Popüler Bilim Tüm Yazılar

Süperiletken Fiziği

Herhangi bir devre hayal edin. Aslında bunu hayal etmek sizin için hiç zor olmamalı. Çünkü telefonunuz, klimanız, bilgisayarınız, buzdolabınız, tutkuyla aşık olduğunuz televizyonunuz devrelerden oluşuyor. Kablosunu prize takıyorsunuz ve devrelerden elektrik akımını geçirerek cihazınızı çalıştırıyorsunuz. Hatta bazen o kadar çok çalıştırıyorsunuz ki, faturanız gelince sanki dünya başınıza yıkılmış gibi oluyor.

elektronik_devre

İşte biz bu yazıda hayatımızı şekillendiren o yüce elektriği über iyi ileten süperiletkenleri inceleyeceğiz. Neden çok iyi iletiyor, nerelerde kullanılıyor, tamam da nasıl bulundu gibi temel sorularla bu yazıda sıkı fıkı olacağız. Kemerlerinizi bağlayın çünkü süperiletken fiziğinin 103 yıllık bir geçmişi var.

Macera başladı ve devrim!

Kendinizi düşünün. Elleriniz, gözleriniz, ayaklarınız, iç organlarınızla siz bir bütünsünüz. Aynen atomlar da böyledir. Protonları, nötronları ve elektronlarıyla onlar da bir bütün. Elbette bu parçacıkları da oluşturan yapı taşları var. Mesela elektronlar leptonlardan oluşur. Doğanın bize bahşettiği bu bilinç ile bizler hem mikro boyutları hem de makro boyutları araştırabilecek kadar zekiyiz.

Aslında bütün hikaye 20’inci yüzyılda “mutlak sıfır savaşı” yapan zekilerle başlıyor. O zamanlar elementleri daha düşük sıcaklıklara ulaştırmak için birbiriyle yarışan fizikçiler mevcut. Ulaşılabilecek en düşük sıcaklığın 0 Kelvin (-273 C) olduğu kuramsal olarak gösterilmişti. Neden daha da soğuğunu elde edemiyoruz derseniz bunun sebebi atomların artık o sıcaklıkta resmen donması.1 (Bu arada 21’inci yüzyıl dünyasında artık mutlak sıfıra neredeyse ulaştık!) Süperiletken keşfi de bu yarışın içinde olan bir beyefendiden geliyor ve kendisine 1913 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırıyor.

Keşif 1911 Nisan’ında. Hollandalı fizikçi Heike Onnes ve ekibi cıvalı termometler için cıva dirençler üretiyordu. Aynı zamanda maddeleri daha da soğutma yarışı içine girdiklerinden Helyumu -268 C’ye kadar soğutarak sıvılaştırmayı başarıyorlar. (Mutlak sıfır -273 dereceye hiç bu kadar yaklaşılamamıştı!) Bizim meraklı fizikçi ürettiği cıva teli alıp zamanının en soğuk sıvısına batırıyor ve ne olacağını merak ediyor. Ne mi oluyor? Devrim!

sivi-helyum

Devrime geçmek için önce kısa bir bilgi vermeliyim. Basitçe düşünelim. İlkokulda yaptığınız bir deney aklınıza gelsin. İki adet kablo, bir adet ışık kaynağı ve pil! Bunları doğru şekilde birbirine bağlıyoruz ve ışığı yakıyoruz. Bir devrede güç kaynağınızdan aldığınız elektriği kayıpsız bir şekilde devrenizde gezdiremezsiniz. SALLIYORUM; piliniz 5 Volt Duracell bile olsa devredeki dirençten dolayı aletinizde 2,5 volt elektrik dolanır. Devredeki gerilim, akım ve direncin çarpımına eşittir. Öyle ki kullandığınız kablonun bile direnci vardır ve pilinizdeki elektriği taşırken kayıp yaratır.

Her şeyin atomlardan oluştuğunu ve atomların içinde de elektronlar olduğunu söylemiştik. İşte elektrik akımı atomların son yörüngesinde dolanan bu elektronlar sayesinde oluşur. Kablo da atomlardan oluştuğundan, kabloda ilerleyen elektronlar mutlaka kablonun atomlarına çarparlar. Aslında direnç dediğimiz şey de yolda kaza yapan zavallı elektronlardır. Direncin bir neticesi olarak devreniz ısınır. Hemen hemen herkesin dizüstü bilgisayarı bacağını ısıtmıştır. İşte bunun yegâne sebebi elektrik canavarı elektronlardır!

dizustu-bilgisayar

Hangimiz lap-top ile bacağımızı yakmadık ki? (-Ben)

Bay Onnes bu cıva teli aşırı soğuk sıvı Helyuma daldırıp bir deney yaptığında gözlerine inanamamıştı! Cıva telde elektrik hiç kayba uğramadan ilerliyordu! Yani direnç birden sıfıra inmişti! İşte bu öyle bir devrimdi ki, sıfır kayıpla elektriği ABD’den Türkiye’ye gönderebilirdiniz. Tasarruf üzerine tasarrufun kapılarını aralamaktı bu! Ayrıca bugün bir çok cihazı ısınma sorunu nedeniyle kısıtlı olarak kullanıyoruz. Böyle bir teknoloji demek cihazlarımızı kat be kat daha güçlü tam kapasite yapmak da demek. Daha hassas cihazlar üretebilirdiniz, bilgisayarınız bacağınızı ısıtmaz, faturanız cebinizi yakmaz (bundan o kadar emin değilim), sonsuza kadar daha uzun ömürlü pilleriniz olabilirdi! Umarım Bay Onnes’in keşiften sonra uyku düzeni bozulmamıştır.

İşte bu keşfin ardından büyük bir heyecan başladı. Artık bu iş için çalışacak fizikçiler gerekti. Hele de Nobel Fizik Ödülü’nün ardından bu alana sıçrayan çok fazla fizikçi olduğunu biliyoruz.

Peki ama nasıl birden direnç yok oluyordu? Aslında pek fazla fizikçi böyle bir durumu hayal etmemişti. Sıfır dirence ulaşabilme ümidi olan fizikçiler elbette vardı ama onlar kademeli olarak bir azalma olacağını düşünüyorlardı. Grafikte gördüğünüz gibi ani bir değişim şok etkisi yarattı. Bu deneyin ardından artık kuramsal fizikçiler iş başına geçti. Neden böyle olduğunu matematiksel olarak modellemeleri ve konuyu aydınlatmaları gerekiyordu ve aydınlattılar da!

Diyamanyetik Keşif ve Yeni Bir Tanım

Maceranın büyük atılımlarından birisi de süperiletken malzemelerin manyetik alandan tiksinmesinin keşfiydi. Keşifçilerimiz W. Meissner ve R. Ochsenfeld, 1933 yılında tuhaf bir biçimde süperiletken maddelerin manyetik alanı dışladığını keşfettiler. Bu keşif süperiletkenimizin yüzeyindeki elektrik alanın manyetik alanı dışlamasının gözlemiydi.

meisner

Bu dışlama olayı Meissner Etkisi olarak bilinir. Gözlemin ardından kuramsal açıklamayı da Fritz ve Heinz London kardeşler yaptı. Manyetik alanla süperiletken maddelerin elektriği iletebilme gücü arasında bağlantılar kurdular ve denklemler geliştirdiler. Bu noktadan sonra süperiletken maddeler artık elektriği iyi iletenden ziyade manyetik alanı iyi dışlayan şeklinde tanımlanmaya başladı. Bu konuyu anlamak için biraz da manyetizma bilmek gerekiyor tabii. Referanslarımdaki bir döküman2 göze hitap ederek gayet güzel bir özet sunuyor, tavsiye ederim.

İzotop Etki ve BCS Kuramı

Önce izotop ne demek onun tanımını yapalım. Proton sayısı aynı olan ancak nötron sayısı farklı olan atomlara izotop atom diyoruz. Yani izotop atomlarımızın nötron sayısı farklı olduğu için kütleleri de farklı oluyor. (Bir nötronun kütlesi hemen hemen protona eşittir ve elektronun kütlesinin 1836 katına denk gelir.) Elbette süperiletkenimizde de bir takım değişiklikler olmasını bekleriz. Ekstra bilgi vermeyi de ihmal etmeyelim. Hidrojenin izotopu olan döteryumu duymuşsunuzdur belki. Güneş’in bizi ısıtmasının en önemli nedeni de hidrojenin döteryum izotopuna dönüşmesidir. Güneş’in tepkimesi bu şekilde başlar. Bu ilk tepkime Güneş’in yaydığı enerjinin yüzde 8’ine denk gelir.

Şimdi 1950’lerdeyiz. Emanuel Maxwell yeni kaşifimiz. Kendisi cıvanın farklı izotoplarını inceliyor ve bu farklı izotopların süperiletken pelerinini giymeleri için farklı sıcaklıklar gerektiğini görüyor. Yani nötronların, pelerinin kritik sıcaklığı üzerine büyük bir görev üstlendiğinin farkına varıyoruz.

1957’de BCS kuramı ortaya çıkıyor. BCS, üç kafadarın soy isimlerinin baş harfinden gelir: John Bardeen, N. Cooper, John Schrieffer. Bu beylerin kuramını açıklığa kavuşturalım.

bcs-teorisi

BCS teorisinin söylediğine göre, süperiletkenimizin yolunda hareket eden elektronlar Cooper çifti oluşturduğunda değişik bir kuantum durumuna imkân verirler.

Şekilde Cooper çifti yaratmış iki elektron görüyorsunuz. Elektron yolda ilerlerken pozitif iyonlar da haliyle ona yaklaşıyor. Yoldaki ilk elektron, yoldaki pozitif iyonları birbirine çekerek yol alıyor. İlk elektronun kendine çektiği pozitif iyonlara Cavidan diyelim. Elektronları bilirsiniz, çok hızlıdırlar. İşte ilk elektronumuz Cavidanları terk ettiğinde, Cavidanları orada tutacak bir kuvvet olmadığından eski yerlerine geri gitmelerini beklersin. Artık anasının yanı mı dersiniz; ilk konum mu dersiniz o size kalmış bir şey. Ancak bu gerçekleşmez! Çünkü ilk elektronun arkasından gelen Cooper çiftini oluşturmuş ikinci elektron vardır. Cavidanlar tam eski yerlerine gidecekken ikinci elektron gelir ve gidemezler.

Elektriğin elektronlar sayesinde oluştuğunu yazının başında söylemiş ve direncin de yolda kaza yapan elektronlar olduğunu vurgulamıştım. İşte süperiletken maddemizde yol alan bu elektronlar Cooper çifti oluşturduğunda daha kolay bir şekilde yol alabiliyor. Sanki atomun belediyesi elektronlar için yol yapmış ve hiç kaza yapmadan gidebiliyorlar. Mesela öndeki elektronun yolu açtığını arkadakinin de onu takip ettiğini düşünebiliriz. Peki bu elektronlar çiftler halinde nasıl hareket ediyorlar, iletişimi nasıl sağlıyorlar? Fononlar sayesinde! Atom örgüsünün yapısını bozarak mekanik titreşim oluştururlar ve elektronların kaza yapmadan atomdan atoma geçmesini sağlayabilirler. Elektronlar arasında da bir bağ kurarak onların eş evreli hareketini sağlayacak kadar yetenekli sanal parçacıklardır.

BCS teorisi, elektriğin direnmeden yol almasını açıklayabilecek kadar güçlü bir teori olarak görüldüğünden yaratıcıları 1972’de Nobel Fizik Ödülü’nü kaptı!

Josephson Eklemi ve SQUID

Üzgünüm ama sizden ikinci kez, ilkokulda yaptığınız devreyi hayal etmenizi isteyeceğim. Sıradan çinko karbon pillere göre 10 kata kadar daha uzun ömürlü Duracell pilinizi kablolarınız yardımıyla ışık kaynağına bağladınız ve etrafı aydınlattınız. Bunu kablolarınızla yaptınız!

lamba-devresi

Sakın ilkokulda bu deneyi yapmadım demeyin…

1962 yılında Brian Josephson, ilkokulda kurulması zor bir şey hayal etti. Bu sefer iki adet süperiletken levha düşlüyoruz. Arasına da incecik yalıtkan malzeme yerleştiriyoruz. Süperiletkenlerimizin kablo, yalıtkan malzememizin de plastik bir parça olduğunu varsayalım. Düz mantıkla kablolar arasındaki teli kesintiye uğratıp bir plastik koyarsak elektron akışı oluşmaz. Ancak mikro ölçekteki gözlemler gösterdi ki; süperiletkenler arasında dolanan Cooper çifti elektronlar hiçbir bağlantı olmaksızın kuantum tünelleme yoluyla karşıya ulaşabiliyor ve doğru akım oluşturabiliyorlar. Resmen karşıya zıplıyorlar değil mi? Parçacık kafalıysanız tabii ki size öyle gelecektir. Bu öngörü de bir yıl sonra deneysel olarak kanıtlanıyor. Bu arada kuantum tünelleme hakkında bilgisi olmayanlar için şurada güzel, sade bir yazımız var.

Şimdi SQUID’e gelelim. Böyle bir deniz canlısı da varmış. Google’dan arayınca gördüm ve gayet tatlı, çizgi film karakteri gibi bir canlı. Ama onunla yakından uzaktan alakası yok bizim aletin.

SQUID: Superconducting Quantum Interference Device: Kuantum Girişim Cihazı

İsminde pek hayır bulamasanız da bu cihazımız çok önemli. Çok zayıf manyetik alanların ölçümünü yapmaya yarayan, Josephson eklemleriyle donatılmış halkasal süperiletkenler içeren gayet hassas bir cihaz. Tıptan jeolojiye kadar birçok alanda kullanılıyor. Yazının ilerleyen kısımlarında süperiletkenlerin kullanım alanlarını incelerken SQUID diye ayrı bir başlık atarak irdeleyeceğiz bu cihazı.

Birinci Tip ve İkinci Tip Süperiletkenler

Daha yazının başında söylediğimiz üzere ilk süperiletkenimiz 1911 yılında bulunuyordu. Bu süperiletken Helyum soğutularak elde edilmişti. Birinci Tip Süperiletken dediğimiz şey sadece bir metal elementten oluşan maddeler. Ancak İkinci Tip Süperiletkenler iki tane metalden oluşuyorlar. Yani bir alaşım3. Bazı geçiş metalleri de İkinci Tip Süperiletken olabiliyor.

1931 yılında Rus fizikçi Lev Shubnikov bizim İkinci Tip Süperiletkenler kaşifimiz. (Yok, bu adama Nobel vermemişler.) Bildiğiniz gibi Birinci Tip Süperiletkenler, Meissner etkisi sayesinde manyetik alanı dışlıyorlardı. Ancak manyetik alanında bir sınırı var değil mi? Mesela her yaz gittiğimiz bir tatil köyü ve orada da bir ağaç olsun. Bir yıl sonra baya bir kilo almış olsanız ve her zaman sizi taşıyan zavallı ağacın dalına otursanız kırılır. Aynı mantık süperiletkenler için de geçerli. Manyetik alanı dışlıyor ama bir sınırı var. Kritik manyetik alan diyoruz biz bu sınıra. Hurra koca bir manyetik alan uygularsanız süperiletkenlik bozulur.

İkinci Tip Süperiletkenlerde durum biraz karışık. Onlar hem dışlıyor hem dışlamıyor hem ortalığı karıştırıyor. Evet, yazdığım şu tekerlemeyi açıklığa kavuşturalım. İkinci Tip Süperiletken malzememizde iki tane kritik değer vardır. İlkine alt kritik manyetik alan, ikincisine üst kritik manyetik alan deniyor. İkinci Tip Süperiletkenimize alt kritik manyetik alana kadar manyetik alan uygularsak aynen Birinci Tip Süperiletken gibi davranıyor, Meissner etkisi görebiliyoruz. Ancak bu değeri aşarsanız süperiletkeninizin içine bir miktar manyetik alan girer. Hala süperiletken özellik gösterebilir. Eğer üst kritik manyetik alan sınırına ulaşırsanız da süperiletken özellik tahmin ettiğiniz gibi yok olur.

İkinci Tip Süperiletkenlerin alt kritik manyetik alan değeri düşük, üst kritik manyetik alan değeri ise yüksektir. Üst kritik manyetik alan değeri yüksek olduğu için mıknatıs yapımında ve teknolojik uygulamalarda İkinci Tip Süperiletken malzemeler tercih edilir.

Süperiletkenler ve Cehennem Ateşi

Bilim insanları düşük sıcaklık savaşı verip süperiletkenleri keşfettiklerinden beri her şey tam tersine döndü diyebiliriz. Bir süre kritik sıcaklığa (0 Kelvin) ulaşmak için yarıştılar. En sonunda da ulaştılar tabii ki. Sonrasındaysa yüksek sıcaklıkta ve gelecekte belki oda sıcaklığında süperiletken malzemeler üretme çağına girdiler.

süperiletken

Alın size süperiletken ile yapılmış uçan kaykay…

Her elementi veya alaşımı süperiletken pozisyona geçirmek için farklı sıcaklıklar gerekiyor. Kritik sıcaklığa yaklaştıkça yeni süperiletkenler keşfettiler çünkü haliyle bazı elementlerin süperiletken pozisyona geçebilmeleri için daha da soğuk sıcaklıklar gerekiyordu. Süperiletken olabilen elementler incelendikten sonra alaşım oluşturup farklı süperiletken maddeler geliştirilmeye başlandı. İkinci Tip Süperiletkenlerin alaşımlardan oluştuğunu söylemiştik, işte yüksek sıcaklık süperiletkenleri İkinci Tip Süperiletkenlerdir.

1980’li yıllarda en yüksek sıcaklıkta çalışabilen süperiletken pelerinini Nb3Ge giymişti. Kendisinin 23,2 K sıcaklığında bir pelerini vardı ve havasını da herkese atıyordu. 1986 yılındaysa havasını söndürecek bir keşif Zürich IBM Araştırma Labaratovarları’nda çalışan K. Alex Müller ve J. George Bednorz’dan geldi. Bu ikili 35 K’de bir süperiletken yaratmayı başardı.

O zamanlar gerek Nobel’li BCS teorisi, gerek diğer birçok teori yaklaşık 30 K üzerinde süperiletkenler olmasını öngörmüyor ve bunu sınır olarak kabul ediyordu. Fakat lantan, baryum, bakır ve oksijenden oluşan bir seramik üreten tatlı fizikçiler bu öngörülere yapacağını yaptı diyebiliriz. Fizik dünyasında şok yaratan bu gelişme elbette karşılıksız kalmayacaktı. Şüphelendiğiniz üzere bu beyler de keşiflerinin ertesi yılı Nobel Fizik Ödülü’nü evlerine götürdüler.

Bu gelişmenin ardından çılgına dönen süperiletken fizikçileri ne yapacaklarını şaşırmış olmalı. Bölümün sonunda söylemem gerek ama fazla heyecan yaratmadan ağzımdaki baklayı çıkarayım. Bugün yaklaşık 200 K’ye kadar süperiletken malzemeler üretebilme şerefine eriştik!

Yıl 1987 olduğunda Paul Chu isimli bir fizikçimiz de, 92 K’de süperiletken malzeme üretmeyi başarıyor. Bu gelişme de çok büyük bir gelişme sayılıyor. Çünkü bu döneme kadar süperiletken malzemeler sıvı helyum ile soğutuluyorlardı, çok soğuk sıvılar gerekiyordu. Durum böyle olunca bu tür sıvıları üretmek ve saklamak ciddi derecede maliyete sebep olmaktaydı. 92 K’nin üzerine geçmek helyumdan vazgeçilmesini sağladı. Çünkü sıvı azotun kaynama derecesi 77 Kelvin. Azotu üretmek ve saklamak da helyuma nazaran hem daha kolay hem daha ucuz olduğundan artık azot dönemi başladı.

1988 yılında 120 K’de süperiletken keşfedildi. Ardından 125 K ve ardından 134 K’ye kadar ulaşıldı. 134 K’de süperiletken olan cıva, baryum, kalsiyum, bakır ve oksijenden oluşan malzememize basınç uygulanarak bu değeri 166 K’ye kadar çıkarmayı başardılar.

Şimdilerde süperiletken fizikçileri rüyalarında oda sıcaklığında süperiletkenler görüyorlar. Bu herkesin hayali, umarım gerçek olur. Farklı malzemelerle farklı süperiletken maddeler üreten deneysel fizikçiler bir taraftan, onlara yol gösteren kuramsal fizikçiler de başka bir taraftan araştırmalarını sürdürüyor. Oda sıcaklığında çalışan bir süperiletkeni üreten fizikçilere de elbette hemen Nobel Fizik Ödülü verilecek. Sanırım süperiletken fizikçilerinin ne kadar canla başla ve hevesle çalıştığını söylemeye gerek yok. Bir gün oda sıcaklığında süperiletken haberi verme ümidiyle bu yazıyı sonlandırıyorum.

1Maddeleri basitçe sınıflandırmak istersek katı, sıvı ve gaz şeklinde sınıflandırabiliriz. Bildiğiniz gibi katı bir cisim çok serttir. Sıvı cisimlerin içine, mesela suya ayağınızı daldırabilirsiniz. Gaz ise bir hayalet gibidir. Maddeleri daha sert yapmak için soğuturuz. Mesela bir suyu buzluğa koyduğumuzda donmaya başlar. Donma olayı sadece bir hal değiştirmedir. Sıvıdan katıya geçişte atomlar birbirine daha da çok yaklaşırlar. O kadar çok yaklaşırlar ki, artık neredeyse sadece titreşim yaparlar. Oysa sıvı haldeyken hem titreşim hem de öteleme yapabilecek yeteneğe sahiptirler. Gaz halde ise bu özelliklere bir de dönme eklenir. Görüldüğü üzere soğutulma işlemi maddemizin özelliklerini kısıtlayarak yeni doğmuş bir bebeği kundaklamak gibi bir duruma sürüklüyor.
İskoçlu bilimci Lord William Thomson Kelvin 19’uncu yüzyılda termodinamik üzerine yaptığı çalışmalarla tanındı. Her ne kadar Türkiye’de Celsius ölçeğini kullansak da Kelvin ölçeğini kullanan ülkeler de mevcut. Mesela ABD bunlardan birisi. Celsius ölçeğini de 18’inci yüzyıl astronomlarından İsveçli Anders Celsius’a borçluyuz. Sadece 273 birimlik bir fark söz konusu. Mesela şimdi benim termometrem, odamı 35 santigrat derece gösteriyorsa, ABD’li dostum Melissa’nın termometresi 273+35=308 kelvin gösterir.

2http://iys.inonu.edu.tr/webpanel/dosyalar/1022/file/BiyofizikD6.pdf

3Elementler birbiriyle birleşebilir. Bir metal element ile bir ametal element iyonik bağ yaparlar. Ametal element elektron alarak metal element ise elektron vererek soygazlara benzemeye çalışır. Ametal elementler kendi aralarında birleşebilirler ve bu sayede kovalent bağlı bileşikler oluştururlar. Bu bağda elektronlar ortaklaşa kullanılır ve soygazlara benzemeye çalışılır. Alaşım ise metallerin kendi aralarında homojen olarak birleşip oluşturdukları yapıya denilir. Ametal, metal ve soygazları görmek için Google’den “elementlerin periyodik tablosu” şeklinde arama yapabilirsiniz.

Oğulcan Açıkgöz

Referanslar

Zeynep Ünalan, “Süperiletkenlik”, TÜBİTAK Bilim ve Teknik Dergisi, Sayı 524, Temmuz 2011

http://www.acikders.org.tr/file.php/9/LectureNotes/Lecture_23.pdf

http://tr.wikipedia.org/wiki/S%C3%BCperiletken

http://tr.wikipedia.org/wiki/Celsius_(%C3%B6l%C3%A7ek)

http://www.bipm.org/en/CGPM/db/13/3/

http://iys.inonu.edu.tr/webpanel/dosyalar/1022/file/BiyofizikD6.pdf

Hep daha fazla okumak gerekir...