Süper İletkenler Nedir

Süper İletken Nedir?


Süperiletken (Üstüniletken), elektriksel iletkenlikleri sonsuza ulaşan maddelere denir Bazı element ve alaşımlar belirli bir sıcaklık (Kritik sıcaklık:Tc) seviyesine veya o kritik sıcaklığın altına doğru soğutulduklarında süperiletkenlik özelliği kazanırlar [Elektrik akımı], dirençle karşılaşmadan süperiletkenmaddelerin üzerinden geçebilir Başka bir özellikleri de içlerindeki manyetik akıyı mükemmel bir diyamanyetiklik özelliği göstererek dışarı itmeleridir Bu diyamanyetik özellik göstermeleri Meissner etkisi olarak tanımlanır Süperiletken maddeler 'den yüksek akıımlar geçebilir

Tarihi Gelişme Süreci
Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes 1908 yılında Helyum’u sıvı hale dönüştürmeyi başardı Bu başarı 4,2 K’e kadar olan düşük sıcaklıklarda fiziksel özelliklerin araştırılmasını mümkün hale getirdi Metallerin elektriksel dirençlerinin bu düşük sıcaklık bölgelerindeki değişimi yine ilk defa Onnes tarafından incelendi Sıvı Helyum’un keşfinden 3 yıl sonra Heike Kamerlingh Onnes, civa metalinde DC elektriksel direncin kritik sıcaklık(Tc) diye adlandırdığı sıcaklık ve altındaki sıcaklıklarda ölçülemeyecek kadar küçük bir değere düştüğünü gözlemledi Ancak ölçülemeyecek kadar düşük değere düşmüyordu Daha sonra yapılan ölçümlerle sıfır olduğu anlaşılmıştır Bu heyecan verici gözlem süperiletkenliğin keşfi olarak bilinmektedir Bu çalışmadan dolayı Kamerling Onnes 1913 yılında Nobel Fizik ödülünü kazandı Daha sonraki yıllarda yapılan çalışmalarda başka elementlerin ve bileşiklerinde (1913 yılında kursunun (Pb) 7,2 K’de (Onnes, 1911), 1930 yılında Niyobyum'un 9,2 K’de (Chapnik, 1930) süperiletken olduğu anlaşıldı Süperiletkenliğin H K Onnes tarafından 1911 yılında kesfinden 1933 yılına kadar süperiletkenin bir ideal iletken olduğu yani sadece sıfır dirence sahip olduğu düsünülüyordu Kusursuz diyamanyetizma özelliği keşiften yaklaşık 22 yıl sonra W Meissner ve R Ochsenfeld tarafından gözlendi Diyamanyetiklik, manyetik ters yönelmesi olarak ifade edilebilir Manyetik alan yayılım frekansına göre moleküler çapta ters yönlenme eğilimi gösterirler Bir mıknatısa yaklaştırıldığında kuzey kutbu gören maddenin yakın tarafı kuzey kutbu olarak yönelecektir Su, bu yapıya sahip maddelerden biridir Diyamanyetizma özelliği, keşfedilen süperiletkenler için ortak bir özellik oluşturmaktadır Bu özellik Meissner Etkisi olarak bilinmekte olup, kritik sıcaklığın altındaki süperiletken bir malzemeye yüksek olmayan bir alan uygulandığında malzemenin bu manyetik alanı dışarlaması prensibidir

Meissner Etkisi
W Meissner ve R Ochsenfeld tarafından 1933 yılında gözlemlenen bu etkide, manyetik alan içindeki bir süperiletken kritik geçiş sıcaklığına(Tc) kadar soğutulduğunda manyetik alan çizgileri süperiletkenin dışına itilir Manyetik alanın bu şekilde dışarlanması Meissner etkisi olarak bilinir ve bu etki, bir süperiletkenin içinde B=0 olacak şekilde davrandığını gösterir Manyetik alanın dışlanması, perdeleme akımları (shielding currents) olarak bilinen ve uygulanan manyetik alana eşit ve zıt yönde alan oluşturacak yönde süperiletken yüzeyinde akan elektrik akımından dolayı meydana gelir Meissner etkisinin en iyi gösterimi levitasyon durumundaki kalıcı mıknatıs deneyidir

Cooper Çifti
Cooper çiftleri Negatif elektrik yüklü elektron atom örgüsün içinden geçerken pozitif yüklü iyonlarla elektromanyetik etkileşime geçerse Cooper çifti oluşup atom örgüsünün şekli bozulurCooper çiftleri süperiletkendeki akımın taşıyıcılarıdır fonon alışverişi ile bağlı kalırlarFonon kristal titreşim kuantumudurParçalayıcısı düzen parametresiyken adını Leon Neil Cooper'dan alır

BCS Kuramı
Bir metalde atom örgüsünü oluşturan atomların birlikte hareket ettiği biliniyorduBu yapı belli enrji ve frekanslarda titreşiyorduTitreşimin artması fonona bağlıydı frekans ise atom kütlesine bağlıydıCiva için kritik sıcaklığın civa izotopuna göre değişiyordu buda süperiletkenliği fononla ilgisi olduğunu kanıtlıyorduNegatif atom örgüsünün içinden pozitif yüklü iyonlarla elektromanyetik etkileşim yapmasının sonucu elektronları birlikte hareket ettirmeye çalışıyordu ve bu çiftlere Cooper çifti denildi

Kalıcı Mıknatıs Deneyi
Kritik sıcaklığın altına kadar soğutulmuş bir süperiletken maddeye üstten küçük, hafif fakat oldukça kuvvetli bir mıknatıs yaklaştırıldığında, mıknatısın süperiletken madde üzerinde kaldığı gözlenirMıknatıs süperiletkene yaklaştırıldığı zaman süperiletken madde üzerinde bir süperiletken akım meydana getirecektir Manyetik alanın etkisiyle oluşan bu süperiletken akım dışarıdan uygulanan alana eşit fakat zıt yönde bir manyetik alan oluştururSüperiletken madde içerisinde oluşan bu manyetik alan da dışarıdan uygulanan manyetik alanın süperiletken madde içerisine girmesini engelleyecektir Bu engelleme sonucu da süperiletken mıknatıs üzerinde havada kalacaktırBu olay madde süperiletken fazında kaldığı sürece devam edecektir BSC TEORİSİ:Süperiletkenligi anlamaya yönelik genis çapta kabul edilmis ilk teori 1957 yilinda John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer adindaki Amerikali fizikçilerden geldi ve onlara 1972'de Nobel ödülünü kazandirdi BCS teorisine göre elektronlar kristal bir örgünün içinden geçerken, örgü içeri dogru bükülme gösterir ve fonon denen ses paketleri olusturur Bu fononlar deforme olmus alanda pozitif bir yük yatagi yaratarak arkadan gelen elektronlarin ayni bölgeden geçmesine olanak saglarlar Buna göre kritik sıcaklığın altında iki elektron fonon aracılığı ile etkileşerek birbirine bağlanırlar Bu çift COOPER ÇİFTİ olarak adlandırılır

Süperiletkenliğin teknolojik uygulaması
Manyetik Güç Depolama
Maglev Trenleri
Maglev Rüzgar Türbinleri
SQUIDs
Süperiletken Bolometreler
Süperiletken Kablolar