Katalog

FİZİK Üstüniletkenlerinin sırrı çözülüyor mu? 199O'lı yılların başında bütün dünyada heyecan yaratan , bol ve ucuz enerji üretiminden, uçan trenlere kadar geniş hayaller kurduran üstüniletkenlik olayı hangi aşamada? Zafer Gedik* çantrenler, hızlı bllglsayarlar,elektronik aygıtlar, insan vücudunun en ince ayrıntılannı gösteren tıp aletleri. 1986 yılında, çok fazla soğutmaya gerek kalmadan üstüniletken hale gelen yeni malzemelerin bulunması, yalnız bilim adamlarını heyecanlandırmakla kalmamış, buluş, dünyanın en önemli yayın organlannda uzun süre yer almıştı. Hatta bu konudaki dev yatınmlan anlatan, heyecanlanndan evlerine gidemeyip uyku tulumlarıyla laboratuvarlarda sabahlayan üniversite öğrencilerinin de yer aldığı belgesel filmler çekilmişti. Yaklaşık sekiz yıl sonra bugün yüksek sıcaklık üstüniletkenliği konusundaki hem deneysel hem de teorik çalışmalann aynı önemi sürdürmesi, Isveç Bilimler Akademisi'nin Georg Bednorz ve Alex Müller'i 1987 Nobel Fizik ödülü'ne layık görmesinin ne kadar yerinde bir karar olduğunu da gösterıyor. Dondurucu soğuğun ıçinden çıkıp gelmelerinden sekiz yıl sonra bu malzemelerin sırn, neden ve nasıl üstüniletken oldukları anlaşılabildi mi? Üstüniletkenlik olayını anlayabilmek için önce iletkenliği, daha doğrusu elektrik akımının iletimini anlamamız gerekmektedir. Elektrik akımı, yüklü parçacıkların hareketinden oluşur. Kuru bir havada saçımızı tararken, saçımızla tarağımız arasında atlayan küçük kıvılcımlar atom ya da moleküllerın hareketleriyle oluşan elektrik akımlarından başka birşey değildirler. Bir elektrik telindeki akım da buna benzer. Metal tel, bırçok atomun (yaklaşık milyon x milyon x milyon x milyon) bir araya getirdiği dev bir atom zinciri olarak düşünülebilir. Pozitif yüklü bir çekirdek ve negatif yüklü elektronlardan oluşan atomlar, bir araya gelince elektronların bir kısmını kolaylıkla salıverme özelliğine sahiptirier. Işte bu hareketli elektronlar elektrik akımının taşınrhasını sağlamaktadırlar. Kimi katılarda ise akım pozitif yüklü deşikler tarafından iletilir. Aslında deşik, elektronlarının toplu hareketinden başka bir şey değildir. Bu olayı anlamak için 63 karesi dolu, bir karesi boş bir dama tahtası düşünelim. Taşlar elektronları, boş kare ise deşigi göstermektedir. Şimdi boş kareye yandaki bir kareden taş kaydıralım. Daha sonra başka bir taşı yeni boş kareye sürelim. Işleme istediğimiz kadar devam edebiliriz. Aynı hareketi böyle taşlann kaydırılması yerine tek bir boşluğun tahta boyunca hareket etmesi şeklinde düşünmek çok daha kolaydır. Işte bu kolaylık nedeniyle kimi malzemelerde elektriğin negatif yüklü elektronlar değil pozitif yüklü deşikler tarafından iletildiğini söyleriz. Elektrik akımı ister elektronlar isterse deşikler tarafından taşınsın daima bir dırenç söz konusudur. Çünkü yükler, katının bir ucundan diğer ucuna kadar gidemezler. Ya başka yüklerle ya da daha önemlisi katının içindeki atomlaria çarpıyani yabancı atomlardır. Eser miktarda da olsa katının içine kanşabilirier. Tüm bu olaylar dirence katkıda bulunurlar. Sıcaklığı düşürerek atom ların titreşimini azaltabiliriz, ama örgü bozukluklan ve safsızlıklardan kurtulmamız mümkün değildir. O halde nasıl oluyor da bazı maddeler sıfır direnç gösterebiliyoriar? Üstüniletkenlik belırli bir sıcaklığın altında elektrik akımına karşı direncin yok olmasına verdiğimiz ad. Aslında direncin sıfırlanmasıyla beraber üstüniletkenliğin bir başka tanıtıcı özelliği de ortaya çıkmaktadır ki o da manyetik alanların perdelenmesidir. ömeğin üstüniletken bir kabın içinde dünyanın manyetik alanının etkisi olmayacağı için ıçeri konulan pusu Direncin sıfırianması U larında yatmaktadır. Elekronlar teker teker hareket edip atomların oluşturduğu örgüdeki bozukluklardan saçılmak yerine çiftler oluştururlar. Çifti oluşturan elekronlardan biri saçılınca diğeri tam aksi yönde saçılarak çiftin merkezınin olaydan hiç etkilenmemiş gibi hareketine devam etmesinı sağlar. Merkezin bu hareketi hiçbir saçılmadan etkilenmeyen ve yükü iki elektron yüküne eşit olan tek bir parçacık etkisi yaratır. Elektronların çiftler oluşturmaları ve çiftlerin diğer çiftlerin hareketlerini bozmadan uyum içinde hareket etmeleri üstüniletkenliğin anahtar noktalandır. Her ne kadar elektron çiftlerinin oluşumu üstüniletkenliğı açıklasa da asıl sorun bu çiftlerin nasıl oluştuğudur. Kritik sıcaklığın fazla olmadığı, eksi 250°C'ın üzerine çıkmadığı maddelerde (alüminyum, kurşun, cıva, çinko gibi) bu işi atomların titreşim hareketi yapmaktadır. Aslında direncin oluşmasına yol açan bu hareketler öyle bir araya gelebilirier ki net etki iki elektronun birbirini çekip çift oluşturmasına yol açabilir. Yüksek sıcaklık ustünıletkenleri için bu mekanizmanın geçersiz olduğu yolunda kesin bir kanıt olmamakla beraber, söz konusu malzemelerin tüm özellıklerini açıklaması zor gözükmektedir. lletkenliğin özelliği şırlar. Kuvantum mekaniğine göre eğer atomlar kusursuz, düzenli bir örgü oluştururlarsa (dama tahtasının karelerinde olduğu gibi) elekronlar hiçbır dirençle karşılaşmayacaklardır. Fakat her zaman kusursuzluğu bozacak etkiler vardır. örneğın atomların titreşıminden başka bir şey olmayan sıcaklık. Titreşen atomlar kusursuz örgüyü bozdukları için direnç yaratırlar. Daha da kötüsü örgünün kendisinde de bozukluklar olabilir. Ortasından kesilip sonra çarpık yapıştırılan dama tahtasında olduğu gibi. Hatta fizik kurallarına göre her katının içinde böyle şekil bozukluklarının olması gerekmektedir. Bir diğer kusursuzluğu bozucu ve dolayısıyla direnç yaratıcı etken de safszlıklar, r ,. , uıııuıınen keyfi bir yonu gosterecek, serbestçe donecektir. Bugüne kadar bulunan üstüniletken malzemelerin hepsi için geçerii olan gerçek, üstüniletken özellik göstermeleri için çok düşük sıcaklıklara kadar soğutulmalannın gerekmesıdir. Yüksek sıcaklık üstüniletkerfleri dediğimiz seramikler için bile bu sıcaklık sıfırın altında 150°C civarındadır. Soğutuldukça azalan elektrik direnci işte yaklaşık bu sıcaklıklarda, kritik sıcaklık denilen değerin altına iner inmez, yok olup sıfıra düşmektedir. öyleyse yukanda elektrik akımının iletimi hakkında söylediklerimizde yanlış olan nedir? Direnç nasıl yok olmaktadır? Sorunun cevabı, elektronların (ya da deşiklerin) çok özel bir şekilde hareket etmeye başlama Geçen yıl boyunca çok tartışılan ve bugün de tam çözülemeyen problem, seramik üstüniletkenlerin akım taşıyıcıları olan deşik çiftlennin dalga özelliklerıyle ilgilidır. Kuvantum mekaniğine göre madde hem dalga hem de tanecik özellikleri taşır. Eğer deşik çiftleri ıkişer deşikten oluşan yeni birer parçacık gibi davranıyorlarsa, onların da dalga özellikleri olacaktır. Tartışılan konu bu dalgaların simetri özellikleridir. Bir an için su yüzeyindeki dalgaları düşünelim. Parmağımızı yüzeye dokundurup kaldınrsak dokunma noktası merkez olmak üzere iç içe halkalar şeklinde dalgaların yayıldığını görürüz. Bunlar sdalgalarıdır. Ozellikleri dairesel simetriye sahip olmalarıdır. Simetriye göre yapılan bu sınıflanmada bir diğer olası dalga çeşidi p dalgalarıdır. Su kabını hafifçe sallarsak yüzeyin düzlemsel şeklini bozmadan salınmasını sağlayabiliriz. Yandan baktığımızda, kabın bir kenarında su yükselirken öteki kenannda alçalır. Tam ortasında ise hiçbir değişiklik olmaz. Yukarıdan bakıldığında tam ortadan geçen bir çızgı boyunca aşağı ya da yukarı bir hareket olmadığını görürüz. ddalgalarını yaratmak bıraz daha zordur. Çünkü bu kez hiçbir hareketın olmadığı çizgilerden birbirine dik iki tane yaratmak gerekmektedir. Tüm bunlann önemi nedir? Elektron çiftlerinin dalga simetrisi bilinirse kimi modelleri elemek mümkündür. ömeğin bir tür manyetik etkileşim mekanizması ddalgası şeklinde davranmayı gerektirmektedir. Uzun zamandır süregelen tar Çözülemeyen problem 4086