Süperiletkenler, elektriği sıfır dirençle ileten metaller (örn. kurşun) veya oksitlerdir. Ama süper güçlerini sergilemeleri için -265 derece soğukta veya bu civarda tutulmaları gerekir. Son yıllarda kullanım alanlarının artması ile birlikte süperiletkenler ön planda. Bu nedenle konu hakkında bir miktar bilgi sahibi olmak iyi bir fikir olabilir. Yazımıza süperiletkenliğin temeli olarak kabul edilen elektriksel iletim ile başlayalım.
Elektriksel İletim Nedir?
Maddeleri özelliklerine göre sınıflandırdığımız gruplardan bir tanesi elektriksel iletkenliktir. Bu durum, elektronların elektrik alan içinde enerji kazanımıdır. Bakır gibi elektriksel iletkenliği olan metallerde akım malzemenin içinden oldukça kolayca geçer. Bu kadar kolayca geçmesinin nedeni malzeme içerisindeki atomik boyutlarda gizlidir. Elektriksel iletkenlik “yük taşıyan elemanlar” yani elektronlar aracılığıyla gerçekleştirilir. Peki, yük taşıyan iletkenler yükü taşıyacaklarına nasıl karar verir?
Bir kurşun parçasının içine bakarsanız elektronların arasında sıra sıra dizilmiş iyonlar görürsünüz. Elektriği ileten şey, bu gevşek elektronlardır. Onları harekete geçirerek elektrik akımı elde edebilirsiniz. Oda sıcaklığında kurşun iyonları çılgınca titrer. Bunun sonucunda elektronlarla iyonlar arasında sürekli yaşanan çarpışmalar elektrik enerjisini ısıya dönüştürür. Buna da direnç denir.
Süperiletken Nedir?
Normal şartlarda metali soğuttuğumuzda direnç düşer ve bir yerde sabit kalırken süper iletkenlerde direnç ‘0’ oluyor.
Bir süperiletken elektriği mükemmel şekilde iletir. Yani süper iletken bir teldeki elektrik akım milyarlarca yıl boyunca daireler halinde akmaya devam eder. Nobel Ödülü getiren keşiflerden bir tanesi de ‘süper iletkenlik’ti. Katı cıvanın elektrik direnci üzerine çalışan Heike Kamerlingh Onnes, 4,2 Kelvin sıcaklığın (yaklaşık -270 C) altında çalıştığında malzemede bazı farklılıklar gözlemlemişti. Devamında Meissner ve Ochsenfeld, “Meissner etkisi”ni keşfetti. Bu etki, süperiletkenlerin manyetik alanları itmesini ve mıknatısların havaya yükselmesini sağlıyor. 1935 yılında da Fritz ve Heinz London, sıfır direnç ve Meissner etkisinin aynı fenomenden kaynaklandığını göstererek süperiletken teorisini ortaya koydu.
Explainer: what is a superconductor?
Süper iletken malzemeler, manyetik dışarlama gibi alışılmadık özelliklere sahiptir. Süperiletkenlerin ilginç ve potansiyel olarak yararlı bir özelliği, güçlü bir mıknatısın yanına yerleştirildiklerinde ortaya çıkar. Manyetik alan, elektrik akımlarının bir süper iletkenin yüzeyinde kendiliğinden akmasına neden olur. Bu da daha sonra kendi manyetik alanlarının oluşmasını sağlar. Bunun sonucu süperiletkenin, görünmez bir manyetik kuvvet tarafından havada asılı halde, mıknatısın üzerinde dramatik bir şekilde yükselmesidir.
Kaynak: Shutterstock
Süperiletkenler Nasıl Çalışır?
Süper iletkenliğin neden ve nasıl olduğu neredeyse 50 yıldır bir soru işaretiydi. 1957 yılında Illinois Üniversitesi’nde çalışmalarını yürüten üç fizikçi, süper iletkenliğin mikroskobik mekanizmasını açıklamak için kuantum mekaniğini kullandı. Mutlak sıfıra yaklaşan sıcaklıklarda süperiletkenin iyonları zar zor titreşerek kararlı bir kafes oluşturur. Negatif yüklü bir elektron geçerken, pozitif yüklü iyonlar negatif iyonun yoluna doğru çekilir. Kafesteki bu bükülme, daha güçlü bir pozitif yüklü alan yaratarak başka bir elektronu aynı alana çeker.
Dar bir alanda sıkışan iki elektron, negatif yüklerine rağmen bir araya gelmek zorunda kalır ve çiftler halinde gezinmeye başlar. Bu nedenle iletim mekanizmasının taşıyıcı formu değişir. Kuantum mekaniği, elektron çiftlerinin “Bose-Einstein
yoğunlaşması” halinde güçlerini birleştirmesine olanak verir. Bunun sonucunda, yoğunlaşan elektron çiftleri kümesi mükemmel bir uyum içinde, süperiletken boyunca engellerle karşılaşmadan hareket eder.
Süperiletken Malzemeler Neden Önemlidir?
Her gün kullandığımız bilgisayar veya cep telefonu gibi cihazlarımızın perde arkasında bir iletim mekanizması vardır. Elektronlar, dışarıdan uygulanan potansiyel farkla, elektronik parçalar arasında hareket ederken iletim sağlanır. Fakat iletim sırasında oluşan direnç nedeniyle bir miktar enerji, ısı olarak kaybolur. Bu durumda kullandığımız ekipmanların verimliliğinin düşmesine de neden olur. İletim ne kadar dirençsiz sağlanırsa enerjiden o kadar kazanıyoruz. İdeal bir dünyada, elektronik ve güç şebekelerimize bağlı süper iletken malzemelere sahip oluruz. Bu da büyük miktarda enerji tasarrufu sağlar ve devreleri sınırlı alanlara sıkıştırmamıza izin verir.
Süperiletkenlerin Kullanım Alanları Nelerdir?
Süperiletkenler, Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRI) gibi teknolojilerde laboratuvar dışında uygulamalar bulmuşlardır.
Süperiletken mıknatıslar, çarpışan parçacıkların ışınlarını bükerek ve odaklayarak CERN’deki Higgs Bozonunun son tespitini de sağladı.
Bir maglev (Manyetik levitasyon) treninin kullanılmasına olanak sağladı.
Süperiletken malzemelerin daha yaygın kullanımını engelleyen şey, bildiğimiz süperiletkenlerin yalnızca çok düşük sıcaklıklarda çalışmasıdır. Sıcaklığı artırmak, elektronları süper iletken çiftlere bağlayan yapıştırıcıyı yok etme eğilimindedir. Bu da daha sonra bir malzemeyi metalik durumuna geri döndürür. Bu alandaki en büyük zorluklardan biri, birkaç sınırlı durum dışında, bu elektron yapıştırıcısı hakkında henüz çok fazla şey anlamamış olmamızdan kaynaklanıyor. Bilim insanları, süper iletken özelliklerin oda sıcaklığında kullanılabileceği bir malzeme bulmayı hayal etse de şimdilik zor bir görev gibi duruyor. Birçok bilim insanı, gerçekten oda sıcaklığında çalışan süperiletkenlerin mümkün olduğunu düşünüyor. Mesele onu keşfetmekte ve yeni teknolojilerde kullanılabilir hale getirmekte