SÜPER İLETKENLER

Süper İletkenlik Nedir?

Günlük hayatımızda kullandığımız bütün iletkenlerin bir direnci vardır. Direncin bir anlamı, iletken üzerinden bir akım geçirmek için iletkene bir gerilim uygulama gerekliliğiyse, bunun doğrudan sonucu olan bir diğer anlamı da geçen akımın iletkeni ısıtmasıdır. Açığa çıkan ısı enerjisini, gerilimi uygulayan (pil, santral gibi) sağlamak zorunda olduğu için akımı devam ettirmek sürekli enerji kaybına yol açar. Direnç ne kadar büyükse, uygulanması gereken gerilim ve kaybolan enerji de o kadar büyük olur. Fakat bazı iletkenlerde, malzeme kritik sıcaklık denilen bir sıcaklığın altına kadar soğutulduğunda, akımı taşıyan elektronlar enerjilerini ısıya çevirme yeteneklerini kaybederler ve direnç sıfıra düşer. Bu durumda herhangi bir gerilim uygulamadan ve enerji kaybetmeden bir akım yaratmak mümkün hale gelir. Bir maddenin, enerji iletkenliğinde direncinin 0 olması durumuna, süper iletkenlik özelliği deniyor.1911 yılında ilk kez Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes, belirli şartlarda civanın süperiletken olduğunu buldu. Sonraki yıllarda, bir kısmı Onnes tarafından olmak üzere, iki düzineden fazla elementin ve binlerce metal alaşımın da birbirlerinden farklı şartlarda süperiletken olabileceği anlaşıldı. Her geçen gün bu maddelere yenileri ekleniyor. Bugün hala, insanların yaşayabilecekleri şartlarda ve sıcaklıklarda bilinen teknolojik uygulamalarda kullanılabilecek özelliklere sahip süper iletken bir madde bulunmuş değildir. Her şey bir yana böyle bir süperiletken madde bulunduğunda, öncelikle, insanlık tarihinin en önemli enerji tasarrufu imkânı kendiliğinden ortaya çıkacaktır. Bu tasarruf, sadece daha önce kullanılmayan enerjinin nihai kullanım noktasına kadar gelmesi ile elde edilecek bir tasarruf değil, aynı zamanda özellikle cisimlerin hareketi sırasında, sürtünmeden kaynaklanan enerji kayıplarından da büyük ölçüde kurtulmasıdır.

Süperiletkenlik olgusu elektronların davranışıyla belirlenir. Süperiletken bir metalin kristal örgüsündeki serbest elektronların, civarlarındaki pozitif iyonlarla etkileşmeleri örgüde kusurlara neden olur. Bunun sonucunda, normalde birbirlerini itmesi gereken elektronlar arasında dolaylı bir çekim kuvveti, dolayısıyla metal içinde elektron çiftleri oluşur. Cooper çiftleri adı verilen bu elektron çiftlerinin saçılma ile birbirlerinden ayrılmaları zordur. Üstelik bu çiftlerin saçılmayı önleyici kuantum özellikleri de vardır. Bu çiftler süperiletkenliğin sorumlusudur. Çünkü metallerde elektriksel iletkenlik temelde saçılmaya bağlıdır; ne kadar az sayıda saçılma olursa metal elektriksel olarak o kadar iyi iletken hale gelir.

Süperiletkenlik olgusunun kuramsal olarak açıklanması yüzyılımızın ortalarında John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer isimli üç Amerikalı fizikçi tarafından yapıldı ve bu çalışmaları onlara Nobel ödülü kazandırdı. Şimdi Süperiletkenlikle ilgili teknolojik uygulamalara bakalım.

JET HIZINDA TRENLER

Süperiletken maddelerde görülen manyetik itme kuvveti (Meissner etkisi), Batı ülkelerinde halk arasında uçan trenler diye adlandırılan, manyetik yastık üzerinde kayan MAGLEV trenlerinin yapılması fikrini doğurmuştur. Başta Japonya ve Almanya olmak üzere MAGLEV trenleri üzerinde yapılan araştırmalarda bugüne kadar 500 km/h hıza ulaşılmış bulunulmaktadır. Bu, neredeyse ortalama bir jet uçağının uygun değer uçuş hızına yakındır.

Japonya da geliştirilen, süperiletken MAGLEV trenleri, özel bir ray üzerinde, aracın her iki ucunda bulunan süper soğutmalı, süperiletken mıknatıslar vasıtası ile yükseltiliyor. Tren hareket ettiğinde raydaki iletkenlere verilen elektrik akımı bir itme gücü oluşturuyor. Tren 100km/h hızı aştığı anda, tekerlekleri içe katlanıyor ve hat üzerinde havlanmaya başlıyor. Yani tren, sürtünmesiz bir ortamda hattın üzerinde adeta uçmaya başlıyor. Enerji tasarrufu içinde ısınan mıknatıslar bir soğutma sistemi ile soğutuluyor. MAGLEV trenini istendiğinde durdurmak için ise, akım yönü tersine çevriliyor. İleriye doğru hızla akan aracın kütlesi, bu sefer zıt yönde bir itme gücü ile durduruluyor.Bu, tıpkı uçaklarda piste inişten sonra kullanılan motor freni gibidir.

BÜTÜN SIR MIKNATISLARDA

Süperiletken maddenin en önemli özelliklerinde biri mükemmel dia manyetik olmalarıdır.1933 yılında, Messnir ve Ochsenfeld, bir metalin süperiletken olduktan sonra, içinden manyetik akım geçişine izin vermediğini gösterdiler. Şöyle ki, kritik sıcaklığın altında soğutulmuş bir süperiletken, üstten hafif fakat güçlü bir mıknatısa yaklaştırıldığında, süperiletken parça havada kalacaktır.Buna, süperiletken metallerin levitasyon özelliği denmektedir.

SÜPERİLETKENLERİN UYGULAMA ALANLARI

Süperiletkenlerin kullanılmasıyla elde edilen ürünler; süperiletken kablo ve mıknatıslar ile süperiletken film ve Josephsoneklemi ve bunların bileşiminden oluşan mikro devreler olmak üzere iki ana grupta toplanmaktadır.

YÜKSEK ENERJİ FİZİĞİ

Süperiletkenler sayesinde yüksek manyetik akım yoğunluğu elde edilebildiğinden, halk arasında emar olarak bilinen magnetik rezonans(MR) görüntüleme cihazları geliştirilmiş ve tıbbi teşhis alanında önemli bir mesafe kat edilmiştir.

SÜPERİLETKEN KABLOLAR

1000 KW ve 10 GVA gibi, bugüne kadar hayali bile mümkün olmayacak derecede yüksek kapasitede enerji iletim kablolarının üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu kabloların henüz çok kırılgan olmaları nedeniyle, bilimsel araştırmalar devam etmektedir.

DEMİR YOLU TAŞIMACILIĞI

Süperiletkenlerle elde edilen güçlü manyetik alan vasıtası ile hareket eden MEGLAV trenleri geliştirilmiştir.

PARÇACIK ÇARPIŞTIRICILARI

Parçacık fiziği deneylerinde kullanılan parçacık çarpıştırıcılarında ışık hızına yakın hızlarda hareket eden atom altı parçacıklarının merkeze bağlı tutulabilmesi için gerekli olan güçlü mıknatıslar, ancak süperiletkenlerle yapılabilmektedir. Bu mıknatıslar gereken enerjinin büyüklüğü, çoğu zaman istenilen enerji düzeyinde deneylerin yapılmasını mümkün kılmamaktadır. Ancak, mıknatısların süperiletkenlerden yapılması ile ileri düzeyde deneyler yapılabilmektedir.

ELEKTRONİK DEVRELER

Hemen tüm elektronik devrelerde ve özelliklede entegre devrelerde ara bağlantılarda kullanılan iletkenlerin dirençlerinden kaynaklanan sorunlar, önemli bir maliyet unsuru olmaktadır.Bu sorunların, süperiletkenlerin kullanılması ile giderilebileceği düşünülmektedir.

PARÇACIK HIZLANDIRICIDAN ‘NANOROBOT’A

Burada, süperiletkenlerin çeşitli kullanım alanları arasında önemli bir yer tutan, bilimsel araştırmalarda deney imkânlarının geliştirilmesine yaptığı katkıya bir örnek vermek gerekiyor.

SÜPERİLETKENLİKTE KİLOMETRE TAŞLARI

1911: Kammerlingh Onnes cıva metalinde süperiletkenliği keşfetti. (Onnes 1913’te Nobel ödülüne layık görüldü.)

1933: Walter Meissner ve Robert Ochsenfeld süperiletkenlerin manyetik alanları sevmediklerini ortaya çıkardı. Böylece süperiletkenlerin zengin manyetik uygulamaları için yol açılımı oldu. Bunlardan en önemlisi enerji harcamayan çok güçlü mıknatıslar.

1957: John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer BCS kuramı olarak adlandırılan süperiletkenlik mekanizmasını açıklayan kuramı yayımladılar. Kuram daha sonra geliştirilerek bilinen süperiletkenlerin bütün özelliklerinin açıkladığı görüldü. Bardeen, Cooper ve Schrieffer bu çalışmalarından dolayı 1972 yılında Nobel ödülüne layık görüldüler.

1962: Cambridge üniversitesinden Brian D. Josephson iki süperiletken arasına sıkıştırılmış ince bir normal metal tabakasının içinden kararlı akımların geçebileceğini öne sürdü. Kısa zamanda doğrulanan bu görüş Süperiletkenlerin elektronik uygulamalarında kullanılmaları yolunu açtı.

1986: Alex Müller ve Georg Bednorz bir lantan, baryum ve bakır oksit seramiğinin 30 Kelvin de süperiletkenliğe geçtiğini gösterdiler. Bir yıl sonra, en hızlı gelen fizik Nobel ödülünü almaya hak kazandılar.

1987: Süperiletkenlik ilk defa 77 Kelvinde olan azotun kaynama sıcaklığını aşmış oldu. Helyum yerine azotla çalışan soğutucularla süperiletkenler üzerinde çalışmak ve teknolojik uygulamalarını görmek mümkün oldu.

1991: A.F. Hebard ve grubu K 3C60 ’nin 18 kelvinde süperiletken olduğunu buldular.

1995: Kritik sıcaklığın 138 Kelvin olduğu Hg 0.8Tl0.2Ba2 Ca2 Cu3 O 8.33 seramiği keşfedildi. Bu malzeme normal basınç altında şimdiye kadar bilinen en yüksek kritik sıcaklık rekoruna sahiptir.

2001: Jun Akimitsu ve ekibi MgB2 ’nin 39 Kelvinde süperilkenliğe geçtiğini gösterdiler.

ODA SICAKLIĞINDA SÜPERİLETKENLERE DOĞRU

Luchent Technologies Bell laboratuvarlarında görevli bir araştırmacı eski bi,top biçimindeki karbon molekülleri ve bunların arasını açacak “dolgu malzemesi” kullanarak yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik yarışında çıtayı olağanüstü bir yüksekliğe taşıdı. Hendrik schön ve iki ekip arkadaşı, başka bileşimlerle genişletilmiş kristalini, bir transistörün ortasına yerleştirerek 117 kelvin gibi yüksek bir sıcaklıkta elektriği dirençsiz ileten bir süperiletkene ulaşmayı başardılar. Kelvin, bizim kullandığımız Celcius(santigrad) sıcaklık ölçeğiyle aynı olan, ancak başlangıç noktası olarak suyun donma derecesini 0 C değil, mutlak sıfır denen ve elektronların hareket yeteneğini yitirdiği -273,60 C’yi alan bir sıcaklık ölçeği. Bu durumda fizaikçileri ve elektronikçileri böylesine heyecanlandıran 117K (-156 C),günlük yaşamımızda alışık olduğumuz “yüksek sıcaklık” kavramıyla pek örtüşmüyor. Ama bu nokta ve özellikle kullanılıan yöntem, öteki fizikçilerce “oda sıcaklığında (300K ya da yaklaşık 27 C) süperiletkenlik” düşüne kapıları açacak olağanüstü ilerlemeler olarak değerlendiriliyor.

Ayrıca Schön ve ekibinin geliştirdiği kristallerin, elektronik yapım malzemelerine standart demir-oksit temelli seramiklere göre çok daha kolay yerleştirilebildiği vurgulanıyor. Süperiletkenler elektronlar yerine, bu elektronların terk ettikleri delikler olan yuvaları iletebiliyorlar.Schön ve arkadaşları da birkaç yıl önce C ‘elektron yerine delik iletir hale getirebilirse Tc diye tanımlanan süperiletkenlik için gerekli eşik sıcaklığını yükseltebileceklerini düşünüp deneylere başlamışlar.Elektron yerine delik iletimi,malzemenin “durum yoğunluğu” denen ve belirli enerji düzeylerinde taşıyabileceği elektrik yük sayısı demek olan bir özelliğini arttırıyor.Bu sayı süperiletkenlik sıcaklığıyla yakından ilintili.Ekip,C içerisine girecek deliklerin sayısını arttırmakta güçlükler yaşamış.Bu iş için kullanılan sıradan yöntem,yani malzemeye başka bileşimler karıştırmak,C kristalinin parçalanmasına yol açıyormuş.Ancak geçen yıl Schön ile ekip arkadaşları Cristian Kloc ve Bertram Batlogg yeni bit çözüm bulmuşlar.Transistor ü kristalin etrafında inşa etmek ve bunun yük iletme yeteneğinden yararlanarak kristali deliklerle doldurmak.Yöntem başarılı olmuş:C Süperiletken özellik kazanmış ve bu özelliğini 52K sıcaklığına kadar korumuş.

Ekip Ağustos ayı sonunda açıkladığı 117 K sonucuna ulaşırken malzemenin durum yoğunluğunu yükseltmek için yeni bir taktik uygulamış. Kristal içerisindeki C molekülleri arasında “kafes sabiti” diye adlandırılan uzaklığı arttırmayı denemiş. C ‘ın kafes sabiti 14,15 angstrom, Kafes genişlerse durum yoğunluğu artıyor ve kritik sıcaklık T yükseliyor. Ekip çeşitli denemelerden sonra iki bileşimin istenen işi yaptığını bulmuş. Triklorometan kafes sabitini 14,29’a,tr. bromometan da 14,45’e çıkartıyor.

Daha önceki çalışmalarıyla Schön ve ekibinin yolunu açmış olan Art Ramirez adlı araştırmacıya göre varılan nokta “muazzam bir ilerleme.”Kafes sabitini 14,7 civarına yükselttiniz mi, bu oda sıcaklığında süperiletkenlik demek diyor. Kristali parçalamadan hangi bileşimleri kullanarak o düzeye çıkılacağı bilinmiyor. Ama “herkesin eline geçen her şeyi deneyeceği kesin” diyor Ramirez.

Araştırmacılar C ‘ın hünerini oda sıcaklığına taşımasında başarısız olması halinde bile elektronik sanayisinde bir devrim yapmaya aday olduğunu vurguluyorlar. Nedeni seramik süperiletkenleri transistor ya da başka elektronik parçalara dönüştürmenin olağanüstü güçlüğü. Çünkü bunların başka malzemelerle birleştikleri ara yüzler, mikroskobik defolar taşıyor ve bu engebeler, aygıt içinde dolaşan elektrik yüklerini tuzaklıyor. Organik materyallerse Schön ve ekibinin yaptığı gibi küçük düzeltmelerle büyük performans yükselmesi sergileyebiliyorlar. Süperiletken elektronik son derece hızlı olduğundan ve nen küçük manyetik alanları bile saptayabildiğinden C temelli süperiletken araçların,yüksek hızda bilgisayarlardan,tıbbi görüntülemeye kadar farklı birçok alanda kullanım kazanacağı araştırmacılarca vurgulanıyor.

Benzer Yazılar

YAZAR : Admin

Elektronik Mühendisi / E.Üni. Kalibrasyon Lab. Sorumlusu / Biyomedikal Kalibrasyon Laboratuvarı Sorumlu Müdürü (Sağ.Bak.) / X-Işınlı Görüntüleme Sistemleri Test Kontrol ve Kalibrasyon Uzmanı (Sağ.Bak.) / Ultrason-Doppler Sistemleri Test Kontrol ve Kalibrasyon Uzmanı (Sağ.Bak.) - Hatalı veya kaldırılmasını istediğiniz sayfaları diyot.net@gmail.com bildirin

BU YAZIYI DA İNCELEDİNİZ Mİ ?

İletken, Yalıtkan ve Yarı İletkenler

Yeryüzündeki bütün maddeler, atom ‘lar dan oluşmuştur. Atom ise ortada bir çekirdek ve bunun etrafındaki …

Bir cevap yazın