Süper İletken ve İletkenlik

Süper iletken
1986'da George Bednorz, kayıp olmaksızın enerjiyi transfer edebilen bir madde geliştirdi. Böylece süper iletken kavramı hayatımıza girmiş oldu. Süper iletkenler, bilgi çağı açısından çok önemli bir gelişmedir. Sıradan bir bakır telden iletildiğinde enerjinin yaklaşık % 40'ı kaybolmaktadır. İşte bu yüzden süper iletkenler insanlığın enerjiyi doğru ve verimli kullanabilmesi açısından çok önemlidir. Süper iletken bir fen konusudur. Elektrikte, direnç üstü bir kavramdır.

1. Süperiletkenliğin Tanımı
Süperiletkenlik, belirli maddelerin doğru akımı hiçbir direnç ve kayıpsız iletmek için aşırı düşük sıcaklıklara soğutulduklarında, bu maddelerin gösterdikleri özellikleridir. Başka bir deyişle sıcaklığın belirli bir değerin altına düşürüldüğü zaman doğru akım ile elektriksel dirençleri sıfır olan malzemelere süperiletken denir.
Yüzlerce malzemenin çok düşük sıcaklıklarda süperiletkene dönüştüğü bilinmektedir. Hepsi metal olan 27 kimyasal element, atmosfer basıncında, kendi kristalgrafik formlarında süperiletkenlerdir. Bunlar arasında yaygın olarak bilinenler Alüminyum, Kalay, Kurşun, Civa, Renyum, Lantan ve Proktantinyum yer alır. Bunlara ilave olarak metal, yarıiletken olan 11 kimyasal element düşük ısı ve yüksek basınç altında süperiletkendir. Uranyum, Seryum, Silikon ve Selenyumu bunlar arasında sayabiliriz. Bizmut kendi kristal-grafik formunda süperiletken olmamasına rağmen, çok düşük sıcaklıklarda düzenli duruma geçerek süperiletken süperiletken haline gelebilir. Krom, Manganez, Demir, Kobalt ve Nikel gibi magnetik elementlerin hiçbirinde süperiletkenlik görülmez.
Bilinen süperiletkenlerin birçoğu alaşım veya bileşiktir. Kendisini oluşturan kimyasal elementler süperiletken olmasa bile bir bileşiğin süperiletken olması mümkündür. Örnek olarak gümüş-florid ) ve bir karbon-potasyum bileşiği verilebilir. Kalay-Tellrid gibi bazı yarı iletken bileşikler uygun bir şekilde yabancı atomlarla yüklenirse süperiletken olabilirler.
Süperiletkenliğin iki belirleyici özelliği vardır. Maddenin içindeki elektrik akışı, maddenin yapısını oluşturan iyon örgüleriyle çarpışması sonucu engellenir. Buna maddenin direnci adı verilir. Böyle bir madde süperiletken duruma geldiğinde, bu direnç sıfıra iner. Süperiletken durumda maddenin örgüsü, elektronları engellemek yerine, onların hareketine destek olur. Bunun uygulamadaki anlamı süperiletken bir devrede elektrik akımının ilke olarak kayıpsız akacağıdır.
Süperiletkenlerin sıfır direnç göstermelerinin yanı sıra yakınlarında bulunan herhangi bir manyetik alanı dışlamaları da ayırdedici bir özellikleridir. Örneğin bir mıknatıs kritik sıcaklığın (süperiletkenliğe geçiş sıcaklığı) altında bulunan bir süperiletkeni sanki ters kutuplu bir mıknatısmış gibi iter. Ancak kritik sıcaklığının üstünde aynı süperiletken madde herhangi (mıknatıs olmayan) bir iletken gibi davranır. Yani mıknatısın süperiletken üzerinde bir etkisi gözükmez.
Elektrik iletimiyle ilgili tüm uygulamalar için idealdirler. Bunun yanı sıra süperiletkenler büyük miktarda akımda taşıyabilirler. Küçük süperiletken bobinli mıknatıslar çok fazla enerji tüketmeden güçlü manyetik alanlar yaratabilirler. Bu gibi mıknatıslar, manyetik alan sayesinde havada giden trenlerin yapımını sağlayabilirler, hızlandırıcı tünellerde ve nükleer manyetik rezonans tarayıcılarında parçacık saptırıcısı olarak kullanılabilirler. Ayrıca elektrik üretiminde kullanılan senkron jeneratörlerde kullanımıyla üretimde verimin artmasına, boyutların küçülmesine neden olurlar
Süperiletkenlik sadece kritik sıcaklık, kritik akım ve kritik magnetik alanda mevcut olur.
Bir süperiletken düşük sıcaklıklara soğutulduğunda iki farklı özellik gösterirler; elektrik akımlarına hiçbir dirençleri yoktur, magnetik alanları hariç tutarlar.

Sıfır Rezistans:
Aşağıdaki grafik bir süperiletken için tipik bir özdirenç şeklini gösterir. Yüksek sıcaklıklarda, sıcaklık soğudukça özdirenç yavaş yavaş düşer. Daha sonra aniden, kritik sıcaklık olarak adlandırılan bir sıcaklıkta, bir anda hemen hemen sıfıra düşer. ’nin altında süperiletkendir ve akımlar üzerinden rezistanssız geçer.

Bu nasıl mümkündür?
Süperiletkenliğin mikroskobik bir teorisi basit bir ifadeyle aşağıdaki gibidir. Bir metali, sert yaylar ile tutturulmuş gibi hareket eden pozitif iyonlar kafesi olarak düşünelim. Kafese doğru hareket eden tek elektronlar bir elektrik akımını oluşturur. Normal olarak elektronlar birbirlerini püskürtürler ve kafes tarafından saçılırlar, yani hareketlerine karşı koyarlar.
Bir elektron kafes içerisindeki pozitif iyonlar yakınından geçerken etkilenir ve kafese doğru yavaş yavaş hareket eder. Geçtikten sonra, elektronlar asıl pozisyonlarına hızlıca geri saçılırlar. Bazı maddeler ile, iyonlar düşük sıcaklıklara soğutulduklarında, asıl yerlerine hızlı bir şekilde geri saçılmazlar ve geçici pozitif yüklü bir lokal bölge oluştururlar. Geçip giden ikinci bir elektron bu pozitif bölgeye doğru etkilenir ve ilk elektronu izler. Etkili bir şekilde, iki elektron birlikte hareket eder, ve bir çift olarak iyon kafesi baştan başa geçerler. Bir çift olarak hareket ederken dağılmazlar ve kafesten küçük bir rezistansa karşılaşırlar, yani madde sıfır rezistansa sahiptir.

Kritik Akım:
Eğer bazı magnetik akı çizgileri ( akımın kendi alanından ve ya dış alandan) içeren bir süperiletkenden akım geçirirseniz, akı çizgileri üzerinde onları akımdan doğru açılarla uzağa iten Lorentz kuvveti olacaktır. Eğer akı çizgileri durdurulmazsa, hareketleri ısı üretecek ve enerji kaybolacaktır. Bu durumda süperiletken rezistif olarak davranır. Tüm uygulanabilir süperiletkenler, akı çizgilerini sabitleyen ve hareketlerini durdurmaya yardım eden yapısal eksiklikler içerir. Bu eksiklikler akı çizgilerini, kritik akım olarak adlandırılan kritik bir değere kadar, akımın varlığında sabitleştirir. Çoğu kez, kritik akım yoğunluğu, ( akımının süperiletken kesidine bölümüne eşittir), ve hesaplanan kritik akım yoğunluğu ’yi( akımının süperiletkenin toplam kesit alanına bölümüne eşittir) belirtmek yararlıdır.

Süperiletkenlik!

Çoğu iletkenler beklenen davranışı gösterdikleri halde 1911 yılında Hollandalı fizikçi Kamerlingh Onnes bazı metallerin hiç beklenmedik bir davranış sergilediklerini keşfetti. Bu maddeler kritik sıcaklık denilen ve her madde için farklı bir Tc sıcaklığına kadar normal davrandıkları halde Tc'nin altında özdirençleri birden sıfır olmaktadır. Özdirencin tam sıfır olduğu ilgili durumda o maddenin süperiletken bir konumda olduğu söylenebilir. Bu tür bir maddeden yapılan bir devrede akım başlatıldıktan sonra hiçbir voltaj uygulanmadığı halde akım sonsuza kadar gider.

Bilinen süperiletkenler arasında birçok metal (kalay, alüminyum, kurşun, vb.) olup, bu metallerin kritik sıcaklıkları 10 K'nın altındadır. Diğer metalik bileşikler de (NbTi, PbMoS, vb.) yaklaşık 23 K sıcaklığın altında süperiletken olurlar. Direnci sıfır olan maddelerin teknolojide önemli uygulamaları olacağı açıktır. Mesela sıfır dirençli elektrik kablolarında ısısal kayıplar olmayacaktır. Süperiletken devreleri çok düşük sıcaklıklarda tutmak gerektiği için ilgili uygulamaların tümü çok özel ve pahalıdır.

Bu bağlamda 1986 yılında Bednorz ve Müller adlı fizikçiler kritik sıcaklığı daha yüksek olan süperiletken maddeleri keşfettiklerinde bilim dünyasına büyük ses getirdiler. Yüksek sıcaklık süperiletkenleri adı verilen bu maddeler bakır oksit düzlemlerden oluşan tabaka yapılı kristallerdir ve kritik sıcaklıkları 100 K civarındadır. Sıvı azot 77 K sıcaklıkta kaynadığı ve ucuz olduğundan , bu yeni süperiletkenler kolay ve ucuz bir biçimde süperiletken bir konumda tutulabilirler.

Yakın zamanlarda daha yüksek bir kritik sıcaklıkta süperiletkenler bulunması için çalışmalar yoğun bir biçimde devam etmektedir.
Şimdilik bu süperiletkenlerin uygulamaları ince filmler şeklinde olmuştur. Daha kalın kesitli tel biçiminde uygulamalar ise pratik bir özellik taşımamaktadır. Çünkü bu süperiletkenler çabuk kırılan bileşiklerdir ve küçük akımlarda bile süperiletken durum bozulmaktadır.