TarihtenEski

Elektrik, manyetik ve gravitasyonel (çekim) alanların tümünü birleştiren skaler (ölçeksel) dalga yaklaşımıyla sıfır derece Kelvin’de bulunan sınırsız enerjiyi tutarlı hale getirmenin mümkün olduğunu ve çekim kuvveti olarak tanımladığımız olgunun aslında elektromanyetik dalganın sadece başka bir açılımından ibaret olduğunu önceki bölümde gördük. Buradan elektromanyetik dalgalara ne oranda hükmedebilirsek, skaler dalga yaklaşımından da o oranda verim alacağımız sonucunu çıkarabiliriz. Bu noktada akla gelen ilk teknoloji ise, elektriğin sıfır dirençle iletimini mümkün kılan ve birçok fantastik elektromanyetik özelliğe sahip olan süperiletkenlik teknolojisidir.

1. SÜPERİLETKENLER: 1911 yılında Hollandalı bilim adamı Heike Kamerlingh Onnes cıvayı sıvı helyum kullanarak 4 derece Kelvin’e
(-269 oC) kadar soğuttuğunda, direncini birden kaybettiğini gözlemlemişti. Böylece elektrik akımını dirençsiz olarak ileten ilk süperiletkeni de keşfetmiş oldu ve bu buluşuyla 1913 yılında Nobel ödülü kazandı. Elektrik akımı kapalı bir süperiletken devresinde bir defa harekete geçtikten sonra artık sonsuza kadar (106 yıl) akmaya devam edecektir, bu anlamda süperiletkenliği makroskobik kuantum olgusu olarak tanımlamak da mümkündür. Kamerlingh’in sıvı helyumu soğutucu olarak kullanmasının ardında yatan, sıvı helyumun kritik sıcaklığın altında sahip olduğu ilginç özelliklerdir. Dönüşüm sıcaklığının üstünde güçlü bir şekilde kaynayan helyum, bu sıcaklığın altında ise atomik yapısındaki değişimden dolayı oldukça akışkan ve sükûnetli bir yapı sergiler. Birinci safha “normal safha” ya da “sıvı helyum I” adıyla anılırken, ikinci safha “süper-akışkan safha” ya da “sıvı helyum II” adıyla bilinir.

Keşfedildiği yıldan itibaren yoğun ilgi gösterilen süperiletkenlik olgusu, günümüzde artık endüstrinin birçok alanında uygulama sahası bulmuş durumdadır. Doğru akımın kayıpsız iletiminden yararlanan süperiletken mıktnatıslar örneğin tıp alanında kullanılmakta olan Magnetic Resonance Imaging (MRI) cihazları gibi birçok uygulamayla pazarda yerlerini almış durumdadırlar. Ayrıca alternatif akımın yok denecek kadar az kaybı, güç ve enerji alanında çok büyük tasarruf sağlayan güç kabloları, motorlar ve akım kısıtlayıcılar (current limiters) gibi uygulamaları ortaya çıkarmıştır. Süperiletkenlerin kullanıldığı diğer bir uygulama ise radyo iletişim sistemlerinin üslendiği istasyonlarda aşırı keskin ve düşük derecedeki gürültüyü emen mikrodalga filtreleridir. Yine süperiletkenlerle yeryüzü manyetik alanının bir milyarda biri değerindeki manyetik değerleri ölçmek mümkündür ki bu teknoloji beyin ve kalp fonksiyonlarının başarılı bir şekilde kaydedilmesi yolunu açmıştır. Ayrıca inanılmaz hız ve güç-tasarrufu sağlayan süperiletken devre ve mikroişlemci teknolojisinin de, günümüzde zaten sınırlarına dayanmış olan yarı-iletken teknolojisinin yerini almaya adaydır. Özetle süperiletkenler elektrik/eletronik, ulaşım, tıp, iletişim ve bilişim endüstrilerinde sundukları özgün fonksiyonlarla birçok uygulama alanı bulmuşlardır.
Bugün süperiletkenliğin ticari hayatta yerini almasındaki en büyük engel, söz konusu materyallerin çok düşük derecelere (sıvı azot derecesine, 77 oK) kadar soğutulmak zorunluluğunda oluşlarıdır. 1911’de sıvı helyum (4 oK) üzerinde cıvayla yapılan ilk denemeden sonra bilim adamları düşük sıcaklıklı diğer metal, alaşım ve bileşikleri (Low Temperature Superconductors, LTS) keşfetmeye başladılar.

1941 yılında 16 oK’de süperiletkenlik gösteren niobium-nitride bileşiği keşfedildi, 1953 yılında vanadium-silicat bileşiğinin 17.5 oK’de süperiletken özelliği gösterdiği görüldü. !962 yılında bilim adamları niobium-titanium alaşımından oluşan ilk süperiletken kabloyu buldular. Yine 1960’lı yıllarda yüksek-enerji parçacık hızlandırıcı elektro-mıknatısları geliştirildi. 1986 yılında ise süperiletkenlik alanında gerçekten kritik bir keşif yapıldı. İsviçre’deki IBM araştırma laboratuarından Alex Müller ve Georg Bednorz o zamana kadarki en yüksek ısı değerine sahip olan (30 oK) bir seramik bileşik geliştirdiler. Bu buluşu can alıcı kılan özellik ise seramiklerin normalde yalıtkan olmalarıdır, böylelike ilk yüksek sıcaklık süperiletken de (High Temperature Superconductors, HTS) ortaya çıkmış oldu. Bu buluştan sonra bilim adamları akla gelecek her türlü kombinasyonu deneyerek daha yüksek ısı derecesine sahip süperiletken bileşikler elde etmeye çalıştılar. Şu ana kadar ulaşılmış en yüksek değer 138 oK’dir. Bu gelişmelerden sonra artık soğutma işlemi, helyuma göre kullanımı çok daha pratik olan sıvı azot (77 oK ile gerçekleştirilebilmektedir.

Şekil 2-1: Sıvı azot yalıtımıyla soğutumu sağlanan süperiletken bir kablo, bakır kablodan 140 kat fazla yük taşıyabilir.