Süper iletkenler nedir

Süper iletkenlerin davranışını anlamamıza yardımcı olması için, katıların özelliklerini kullanarak, bu ilgi çekici maddeleri daha ayrıntılı bir şekilde sizlere anlatacağım. Süper iletkenler elektriksel dirençleri, kritik sıcaklık olarak adlandırılan T_c nin altındaki sıcaklıklarda hemen hemen sıfıra düşer (Tablo 1).

Süper iletkenlerin içinde manyetik akının dışlanması olarak Meissner olayını inceleyerek başlayalım. Süper iletken içindeki manyetik alanın zamanla değişmeyeceği, elektrik ve manyetizmaya dayanan te­mel deliller kullanılarak gösterilebilir. Buna göre R=ΔV/I dir. İletke­nin uçlan arasındaki potansiyel farkı ΔV, içindeki elektrik alan ile orantılı ol­duğundan, elektrik alanın iletkenin direnci ile orantılı olduğu görülür. Süpe­r iletkenler için kritik sıcaklık veya altında R = 0 olduğundan, süper iletken için­deki elektrik alan sıfır olmalıdır. Burada, Faraday indüksiyon yasasını tekrar ele alalım:

Öyle ki, elektrik alanın herhangi bir kapalı ilmek boyunca çizgi integrali, ilmekten geçen manyetik akının (Φ_B), değişme hızının eksi işaretlisine eşittir. E süper iletkenin içinde her yerde sıfır olduğundan süper iletken içinde herhangi bir kapalı yol boyunca alınan integral sıfırdır. Böylece, dΦ_B/dt=0 dır. Bu da bize süper iletken içindeki manyetik akının değişmeyeceğini söyler. Bu bilgilerden, B(=Φ_B/A) nın süper iletken içinde sabit kalacağı sonucunu çıkarırız.

1933’den önce süper iletkenlik, mükemmel iletkenliğin bir kanıtı olarak kabul edildi. Uygulanan manyetik alanın varlığında, mükemmel (ideal)  iletken kritik sıcaklığın altına soğutulursa, iletken içindeki alana yakalanır ve he­men sonra alan dışarı atılır. Ayrıca, ideal iletkenin son durumu, alanın uygu­lanışına veya Tc nin altına uygulanışına bağlı olur. Madde soğutulduktan sonra alan uygulanırsa, alan süper iletkenden dışlanır. Madde soğutulmadan alan uygulanırsa, soğutuncaya kadar alan dışarı atılmaz. 1933 de W. Hans Me­issner ve Robert Ochsenfeld, zayıf bir manyetik alanda metal süper iletken duruma geldiğinde, alanın dışlandığını buldular. Böylece, maddenin kritik sı­caklığın altına soğutulmasından önce veya sonra alan uygulanması halinde ay­nı son durum B = 0 a ulaşıldı.

Şekil 1 de, uzun silindir şeklindeki süper iletken madde için Meissner olayı görülüyor. Sıcaklığın Tc den büyük olduğu durumlarda alanın silindir içine girdiğine dikkat edilmelidir (Şek. 1a). Sıcaklık Tc nin altına doğru so­ğutulurken aynı zamanda alan süper iletkenin içinden dışarı atılır (Şek. 1b). Bu sonuçla, süper iletken bir ideal iletken (özdirenç ρ = 0) olmakla birlikte, daha çok diyamanyetiktir (B=0). Süperiletken içinde B = 0 olma özelliği, sıfır özdirenç özelliği kadar önemlidir. Uygulanan alanın büyüklüğü (şiddeti) B_c kritik değerini aşarsa, belirlenen B_cdeğeri maddenin süper iletkenlik özelliğini bozar ve alan numunenin (maddenin) içine girer (nüfuz eder).

Süper iletkenler, negatif manyetik alınganlığa (susceptibilité) sahip ideal (mükemmel) diamanyet olduklarından, sürekli mıknatısları iterler. Gerçekte, küçük bir sabit mıknatıs süper iletken üzerinde havada hareket ettirerek Meissner olayı gösterilebilir.

Elektrikte öğrendiklerimizden hatırlayacağınız gibi, iyi iletkenler yükleri yüzeylerine doğru hareket ettirerek durgun elektrik alanı dışarı atarlar. Gerçekte, yüzey yüklerinin oluşturduğu alan iletken içindeki dış alanı yok eder. Benzer bir biçimde, süper iletkenin yüzey akımlarının alanı, uygulanan alanı dışlar. Bunun niçin böyle olduğunu görmek için, Şekil 1 deki süper iletkeni tekrar ele alalım. Şekil 1a da görüldüğü gibi, başlangıçta sıcaklığı T>Tc , olan örneği ele alalım, öyleki manyetik alan silindire girsin. Şekil 1b de görüldüğü gibi, silindir T<Tc sıcaklığına soğutulduğunda alan dışlanır. Süper iletken yüzeyinde indüklenen yüzey akımlarının oluşturduğu alan, süper i­letken içindeki dış alanı yok eder. Beklendiği gibi, dış manyetik alan dışarı atıldığında yüzey akımları kaybolur.

Bilim dünyasında heyecan verici bir olay olarak ortaya çıkan fizikteki önemli bir gelişme de, bakır oksit-tabanlı süper iletkenlerin bulunuşudur. He­yecan verici olay, İsviçre IBM Zürih araştırma laboratuvarı bilim adamları J. Georg Bednorz (doğum 1950) ve K. Alex Müller (doğum 1927) in 1986 da ki yayını ile başadı. Bednorz ve Müller yayınlarında, 30 K de baryum, lantan ve bakır oksitte süper iletkenlik için önemli deliller (kanıtlar) verdiler. Olağa­nüstü buluşları nedeniyle 1987 yılı Nobel Fizik Ödülünü aldılar. Bundan çok kısa süre sonra, yeni bir bileşik ailesi araştırmaya açıldı ve süper iletkenlik ala­nında araştırma faaliyetleri güçlü şekilde devam etti. 1987 nin başlarında,  Ala­bama Üniversitesi (Huntsville) ve Huston Üniversitesindeki gruplar, yitrium, baryum ve bakır oksitte (YBa₂Cu₃0₇) 92 K civarında süper iletkenliği duyurdu­lar. Bu yılın sonlarında, Japon ve Birleşik Amerikalı bilim adamı gruplan, 105 K de bizmut, stronsiyum, kalsiyum ve bakır oksit süper iletkenini açıkladılar. Son zamanlarda, bilim adamları cıva içeren bir oksidin süper iletkenlik sıcaklı­ğının 150 K kadar yükseldiğini açıkladılar. Bugün, süper ilet­kenlik oda sıcaklığına çıkarılamadı ve yüksek sıcaklık süper iletkenlerinin dav­ranışından sorumlu işleyiş hâlâ araştırılmaktadır. Bilimsel nedenlerle ve kritik sıcaklık yükseldiğinde mümkün olabilecek geniş pratik uygulamalar nedeniy­le, yeni süper iletken maddeler bulmak için araştırmalar sürmektedir.

Süper iletkenler özet

İki ya da daha çok atom, aralarında var olan çekici kuvvet nedeniyle molekülleri oluşturmak üzere bir araya gelirler. Moleküldeki bağlanmadan sorumlu mekanizmalar aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir:

• İyonik bağlar zıt işaretli yüklü iyonlar arasındaki Coulomb etkileşmesinden dolayı oluşurlar. Sodyum klorür (NaCl) iyonik bağlı moleküle bir örnektir.
• Kovalent bağlar birleşen atomların değerlik elektronlarını ortaklaşa kullanmaları ile oluşur. Örneğin H₂ molekülünün iki elektronu, iki çekirdek arasında eşit paylaşılır.
• Van der Waals bağları iyonik ya da kovalent bağ yapmayan atomlar arasın­daki zayıf elektrostatik bağlardır. Soygaz atomlarının ve kutuplu olmayan moleküllerin sıvı faza yoğunlaşmasından bu bağlar sorumlu olur.
• Hidrojen bağları bir veya daha fazla hidrojen atomu içeren kutuplu (po­lar) bir moleküldeki pozitif yük merkezi ile diğer bir kutuplu moleküldeki negatif yük merkezi arasında kurulur.

Bir gaz içindeki molekülün enerjisi, bağların elektronik enerjisi ve molekülün ötelenme, dönme ve titreşimlerden gelen katkılardan oluşur.

İki atomlu bir molekülün dönme enerjisinin izinli değerleri

ile verilir. Burada I molekülün eylemsizlik momenti ve J dönme kuantum sayı­sı denen bir tamsayıdır. Dönme seviyeleri arasındaki geçişlere ait seçim kura­lı ΔJ=±1 ile verilir.

İki atomlu molekülün titreşim enerjisinin izinli değerleri

ile verilir. Burada v titreşim kuantum sayısı, k molekülü bağlayan “etkin yayın”  kuvvet sabiti, μ  molekülün indirgenmiş kütlesidir. İzinli titreşim geçişleri için seçim kuralı  Δv = ±1 dir ve komşu seviyeler arasındaki aralıklar eşittir.

Katılarda ki bağlanma mekanizmaları, moleküller için tanımlanan düzene benzer biçimde sınıflandırılabilir. Örneğin NaCl deki Na⁺ ve Cl^– iyonları iyonik bağları, elmasdaki karbon atomları ise kovalent bağları oluşturur. Metalde­ki, metalik bağlanmanın mekanizması, pozitif iyon korları ile hareketli serbest elektronları arasındaki net çekici kuvvettir.

Kristalik katıda, sistemin enerji düzeyleri bir takım bandlar oluşturur. Elektronlar en düşük enerji seviyesini, aynı seviyede başka elektron olmayacak şekilde doldururlar. İzinli durumların bandları arasında yasak enerji aralıkla­rı bulunur.

Metallerin serbest elektron teorisine göre, serbest elektronları, Pauli dışarılama ilkesine uygun olarak kuantumlu durumları doldururlar. E ile E+dE arasında olan iletim elektronlarının birim hacimdeki durumlarının sayısı

dır. Burada C bir sabit ve E_F  Fermi enerjisidir. T= 0 K de, E_F nin altındaki tüm

seviyeler dolu; E_F nin üstündeki tüm seviyeler boştur ve

ile verilir. Burada n birim hacimdeki iletim elektronlarının toplam sayısıdır. Sadece, E_F ye yakın enerjilere sahip elektronlar metalin elektriksel iletimine katkıda bulunabilirler.

Bir yarı iletken, 1eV mertebesinde küçük bir enerji aralığı olan ve T=0 K  de değerlik bandı dolu olan bir maddedir. Enerji aralığının küçük olmasın­dan dolayı, çok sayıda elektron, sıcaklık artıkça ısısal olarak değerlik bandın­dan iletkenlik bandına uyarılabilir. Yarıiletkenlerin band yapıları ve elektrik­sel özellikleri, yarı iletkene beş değerlik elektronlu (arsenik gibi) verici atom­ları ilave ederek ya da üç valans elektronlu (indiyum gibi) alıcı atomları ilave ederek değiştirilebilir. Verici safsızlık atomları ile aşılanan bir yarı iletkene n-tipi yarı iletken; alıcı safsızlık atomu ile aşılanan yarıiletkene p- tipi yarı iletken denir. Bu safsızlık atomlarının enerji düzeyleri maddenin enerji aralığı içine düşer.