Süperiletkenler Nedir ve Nasıl Çalışır?

1908 yılında Hollandalı fizikçi Heike Onnes helyum gazını sıvılaştırmanın bir yolunu buldu. Helyum mutlak sıfırdan, yani evrende mümkün olan en düşük sıcaklıktan sadece 4 derece yüksek sıcaklıkta sıvılaştığı için bu büyük başarıydı. Helyum -269 derecede sıvılaşıyordu 😮 ama Onnes başka bir şey daha keşfetti. Sıvı helyumu kullanarak bu kez cıvayı -269 dereceye soğutunca cıvanın elektriği hiç ısınıp direnç göstermeden ilettiğini buldu. Buna cıvanın süperiletken hali dedi. Süperiletkenler elektriği direnç göstermeden iletir. Böylece Geleceğe Dönüş 2’deki uçan kaykayları ve havada adeta uçarak saatte 500 km’den hızlı giden “maglev” trenler üretmemizi sağlar. Peki süperiletkenler nasıl çalışıyor?

Süperiletkenler ve elektronlar

Süperiletkenlerde elektrik akımını oluşturan elektronlar atomların arasında hiçbir atoma çarpmadan akar gider. Elektronlar çarpışarak ısınıp enerji kaybetmez ki biz de elektronların serbestçe akmasına izin veren materyallere süperiletken deriz. Peki neden bazı elementler, alaşım ve materyaller sadece çok düşük sıcaklıklarda süperiletken oluyor? Elektronlar atomların arasında neden serbestçe akıyor?

Daha ilginci; neden James Cameron’ın Avatar filmindeki yıldız gemisi ISV Venture Star’ın antimadde motorlarında kullanılan oda sıcaklığında süperiletkenler doğada yok? Yoksa gelecekte oda sıcaklığında süperiletken üretebilir miyiz? Gelecek bir yana, günümüzde saatte 500 km’den hızlı giden maglev trenler ve uçan kaykaylar nasıl çalışıyor? Bu yazıda bütün bu soruları yanıtlayacağız.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Kaykaylar ve süperiletkenler

Heike Onnes 1911’de cıvanın -269 derecede süperiletken olduğunu bulduğundan beri daha yüksek sıcaklıklarda süperiletken olan materyaller geliştiriyoruz. Nitekim sıvı azotun kaynama sıcaklığı olan -192 derecenin üstünde süperiletken olan bütün materyallere yüksek sıcaklıklı süperiletkenler diyoruz. Metalleri süperiletken yapmak içinse -200 derecenin altına soğutmak gerekiyor. Birazdan göreceğimiz istisnaları saymazsak süperiletkenlik genellikle -123 derecenin altında başlıyor.

Öte yandan yüksek sıcaklıklı süperiletken malzemeler iyidir; çünkü helyumu sıvılaştırmak ve sıvı halde tutmak zordur. Süperiletken materyaller laboratuardan çıkıp günlük hayata girecekse süperiletkenlik özelliğini daha yüksek sıcaklıklarda korumalıdır. Nitekim Omnes’ten sonra bu konudaki ilk büyük buluşu 1933’te Walther Meissner ve Robert Ochsenfeld yaptı.

İki bilim insanı aşırı soğutunca süperiletken olan bir metalin üzerine mıknatıs koyduklarında bunun havada yüzdüğünü fark ettiler. Mıknatıs manyetik kaldırma (maglev) etkisiyle havada asılı kalıyordu; çünkü bütün mıknatıslar iki kutupludur. Kutuplarından çıkan görünmez manyetik alan çizgileri resimdeki gibi normalde metalin içine girer ama süperiletken metallerin içine girmezler. Bunlar metalin yüzeyinden esneyerek seken görünmez manyetik yastıklar oluşturur. Böylece mıknatısın suda yüzen şişme lastikli bir hovercraft gibi havada yüzmesini sağlar.

6 yıl önce Geleceğe Dönüş filmlerinin 30. yılı anasına yayınladığım yazıda belirttiğim gibi günümüzdeki uçan kaykaylar da böyle çalışıyor. Kaykayların metalden üretilen alt yüzeyini sıvı helyum vb. ile soğutarak süperiletkene çeviriyorlar. Ardından bunları altına elektromıknatıs döşeli bir kaykay pistinde kaydırıyorlar. Süperiletken kaykay manyetik yastıkların üzerinde yere değmeden kayıyor. Peki süperiletkenler gerçekte nasıl çalışıyor? Kuantum mekaniğiyle görelim:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Voltaj ve akım şiddeti

1957 yılında John Bardeen, Leon Cooper ile John Robert Schrieffer BCS teorisini geliştirdiler ve 1972’de bu başarı karşılığında Nobel fizik ödülünü kazandılar. Üç bilim insanını onurlandırmak için adlarının baş harfleriyle kısalttığımız BCS teorisi süperiletkenliği açıklıyor. Bunun için önce elektrik akımının temellerini görelim. Metaller genellikle elektriği iyi iletir. Bunun nedeni metal atomlarının en dış yörüngesinde birer elektron bulunmasındır. Bu elektronun yörüngesine valans kabuğu da deriz.

Metallerin en dış elektronları (eksi yüklüdür) atom çekirdeğinden uzak olduğu için kendini çekirdeğe çeken artı yüklü protonların uyguladığı elektromanyetik kuvvetten pek etkilenmez. Bu yüzden metallerin elektron denizinde yüzen atomlardan oluştuğunu söyleyebiliriz.

Kısacası dış elektronları az miktarda enerji yükleyerek atomlardan koparmak ve elektrik akımı oluşturmak kolaydır. Neden derseniz dış elektronu kopan atomların net artı yükü oluşur. Bu da elektronları sürekli ileri çeken bir manyetik alan oluşturur.

İyonize atomlar sayesinde atomdan atoma akan elektronlar elektrik akımı yaratır ama atomlar rastgele titreşir. Özellikle de oda sıcaklığında hızla titreşir ve sık sık elektronların yoluna çıkarak onlarla çarpışır. Elektronlar atomlarla çarpışırken enerji kaybeder. Böylece elektrik akımı ısıya dönüşerek ziyan olur. Elektrikli cihazların ısınması ve 40 derecenin üstünde çalışmamasının sebebi budur. Lityum iyon piller de şarj olurken içinden elektrik geçtiği için ısınır. Keza ısınan işlemciler, grafik kartları ve akıllı telefonlar yavaşlar. Hatta grafik kartlarının yanmasının en büyük sebebi budur:

 

Türkiye’de voltaj oynar

Özellikle de İstanbul gibi çok fazla inşaat yapılan şehirlerde yol kazıları şebekeye zarar verir. Dahası elektrik tüketimi elektrik üretimini aşar. Bu da evinizde voltajın düşmesine yol açar. Oysa grafik kartları belirli bir voltajın altında çalışmaz. Bilgisayarınız düşük voltajı telefi etmek için güç kablosundan daha çok elektrik çeker. Bu da grafik kartının aşırı ısınarak yanmasına neden olur. Bunu önlemek için laptopunuza grafik kartının yanmasını önleyen 75 dolarlık bir parça takmanız gerekir. Bu parça ısınan kartı aniden kapatarak korur ama grafik kartı devreleri süperiletken olsaydı hiç ısınmazdı. 😉

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Peki süperiletkenler nasıl oluşuyor?

Buraya dek Heisenberg’in belirsizlik ilkesi nedeniyle atomların rastgele titreşeceğini gördük. Bu da elektronların atomlara çarparak onları ısıtmasına, dolayısıyla enerji kaybına neden olur. En iletken metaller bile ısındıkça elektriğe direnç göstermeye başlar ki hava ve oda sıcaklığının artması da buna dahildir. Peki bir metali aşırı soğutarak nasıl süperiletken yaparız? Bunun için parçacık spinini görelim…

Kuantum fiziğinde parçacıklar ikiye ayrılır: Madde parçacıkları ve enerji parçacıkları (gerçi her parçacık enerji üretir). Madde parçacıklarının spini ½’nin katlarıdır ve bunlara İtalyan fizikçi Enrico Fermi’nin anısına fermiyon deriz. Örneğin elektron spini +/- ½’dir; çünkü elektronlar iki kutuplu bir mıknatıs gibi davranır. Elektron spini elektronun dönme yönünü gösterir ve hareket yönüne göre saat yönü veya saatin ters yönünde olabilir. Elektron yarım spinli olduğundan bir yüzünün başladığı yere geri dönmesi için elektronun kendi çevresinde iki tur atması gerekir (resme bakınız).

Sonuçta spin açısal momentumla ilgilidir ve kuantum spin kesintisiz bir daire çizmek yerine kesikli dönüş yapmak anlamına gelir. Öte yandan enerji parçacıklarının spini her zaman tam sayıdır (0, 1, 2…)  ve bunlara Hintli fizikçi Satyendra Bose’un anısına bozon deriz. Bozonlar fizik kuvvetlerini taşıyan parçacıklardır. Örneğin elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı fotondur ve foton spini +1/-1’dir.

Elektriğe direnç göstermek

Fotonlar hem elektromanyetik dalga hem de ısı ve ışık parçacıklarıdır. Isı dediğimiz şey aslında kızılaltı ışınlardan oluşur ve bunlar da elektromanyetik tayfın uzun dalga boylu, düşük frekanslı bandına karşılık gelir. Kızılaltı ışınları göremez ama ısı olarak algılarız. Bu bağlamda fotonlar, elektronlar ve atom çekirdeklerine çarparak onları ısıtır: Elektronlar fotonları emerek ısınır (enerji kazanır) ve foton yayarak soğur (enerji kaybeder). Bu yüzden atom çekirdeklerine çarpınca onları da ısıtır.

Metallerin elektriğe direnç göstermesinin sebebi budur ama süperiletken metallerde elektronlar atomların arasından hiçbirine çarpmadan geçer. Kısacası süperiletkenler elektrik akımını hiç ısınmadan ve direnç göstermeden içinden geçirip iletir; ancak metalleri süperiletkene çevirmek için -200 dereceye kadar ve daha fazla soğutmamız gerekir. Peki mutlak sıfıra kadar soğutulan metallere ne oluyor da bunlar süperiletken özelliği kazanıyor? Bunun sırrı kuantum spinde yatıyor:

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

 

Süperiletkenler ve fermiyonlar

Fermiyonlar yarım spinli olduğu için Pauli dışarlama ilkesine uyar. Örneğin bir atom yörüngesinde eş spinli iki elektron birden dönemez. İki elektronun aynı yörüngede dönmesi için ters spinli olması gerekir. Mesela birinin spini -½ iken diğerinin spini ½ olacaktır. Nitekim bir sandalyeye oturmaya çalışırken içine hayalet gibi batmamanızın sebebi budur:

1) Elektromanyetik kuvvette eş yükler birbirini iter ki atomların yörüngesindeki elektronlar eksi yüklüdür. Eksi yükler birbirini iter. 2) Eş spinli elektronlar aynı yörüngeyi işgal edemez. Bu nedenle bir atomun ½ spinli elektronları temas ettiği başka bir atomunun eş yörüngelerine giremez ve o yörüngeleri diğer elektronlarla paylaşamaz. Böylece “katı madde” ortaya çıkar. Sandalyeye oturmak, yolda yürümek, bir şeyi tutmak, çekmek, itmek vb. hep böyle mümkün olur. Şimdi atomların arasından akarak elektrik akımı oluşturan elektronları görelim:

Elektronlar atomların arasından geçerken atom yörüngesindeki elektronlar eş yüklü parçacıklar olarak bunları iter. Transit geçen elektronlar aynı zamanda çekirdeklerdeki artı yüklü (zıt yüklü) protonları kendine çeker. Böylece atom çekirdekleri serbest geçiş yapan elektronlara az yaklaşır. Bu da yerel artı yük konsantrasyonu yaratıp uzaktaki elektronların bir kısmını da bölgeye çeker. Sonunda artı yüklü protonların çekimi serbest elektronların birbirini itmesine baskın çıkar. Böylelikle toplanan elektronlar içinde iki elektronu çekip bir Cooper Çifti olarak bir araya getirir.

İlgili yazı: 18 Ayda Nasıl 24 Kilo Verdim?

 

Süperiletkenlik ve Cooper çiftleri

Cooper çiftleri atomların arasından birlikte akan elektronlardan oluşur. Kısacası elektrik atomların arasından (bakır telden vb.) Cooper çiftleri halinde akar. Oysa bunlar zamanla atomlarla çarpışarak enerji kaybeder, kopar ve bozulur. Böylece metal ısınır ve elektrik direnci artar. Buna karşın metalin sıcaklığı -200 derecenin altına düşerse elektrik akımını oluşturan serbest elektronlar bile en düşük enerji düzeyine geçer. Elektronların rastgele titreşimi zayıflar ve birbirlerini iterek Cooper çiftlerini bozma şansı azalır. Cooper çiftlerinin atomlarla çarpışıp bozulma olasılığı da azalır.

Sonuç olarak soğuyan elektronlar en düşük enerji düzeyine geçer. Cooper çiftlerindeki elektronların yarım spini birbirini tamamlar ve tam sayı spine dönüşür (spin +1/-1). Öyle ki iki elektron tek bir birleşik bozon gibi davranmaya başlar. Bozonlar dışarlama ilkesine uymadığından Cooper çiftlerindeki elektronlar en düşük enerji düzeyini rahatlıkla işgal ederek atomlar arasında bozulmadan akmaya devam eder. Böylece metali oluşturan atomlar elektronları hızlandıran bir manyetik tünele, atomik parçacık hızlandırıcısına dönüşür. Metal elektriği direnç göstermeden ileten bir süperiletken olur.

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

En sıcak süperiletkenler

İşte metallerin sadece aşırı soğutulduğu zaman süperiletken olmasının sebebi budur. Elbette oda sıcaklığında süperiletken olan alaşımlar bulmak için çalışmalar devam ediyor ama şimdiye dek başarılı olamadık. Gerçi 2020’de bilim insanları 15 derece sıcaklıkta süperiletken olan bir malzeme geliştirdiler. Oysa bu hidrojenli malzeme ancak 2,7 milyon atmosfer gibi müthiş bir basınç altında süperiletken oluyor! 😮

Yine de oda sıcaklığında süperiletkenler bizi soğutma sistemleri gibi pahalı ve ağır unsurlardan kurtaracak. Manyetik yastıklar üzerinde yere sürtünmeden, adeta uçarak giden hiper hızlı maglev trenler geliştirmemizi sağlayacak. Zaten Çin’daki maglev trenler atomaltı Cooper çiftlerinin günlük hayata taşınmış versiyonudur. Süperiletken mıknatıslar trenin altındaki metalin elektronlarını iterek treni havaya kaldırır. Öte yandan raylar ardışık eş ve zıt kutuplu mıknatıslarla kaplıdır. Eş kutuplar treni havaya kaldırırken zıt kutuplar da ileri ve geri çekerek treni iki yönden birinde hareket ettirir.

Peki kendi kendine bardaktan taşan süper sıvılar nasıl çalışıyor? Onu da şimdi okuyabilir, kuantum kimya ve kuantum mekaniğine hemen bakabilirsiniz. Yaşamı var eden su kimyasını gördükten sonra hayat neden var sorusunu kuantum biyolojiyle yanıtlayabilirsiniz. Hızınızı alamayarak göçmen kuşlar manyetovizyonla yolunu nasıl buluyor diye sorup Dünya’da bilinen en zehirli 5 toksin hakkında hemen bilgi edinebilirsiniz. Sağlıcakla ve bilimle kalın. 😊

Süperiletkenleri yakından tanıyalım

¹Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride
²High-temperature superconductors: underlying physics and applications
³Origin of High-Temperature Superconductivity in Compressed LaH₁₀