Mühendislik ve Teknoloji

Süperiletkenler Hakkında Pek Çok Şey

Son yıllarda kullanım alanlarının artması ile birlikte süperiletkenler ön plana çıkmıştır. Süperiletkenlik kısaca; maddenin elektriksel direncinin sıfıra yakın olmasıdır. Bu ise; elektrik akımının kayıpsız/dirençsiz olarak iletilmesi demektir. Maddenin bu durumunu sağlayan maddeler süperiletkenlerdir.

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? Elektronların iletime katkı sağlamasını sağlayan asıl nedeni: Elektronların çekirdeğine oldukça gevşek şekilde bağlanmasıdır. Eğer böyle bir atoma elektrik alan uygulanırsa ya da ısıtılırsa gevşek bağlı elektronlar serbest hale geçerek akıma ve böylelikle iletime katkı sağlar.

Süperiletken Nedir?

Normal şartlarda metali soğuttuğumuzda direnç düşer ve bir yerde sabit kalırken süper iletkenlerde direnç ‘0’ oluyor.

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 gözlemlemiştir. Bu sıcaklıkta civanın elektriğe hiç direnç göstermediğini ortaya koymuştur. Süper iletkenler kritik sıcaklığa soğutulduğunda herhangi bir elektrik direnci göstermeyi bırakırlar ve manyetik alanlarını dışarı atarlar. Bu da onları elektrik iletmek için ideal kılar.

Direnç Kavramı

Normal” sıcaklık olarak düşündüğümüz durumda, tüm malzemelerin bir miktar elektrik direnci vardır. Bu durumu tıpkı dar bir borunun su akışına direnç göstermesi olarak örnekleyebiliriz. Bir malzemenin direncinin olmasını istemeyiz ki malzemeye verdiğimiz enerjide bir kayıp olmasın.

Bir malzemenin süperiletken olduğunu söylemek için iki önemli koşul vardır:

  • Malzemeler kritik bir sıcaklığın altına soğutulduğunda enerji kaybı olmadan (direncin 0 olması) doğru akım (DC) elektriğini iletme özelliği
  • Malzeme kritik sıcaklığına geldiğindemanyetik alana maruz bıraktığımız da manyetik alanı dışarlaması

Bir süperiletken elektriği mükemmel şekilde iletir, yani süper iletken bir teldeki elektrik akımı, milyarlarca yıl boyunca daireler halinde akmaya devam eder, asla bozulmaz veya dağılmaz.

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. 

Süperiletken bir malzeme kritik sıcaklığa ulaşınca malzemenin direncinin sıfır (0) olmasının sebebi yarıiletkenin mekanizmasından oldukça farklıdır. Burada durum, elektronun iletim bandına geçmesi değil, sadece elektronların davranışı değişmesidir.

Bir elektron, katı içerisinde Coulomb kuvvetinin etkisiyle hareket ederken kritik sıcaklığa ulaştığında hareket hızı yavaşlamaya başlar. Bu hareket esnasında elektronun girdiği bölgedeki çevre atomları da Coulomb etkileşmesi nedeniyle elektronu kendi bölgelerine çeker. O esnada elektronun peşi sıra gelen diğer bir elektron birinci elektronun oluşturduğu Coulomb etkisi daha ortadan kalkmadan bölgeye ulaşmıştır. İkinci elektronda kendisinin dışında da öndeki elektronun oluşturduğu Coulomb etkileşmesine girmiş olur ve birlikte harekete eder.

Elektron-elektron negatif olmasına rağmen ortamda artı eksi yüklerin columb etkileşmesin nedeniyle çiftler halinde gezinmeye başlar. Bu nedenle iletim mekanizmasının taşıyıcı formu değişir.  Bu soğuk süperiletkenler tipik olarak, elektronların birbirlerine olağan itme güçlerinin üstesinden gelmelerine ve Cooper çiftleri olarak bilinenleri oluşturmak için birbirine yaklaşmalarına izin vererek çalışır. Bu düşük enerji durumunda, her bir elektronun kimliği daha az kesin hale gelir. Bu, atom kalabalığının içinden kolaylıkla geçmelerini sağlar.

Görünmez Manyetik Alan

Explainer: what is a superconductor?
Süper iletken malzemeler, manyetik dışarlama gibi alışılmadık özelliklere sahiptir.
Kaynak:Shutterstock

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.

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?

  1. Süperiletkenler, Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRI) gibi teknolojilerde laboratuvar dışında uygulamalar bulmuşlardır.
  2. Süperiletken mıknatıslar, çarpışan parçacıkların ışınlarını bükerek ve odaklayarak CERN’deki Higgs Bozonunun son tespitini de sağladı.
  3. 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.

Göz Atmak İsterseniz

Şefika Çokcoşkun

İstanbul Üniversitesi 'Nükleer Fizik' anabilim dalında yüksek lisans mezuniyetim sonrası yazarlık serüvenim başladı. Bilimin hayatın parçalarından biri olduğunu aktarmak her bilim insanı gibi benim de görevim... Okumak, dinlemek, merak etmek, araştırmak hep bir adım daha atmamı sağlıyor. Paylaştıkça çoğalacağımız günler yakındır...

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.