TarihtenEski

Bilindiği üzere iletkenlerde elektrik, en dış enerji seviyesinde bulunan elektronların bir atomdan diğerine geçmesi suretiyle akar. Bu atomlar, iletkenin içinde titreşim halinde bir kafes yapısı oluştururlar; iletken ısındıkça titreşim artar. Elektronlar bu kafes yapısı içinde hareket ederken, kafesteki mini pürüzlere ve bozukluklara çarparlar ve ısı şeklinde enerji kaybederek tüm yönlere uçuşurlar.

Süperiletkenlerde ise durum oldukça farklıdır. Kafes yapısındaki bozukluklar hala mevcut olmasına rağmen elektronlar herhangi bir engellemeyle karşılaşmadan ve enerji kaybı yaşamadan kafesin içinden geçip giderler. Süperiletkenlerin bu ilginç özelliği bilimadamlarını yıllarca uğraştırmıştır ve aslında hala tam olarak gerçek anlamda (özellikle yüksek sıcaklıklı HTS süperiletkenlerde) anlaşılabilmiş değildir. 1957 yılında John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer adlı üç Amerikalı bilim adamının ortaya koyduğu yaklaşım sıfır Kelvin derecesine yakın sıcaklıklarda süperiletkenlik davranışının anlaşılması açısından yeni ufuklar açmıştır. BCS teorisi olarak bilinen bu yaklaşım, titreşim halindeki kafes yapısı içerisinde elektonların birbirine kilitlenmiş olarak bir düzen içinde nasıl aktığını açıklar. Cooper, kafes titreşim yapısının tüm elektrik akımını şekillendirmesi açısından önemini kavramıştı; ekibiyle elektronları çiftler halinde akmaya zorlayınca kafes titreşiminin de düzenli bir yapı sergilediğini ve elektron çiftlerinin hiçbir dirençle karşılaşmadan aktıklarını gözlemledi. Normalde iki elektron aynı yükü taşıdıkları için birbirini iter, oysa Cooper çiftlerinde elektronlar bir şekilde birbirine kilitleniyordu. Bu kilitlenmeyi ise kafes titreşimi esnasında ortaya çıkan ve elektronlar arasındaki artı yük alanını oluşturan fonon adındaki ses dalgası paketleri sağlıyordu.

Teoriye göre negatif yüklü bir elektron, süperiletkendeki pozitif yüklü kafesin yanından geçerken, kafes içeri doğru büzülür. Bu ise elekronun etrafında fonon taneciklerinin tekne şekli oluşturacak şekilde pozitif bir alan oluşturmasına neden olur. Elektron o bölgeyi terketmeden ve kafes tekrar normal konumuna dönmeden önce ikinci bir elektron teknenin içine çekilir. Böylelikle birbirini itmesi gereken iki elektron birbirine bağlanır. Gerçekte bu bağ sürekli bozulur-kurulurken bunu daimi bir bağlanma gibi tahayyül etmek mümkündür. Elektronların bu şekilde birbirine bağlanmasını pist üzerinde yarışan arabaların durumuna – her ne kadar biraz gerçek dışı olsa da – benzetebiliriz. Öndeki arabanın ardında açtığı hava boşluğu, hemen arkasındaki arabayı kendine çeker ve böylece tüm arabalar ardarda birbirine kilitlenir. Süperiletkenlerde öndeki elektronun oluşturduğu pozitif alan hemen arkasındaki elektronu kendine çeker, bu ise tüm elektronların kafes titreşimiyle eş-titreşime (rezonans) girerek tek bir hat üzerinde hizalanmasını ve direncin kırılmasını sağlar.

Süperiletken maddeler çok düşük sıcaklık seviyesinde tutuldukları müddetçe, moleküler hareketteki durgunluktan dolayı Cooper çiftleri çözülmez. Ancak madde ısındıkça şiddetlenen kafes titreşimleri birbirine kenetlenmiş Cooper çiftlerini çözer, bu ise direncin ortaya çıkmasına ve süperiletkenliğin yok olmasına neden olur. Süperiletken metal ve alaşımların normal iletken halden süperiletken hale geçtiği karakteristik sıcaklığa “Kritik Sıcaklık” (Critical Temperature, Tc) denir. Kritik sıcaklığın altında direnç sıfırdır. Süperiletkenlerde elektrik akımı akarken herhangi bir enerji kaybı olmadığından dolayı, dev miktardaki akımları taşımak için nispeten daha dar kablolar yapmak mümkündür. Ancak bu kabloların da taşıyabileceği yük miktarında bir sınır vardır. Eğer süperiletken bir kabloya aşırı yük bindirilirse, kritik sıcaklığın altında dahi olsa süperiletkenliğini kaybedecek ve normal duruma dönecektir. “Kritik Akım Yoğunluğu” (Critical Current Density, Jc) sıcaklığa dayalı bir fonksiyondur: Süperiletkeni ne kadar soğutursanız, üzerinden o miktarda fazla akım geçer. Genelde pratik uygulamalarda Jc değeri 1000 amper/mm2’nin üzerindedir.

Süperakımlar kayıpsız oldukları için süperiletken bir devre etrafında sonsuza kadar akmaya devam ederler; bu ise sürekli bir manyetik alanın oluşmasına neden olur ki, bu yüksek-alan mıknatısların çalışma biçimidir. Ancak metal yüzük içinden geçen manyetik akı (magnetic flux) rasgele bir değer almaz, aksine kuantum akısı (quantum flux) birimine uygun olarak bir nicelik kazanır. Kısacası süperiletken madde normalde atom düzeyinde gerçekleşen kuantum etkisi olgusunu gözle görebildiğimiz bir düzeye taşır.
Eğer bir süperiletkenin etrafına manyetik alan verilirken kendisi kritik sıcaklığının altına soğutulursa, manyetik alan süperiletkenin etrafında kalmaya devam eder. Yine her süperiletkenin etrafında taşıyabileceği manyetik alan miktarını belirleyen karakteristik bir “Kritik Manyetik Alan” (Critical Magnetic Field, Hc) değeri vardır.

Yukarıda da belirttiğimiz gibi süperiletken mıknatısların en önemli özelliği çok büyük akım yoğunluğunu sıfır dirençle destekleyebilmeleridir. Bu özellik ise çok çok az elektriksel güçle çok yoğun manyetik alan oluşturabilen elektro-mıknatısların yapılmasını olanaklı kılmıştır. Akım yoğunluğunun yüksek olması ise süperiletken mıknatısların laboratuarlarda oldukça az yer kaplamasını sağlar. Ayrıca süperiletken mıknatısların oluşturdukları manyetik alanlar günlerce hatta aylarca hiç bozulmadan alan şekillerini koruyabilirler. Bu tarz sabit manyetik alanlar uzun bir süreci kapsayan sinyal ortalaması gibi teknolojilerde çok önemli bir yer tutmaktadırlar.