Bir bakır telden elektrik akımı geçtiğinde telin bir miktar ısındığını biliriz; bu ısı, elektronların madde içinde ilerlerken enerji kaybetmesinin, yani elektrik direncinin bir sonucudur. Oysa bazı malzemeler belirli bir sıcaklığın altına soğutulduğunda dirençleri ölçülebilir her değerin altına, pratikte tam sıfıra iner. Bu duruma süperiletkenlik denir ve bir kez başlatılan akım, hiçbir dış kaynak olmadan yıllarca sönmeden dönebilir. Bu yazı, bu davranışın nereden geldiğini ve neden yalnızca çok düşük sıcaklıklarda ortaya çıktığını anlatıyor.
Elektrik Direnci Nereden Gelir?
Normal bir iletkende akımı taşıyan elektronlar, atomların oluşturduğu kristal örgü içinde serbestçe hareket eder. Ancak bu hareket kusursuz değildir: elektronlar örgüdeki titreşimlere (ısıl fononlara), yabancı atomlara ve kusurlara çarparak yönlerini ve enerjilerini kaybeder. Kaybedilen enerji ısıya dönüşür; işte direnç budur. Sıcaklık düştükçe örgü titreşimleri azalır ve çoğu metalin direnci de düşer, ama sıfıra ulaşmaz — geride her zaman kusurlardan kaynaklanan bir "artık direnç" kalır. Süperiletkenlik ise bu kademeli azalıştan tamamen farklı, ani bir olaydır.
1911: Cıvanın Direncinin Aniden Yok Olması
Süperiletkenlik, 1911'de Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes tarafından keşfedildi. Onnes, helyumu sıvılaştırmayı başaran ilk kişiydi ve bu sayede maddeleri mutlak sıfıra (−273,15 °C) çok yakın sıcaklıklara indirebiliyordu. Katı cıvayı yaklaşık 4,2 kelvine (−269 °C) soğuttuğunda, cıvanın elektrik direncinin kademeli değil, bir eşiği geçer geçmez aniden ölçülemeyecek kadar küçük bir değere düştüğünü gördü. Onnes bu buluşuyla ve düşük sıcaklık fiziğine katkılarıyla 1913 Nobel Fizik Ödülü'nü aldı. İzleyen yıllarda kurşun, kalay ve niyobyum gibi başka metallerin de kendi kritik sıcaklıklarının altında aynı davranışı gösterdiği anlaşıldı.
Meissner Etkisi: Süperiletkenliğin İkinci İmzası
Uzun süre süperiletkenlik yalnızca "sıfır direnç" olarak düşünüldü. 1933'te Walther Meissner ve Robert Ochsenfeld, kalay ve kurşun örnekleriyle çalışırken çok daha çarpıcı bir özellik buldular: bir malzeme süperiletken duruma geçerken içindeki manyetik alanı dışarı atıyordu. Meissner Etkisi adı verilen bu olayda süperiletken, yüzeyinde oluşan kalıcı akımlarla dışarıdan uygulanan alanı tam olarak dengeleyen bir karşı alan üretir; sonuç, maddenin "kusursuz diyamıknetik" davranmasıdır. Bu, süperiletkeni sadece çok iyi bir iletkenden ayıran temel noktadır: kusursuz bir iletken içine önceden girmiş alanı hapsederken, süperiletken onu etkin biçimde dışarı iter. Bir mıknatısın süperiletken bir plaka üzerinde havada asılı kalması bu etkinin en bilinen gösterimidir. Alan tümüyle sıfırlanmaz; yüzeyden içeri "London nüfuz derinliği" denen çok ince bir tabaka kadar sızar ve orada üstel olarak söner.
Cooper Çiftleri ve BCS Kuramı
Süperiletkenliğin mikroskobik açıklaması ancak 1957'de John Bardeen, Leon Cooper ve John Robert Schrieffer'in geliştirdiği ve baş harfleriyle BCS olarak anılan kuramla geldi (üçlü 1972 Nobel Fizik Ödülü'nü aldı). Kuramın çekirdeğinde şaşırtıcı bir fikir vardır: normalde birbirini iten iki elektron, çok düşük sıcaklıkta kristal örgü aracılığıyla zayıfça birbirini çekebilir. İlk elektron ilerlerken çevresindeki pozitif iyonları hafifçe kendine doğru çeker ve arkasında geçici bir pozitif yük yoğunluğu bırakır; bu bölge ikinci bir elektronu çeker. İyonların yavaş tepkisi (gecikme), bu fonon aracılı çekimin elektronlar arasındaki doğrudan itmeyi geride bırakmasını sağlar. Böylece oluşan zayıf bağlı elektron ikilisine Cooper çifti denir. Cooper çiftleri bir bütün olarak bozon gibi davrandığından hepsi aynı kuantum durumunda yoğunlaşır ve tek, uyumlu bir "süperakışkan" oluşturur. Bu ortak durumu bozmak için belirli bir enerji eşiğinin (enerji aralığı) aşılması gerekir; düşük sıcaklıkta örgü titreşimleri bu eşiği sağlayamadığı için çiftler saçılmadan, yani dirençsiz akar.
I. ve II. Tür Süperiletkenler
Süperiletkenler manyetik alana verdikleri tepkiye göre ikiye ayrılır. I. tür süperiletkenler (çoğu saf metal) belirli bir kritik alanın altında alanı tümüyle dışarı atar, bu alanın üstünde ise süperiletkenliği bir anda kaybeder. II. tür süperiletkenler (alaşımlar ve seramik bileşikler) ise iki kritik alan değeri arasında "karışık durum"da kalır: manyetik alan, malzemeye ince akı iplikçikleri (girdaplar) hâlinde nüfuz ederken çevredeki bölge süperiletken kalmayı sürdürür. Bu sayede II. tür malzemeler çok daha yüksek manyetik alanlara dayanabilir ve güçlü mıknatıs yapımında kullanılan türdür.
Yüksek Sıcaklık Süperiletkenleri ve Oda Sıcaklığı Hedefi
Onlarca yıl boyunca bilinen tüm süperiletkenler yalnızca 23 kelvinin altında çalışıyordu; bu da pahalı sıvı helyum gerektiriyordu. 1986'da Georg Bednorz ve Alex Müller, bakır oksit temelli seramiklerde çok daha yüksek kritik sıcaklıklar buldu (ertesi yıl Nobel Ödülü). Kısa süre sonra keşfedilen itriyum-baryum-bakır-oksit (YBCO) bileşiği 93 kelvinde süperiletken oluyordu; bu, ucuz ve bol bulunan sıvı azotun (77 K) soğutucu olarak kullanılabilmesi anlamına geliyordu. Bu "yüksek sıcaklık" süperiletkenlerinin BCS mekanizmasıyla tam olarak açıklanıp açıklanamadığı hâlâ açık bir araştırma sorusudur. Son yıllarda kükürt ve lantan hidrürleri gibi bileşiklerin, milyonlarca atmosfer basınç altında oda sıcaklığına yakın değerlerde süperiletken olabildiği gösterildi; ancak normal basınçta oda sıcaklığında çalışan bir süperiletken henüz elde edilememiştir.
Süperiletkenlik Nerede Kullanılıyor?
Sıfır direnç ve güçlü manyetik alan üretebilme özelliği, süperiletkenleri bazı teknolojilerde vazgeçilmez kılar. Hastanelerdeki MR (manyetik rezonans) görüntüleme cihazları, güçlü ve kararlı alanlarını süperiletken bobinlerden alır. CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, parçacıkları yönlendirmek için 1,9 kelvine soğutulmuş binlerce niyobyum-titanyum mıknatıs kullanır. Manyetik olarak havada yüzen (maglev) trenler, süperiletken mıknatıslarla raya değmeden ilerler. Ayrıca kayıpsız güç kabloları, çok hassas manyetik alan sensörleri (SQUID'ler) ve kuantum bilgisayarların kübitleri de bu olgudan yararlanır.