Süper iletkenlik nedir? Süper iletkenlerin özellikleri nelerdir, ne işe yararlar? Süper akışkan nedir, Bose Einstein yoğuşmaları hakkında bilgi.
Süper İletkenlik
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.
Cıva mutlak sıfırın birkaç derece üstüne kadar soğutulduğunda elektriği hiç direnç göstermeden iletir. Bunu Hollandalı fizikçi Heike Onnes 4,2 K (mutlak sıfırın bir buçuk kelvin üzeri) 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 nitrit 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. Laboratuvarda bu şekilde kapalı bir devrede akımın yıllardır akması sağlanmıştır. Biliminsanlarına göre bu akış hiç enerji kaybına uğramadan milyarlarca yıl da sürebilir. Biliminsanları devridaime (sonsuz hareket) çok yaklaşmıştır.
süper akışkan
Süper akışkanlar
Süper akışkanlar viskozitesi olmayan, yani akarken hiç sürtünme oluşturmayan akışkanlardır. Bu yüzden örneğin bir borunun içinden sürtünmeye yol açmadan sonsuza dek akabilirler. Süper akışkanlık 1930’lu yıllardan beri biliniyor. Bu tür akışkanlara bir örnek, süper-soğutulmuş helyum-4’tür (iki proton, iki nötron ve iki elektrondan oluşur ve atom ağırlığı 4’tür). Helyum-4 atomları fermiyon çiftlerinden oluşan bozonlardır.
Süper akışkanlar bir kaba konduklarında çok garip davranır – kabın kenarından yukarı doğru bir atom kalınlığında birtabaka halinde akabilirler. Eğer içine kılcal bir boru konur ve ısıtılırsa, bir fıskiye yapılabilir, çünkü süper akışkanlar sıcaklık gradyanı tutamazlar (sonsuz ısı iletkenlikleri olduğundan iki noktası arasında sıcaklık farkı oluşturulamaz) ve ısı, anında basınç değişimine neden olur. Eğer bir kova süper akışkanı kendi çevresinde döndürmeye çalışırsanız yine garip bir şey olur. Viskozitesi olmadığı için akışkan dönmez ve öylece durur. Kovayı daha hızlı çevirirseniz, bir eşik hızda süper akışkan da dönmeye başlar. Hızı kuantizedir (kesikli), çünkü süper akışkanlar yalnızca belli hızlarda dönerler.
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, elektronların birbirlerine çiftler halinde bağlandığı zaman gösterdikleri garip davranışlardır.
Elektron denizi
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.
Tek bir elektron Pauli dışlama ilkesine uymak zorundadır; tüm fermiyonlar gibi elektron da bir başka elektronla aynı kuantum konumunda bulunamaz. Birden fazla elektron eğer aynı bölgedeyse, birbirlerinden farklı enerjileri olması gerekir. Bir atomda veya metalde normalde olan da budur. Ama elektronlar eşleşerek çiftler oluşturup tek bir parçacık gibi hareket ettiklerinde, artık böyle davranmazlar. Toplam dalga fonksiyonları simetrikleşmiştir ve birlikte artık fermiyon değil, bozondurlar. Ve elektron çiftleri bozon olarak aynı en düşük enerjiyi paylaşabilir. Bunun sonucunda metaldeki serbest elektronlara göre çiftler halindeki elektronların toplam enerjileri biraz daha düşük olur. Eşik sıcaklığındayken özelliklerdeki ani geçişi yaratan şey bu enerji farkıdır.
Kafesin ısı enerjisi bu enerji düşüşünden daha azsa, süper iletkenliğin ayırt edici özelliği olan kafes titreşimleriyle eşleşmiş elektron çiftlerinin düzenli akışını görürüz. Kafes dalgaları, kafes boyunca giden uzun mesafelerde harekete yol açabildiği için hiç direnç olmaz – tüm elektron çiftleri birbirlerine göre ilerlemektedir. Sabit kafes atomlarıyla çarpışmak zorunda kalmayan elektron çiftleri, hiçbir engelle karşılaşmadan akan süper akışkanlar gibi davranır. Daha yüksek sıcaklıklarda Cooper çiftleri kopup ayrılır ve bozon benzeri özelliklerini yitirirler. Elektronlar artık sıcak ve titreşen kafes iyonlarıyla çarpışabilir ve elektriksel direnç yaratabilir. Elektronlar eşgüdümlü bozon akışından aksayan fermiyon akışına geçtiğinde (veya tersi olduğunda) bu hızlı dönüşüm hal değişimine neden olur.
Bose-Einstein yoğuşmaları
Bose-Einstein yoğuşmaları
Ultra düşük sıcaklıklarda bozon grupları çok tuhaf davranışlar sergiler. Mutlak sıfıra çok yakın bir sıcaklıkta birçok bozon aynı kuantum durumunda bulunabilir ve böylece kuantum davranışları daha büyük bir ölçekte izlenir hale gelir. İlk kez Hintli fizikçi Satyendra Nath Bose’un fikirlerine dayanarak Albert Einstein tarafından 1925’te öngörülmüşlerdir. Bu nedenle Bose-Einstein yoğuşmaları (BEC) olarak adlandırılırlar. 1995’e kadar laboratuvar ortamında yaratılamamışlardır. Colorado Üniversitesi’nden Eric Cornell ile Carl Wieman ve kısa bir süre sonra da MIT’den Wolfgang Ketterle bir kelvinin milyarda 170’i kadar soğuttukları rubidyum gazı atomlarında bu davranışı gözlemlemiştir.
BEC halinde kümelenmiş atomların hepsinin hızı aynıdır; yalnızca Heisenberg belirsizlik ilkesiyle bulanıklaşmıştır. BEC’Ier süper akışkanlar gibi davranır. Bozonlar birbirleriyle aynı kuantum durumunu paylaşabilir. Einstein, çok düşük bir sıcaklığa soğutulan bozonların en düşük enerjili kuantum durumuna düşeceği (yoğuşacağı) ve yeni bir madde halinin ortaya çıkacağı yorumunu yapmıştı. BEC yapısı çok kolay bozulduğundan pratik uygulamalar için henüz erken olsa da kuantum mekaniğiyle ilgili olarak onlardan pek çok şey öğrenebiliriz.
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 alanlarından biri.
Süper iletkenler ne işe yarar?
Hastanelerdeki MR cihazlarında ve parçacık hızlandırıcıda kullanılan güçlü mıknatısların yapımında kullanılırlar. Bir gün daha verimli transformatörlerin ve havada ilerleyen manyetik trenlerin yapımında kullanılabilirler. Halihazırda ultra düşük sıcaklıklarda çalıştıkları için kullanım alanları sınırlı ama yüksek sıcaklık süper iletkenlerine yönelik araştırmaların çok çarpıcı sonuçları olabilir.
