde bılım adamları, yuksek manyetık alanlarda ustunıletken olma ozellığını yıtırmeyen nıyobyum kalay nıyobyum tıtanyum gıbı alaşımlar buldular Böylece ustunıletkenlerın pratık uygulamaları buyuk manyetık aianlar yaratacak elektromıknatıslar olarak kullanıl maları uzerınde yoğunlaştı Bakır sargıları ve demır nuvelerı ıle konvansıyonal elektromıknatıslar verımı cok duşuk cıhazlardır Sargılardan geçen akımı sabıt tutabılmek ıçın buyuk bır elektrık guç harcarlar Elektromıknatısın ılk çalıştırılışında depolanan manyetık enerjının dışında butun elektrık enerjısı ısı olarak kaybolur gıder Bu tur mıknatısların 4 ya da daha fazla Tesla'lık (oır Tesla dunyanın manyetık alanının 200000 mıslı kadardır) bır manyetık alan şıddetıne erışebılmesını sağlayacak enerjının mıknatısı erıtmemesı ıçın gereklı su mıktarını ancak bır nehır sağlayabılır Oysa ustunıletken sargılardan yapılan bır mıknatısın ıçın stüniletkenlik konusundakı çalısmaların 1908 yılında Hollandalı fızıkçı Heıke Kammerlıngh Onnes'ın Leıden Unıversıtesı'nde helyum gazını sıvılaştırması ıle başladığı soylenebılır En duşuk sıvılaşr"a sıcaklığına sahıp olan (4 2° K ya da 268 8°C) helyumun sıvılaştırılabılmesı alcak sıcaklıklarda birçok deneyın yapılabılmesıne olanak sağlamıştır Ustüniletkenlik ılk kez yıne Onnes tarafından 1911 yılında saf cıvanın dusuk sıcaklık lardakı elektrık ozellıklerı konusunda yaptığı deneyler sırasında gozlendı 4 5 K de cıvanın dırencı bırdenbıre duşuyor ve bu sıcaklığın altında hep sıfır olarak kalıyordu Işte normal ıletkenlık durumundan ustüniletkenlik durumuna geçışın olduğu bu sıcaklığa kritık sıcaklık denılmektedır Ustunıletken kusursuz bır ıletkendır En hassas deneylerle bıle ustunıletken hale geçmış bır malzemede hıçbır dırenç olçulemerrfiştır Orneğın, deneyıcıler, çember şeklındekı ustunıletken bır malzemeden bır akım geçırıldığınde malzemenın kritık sıcaklığın altında tutulduğu surece bu akımı yıllarca gecırmeye devam ettığını gozlemışlerdır Oy sa normal bır ıletkende bu akım ısıya donuserek belırlı bır surede yok olacaktır Bır değışken manyetık alan tarafından ustunıletkende ınduKİenebılen bu sureklı akımların goze carpıcı bır havaya kaldırma etkısı vardr Kuçuk bır mıknatıs çubuk bır ustunıletkenın uzerıne bırakıldığında mıknatısın manyetık alanı superıletkende sureklı bır akım olusturacak ve bu akırnın yarattığı manyetık alanın mıknatıs uzerınde oluşturacağı kuvvet ıtıcı olacaktır Mıknatıs superıletkene ya kınlastığında bu manyetık kuvvet onun ağırlıgını karşılayacak buyuklukte olacak ve mıknatısı ılelebet havada tutacaktır Ustunıletkenlerın bır başka ozellığı de 1933 yılında ıkı Alman fızıkçı Meıssner ve Ochsenfeld tarafından gozlendı Kurşundan yapılmış bır sılındır, bır manyetık alanın ıcıne konulup sıcaklığı krıtlk sıcaklığın altına duşurulduğunde man yetık alan cızgılerını dışlıyor ve ustunıletken halıne gelen kurşun sılındırın ıçın de man/etık alan sınır oluyordu Meıssner Olayı dıye bılınen bu ozellık, bır us U den geçen akımı koruyabılmek ıçın hıçbır elektrık guce ıhtıyaç yoktur Bır çay fıncanı buyukluğundekı bır ustunıletken mıknatısla 4 Tesla'lık bır manyetık alan şıddetı elde edılebılır Bu tur mıknatıslarla 15 Tesla'lık manyetık alan şıddetıne ulaşılmıştır Bu ustunıletken mıknatısların tek masrafları ıse bunları kritık sıcaklığın altında tutmak ıçın gereklı sıvı helyum soğutma sıstemıdır Ustunıletken araştırmalarının temel hedeflerınden bırı olan ustunılektenlığı daha pratık bır sıcaklıkta, yanı daha yuksek bır sıcaklıkta elde etmek çalışma ları oldukça yavaş ılerlemıştır 1973 yılında sıcaklık, bır nıyobyum ve germanyum alaşımı kullanılarak 23 K'ye (250°C) yukseltılebılmış, bundan sonra da uzun bır sure kayda değer bır gelışme elde edılememıştır 1983 IBM'ın Zurıh'tekı araştırma laboratuvarında çalışan bır fı zıkçı, Karl Alex Muller, ustüniletkenlik araştırmalarını metal alaşımları yerıne seramık dıye bılınen metal oksıtlere (metal ve oksıjen alaşımları) yonelttı Oda sıcaklığında yalıtkan olmalarına rağmen metal oksıtlerın ustunıletken olabıleceklerını kımı kuramcılar onermışlerdı Muller ve arkadaşı Johannes George Bednorz, yuzlerce metal oksıt alaşım denedıkten sonra 1985 aralığından baryum, lantan, bakır ve oksıjenden oluşan bır alaşımın 35 K'de (238°C) ustüniletkenlik gosterdığını gözledıler Muller ve Bednorz un 1986 yılının eylul ayında Zeltschrif fur Physik'te yayımlanan bu araştırması, dığer araştırmacılar tarafından kuşkuyla karşılandı Ancak Japon Yukanda nukleer flzyon ıçln kullanılan Tokamak makınesi