Süperiletkenlik

Süperiletkenlik



Elektronun keşfinin ortaya çıkardığı en önemli sonuçlardan birisi süper iletkenliğin bulunmasıdır. Elektron , 19. yüzyılın ortalarında, İngiltere’nin değişik yerlerini gezerek bilimsel konferanslar veren bazı kişiler, bugünkü neon lambalarının atası sayılabilecek bir tür tüp ile dinleyicileri eğlendiriyorlardı. Ellerindeki cam tüplerin içindeki havanın büyük kısmı boşaltılmış, iki ucuna elektrodlar yerleştirilmiş ve bunların uçlarına da teller bağlanmıştı. Bu tellere yüksek gerilim verildiğinde tüpün içinde harika renk desenleri oluşuyordu. Aslında bu ilginç tüplerle ilgili çalışmaların başlangıcı 19. yüzyılın başlarında Michael Faraday’ın çalışmalarına kadar uzanıyor. Faraday bu garip tüplerle, gazlarda elektriksel yük boşalımını incelerken bir ışıma gözlemiş ve bundan, tüpteki havanın boşaltılmasının bir parıltıya neden olduğu sonucunu çıkarmıştı. Tüpün yakınına bir mıknatıs getirip yük boşalımı sırasında ne olacağına bakmayı ilk kez 1858’de Julius Plücker (1801-1868) akıl etmişti. Mıknatıs, yük boşalımında sapma oluşturuyordu. Daha sonra yaptığı çalışmalarda tüpün katodu yakınlarında parlak yeşil bir ışınım görmüş ve mıknatıs kullanarak bu ışık lekelerinin yerini değiştirmeyi başarmıştı. Fakat tüpün havasını yeterince boşaltamadığı için daha ileri gidememişti. 1869’da Plücker’in öğrencisi Johann Hittorf (1824-1914) daha başarılı oldu. Çünkü aradaki yıllar cıvalı pompaların kullanılmasına olanak sağlayacak ve tüp böylece daha iyi boşaltılabilecekti. Hittorf, katotun karşısına yerleştirilen bir nesnenin gölgesini elde etmiş ve bundan da yük boşalımının katottan kaynaklandığı sonucunu çıkarmıştı. “Kathodenstrahlen” yani “katot ışınları” adı 1876’da E. Goldstein (1859-1930) tarafından kondu. 1879’da William Crookes, kendi bulduğu daha gelişmiş bir pompa ile boşalttığı tüplerdeki katot ışınlarının sistematik incelemesini yaptı.
Tüm bu çalışmalar sonucunda ortaya çıkan; katot ışınlarının havası iyice alınmış bir tüpün katodundan geldiği, tüpün karşı duvarına çarpıp orayı ışıttığı, önlerine çıkan nesnelerin keskin gölgeler vermesinden açıkca düz doğrultuda ilerlediği ve kimse emin olmasa da, mıknatıs tarafından saptırıldığıydı...
Peki bu ışınlar ne olabilirdi? O zaman yaygın olan bir görüşe göre, bu ışınlar ışığın hareket etmesi için gerekli ortam olarak kabul edilen ve “eter” adı verilen görünmez akışkanda hareket ediyordu; dolayısıyla bu ışınlar ışık dalgalarıyla benzer olabilirdi. Diğer olasılık ise bunların ışık gibi dalga değil, parçacık olduklarıydı. Bu konu fizikçileri “dalga mı parçacık mı”  tartışmasına sürüklemişti. İlginç olan bu tartışmanın ulusal sınırlarla kamplara ayrılmış gibi görünmesiydi. 1892’de Heinrich Hertz, deneysel kanıtlarıyla, katot ışınlarının parçacık olamayacaklarını, dalga olmaları gerektiğini savundu. Gustav Heinrich Wiedemann (1826-1899), Goldstein ve tüm Alman fizikçilerinin görüşü de bu yöndeydi. Ancak İngiltere’de Crookes, bu ışınların elektrik yüklü parçacıklar olduğunda ısrar ediyordu.  Kelvin, J.J. Thomson ve diğer tüm İngiliz fizikçiler de bu görüşü desteklediler. Kısacası Alman fizikçiler “dalga”, İngiliz fizikçiler ise “parçacık” diyorlardı. 
Bu belirsizliği çözmek için daha güvenilir deneylere gereksinim vardı. Camın kenarına mıknatıs yaklaştırıldığında ışınların saptığı biliniyordu; yani ışınlar manyetik alandan etkileniyordu. Ancak, Heinrich Hertz, katot ışınları tüpünün içinde metal plakalar yardımıyla oluşturduğu elektrik alandan bu ışınları geçirdiğinde bir sapma gözlememişti, yani elektrik alandan etkilenmiyor ve elektriksel olarak yüksüz gibi davranıyorlardı. Hertz ve öğrencisi Philip Lennard, bu ışınların yolu üzerine ince bir metal folyo yerleştirdiler ve camın hâlâ parıldadığını gözlediler; ışınlar folyodan geçiyorlardı! Bu da ışınların dalga olması gerektiği savını doğruluyordu. Fakat başka bazı deneyler bunların parçacık olduğu yönündeki şüpheleri destekliyordu. Örneğin Fransa’da Jean Perrin katot ışınlarını eksi yüklü olduklarının deneysel olarak kanıtlamıştı. Perrin, iyi boşaltılmış bir tüpte ürettiği katot ışınlarını Faraday kafesine gönderdi ve eksi yük taşıdıklarını gösterdi. Bir mıknatısla saptırılabiliyor ve mıknatısın hareketine bağlı olarak yönlendirilebiliyordu.  1897 yılının ocak ayında, Almanya’da Emil Wiechert, şaşırtıcı bir ölçüm yaptı. Bu ışınların yüklerinin kütlelerine oranını ölçtü ve bu oranın en küçük yüklü atomunkinden binlerce kat daha az olduğunu belirledi. Bu sonucu değerlendiren Lennard’a göre bu ışınlar eğer parçacıksa kütleleri çok küçük olmalıydı.  İşte tam bu sıralarda, Thomson da Cavendish’te bu garip ışınlarla uğraşmaktaydı... Katot ışınları ile ilgili tüm çalışmaları dikkatle izleyen Thomson, bazı eski deneyleri daha dikkatli olarak tekrar yaptı. Ancak verileri biraraya getirdiğinde çarpıcı bir sonuç onu bekliyordu: Katot ışınları yalnızca sıradan parçacıklar değil, aslında o zamana dek bölünemez olduğu düşünülen atomun yapı taşlarıydı, yani evrendeki tüm maddenin uzun süredir aranan temel birimi... 
Thomson’a göre atom, maddenin temel yapıtaşı değildi; atomun kendisi de küçük temel öğelerden oluşuyordu. Thomson, katot ışınlarının, atomların bu çok küçük parçacıklarının akışı gibi düşünülebileceğini iddia ediyordu. Yaptığı  üç önemli deney onu bu sonuca götürmüştü.
Bu deneylerden ilkinde Thomson, Perrin’in 1895 yılında yaptığı deneyi biraz farklı olarak yineledi. Thomson, uçlarında, birer çift yarığa sahip metal silindirler bulunan bir katot ışınları tüpü yaptı. Bu silindirler, elektrik yüklerini yakalayıp ölçmeye yarayan bir elektrometreye bağlanmışlardı. Thomson, ışınları bir mıknatıs yardımıyla saptırarak yükü bu ışınlardan ayırabileceğini görmek istiyordu. Işınlar, silindirlerdeki yarığa girdiklerinde elektrometre çok büyük miktarda eksi elektrik yükü ölçüyor, fakat mıknatıs tarafından saptırıldıktan sonra, diğer uçtaki silindirde elektrometre hiç eletrik yükü ölçmüyordu, yani hiç bir yük bu uçtaki yarığa ulaşmıyordu. Her nasılsa, eksi elektrik yükleri ve katot ışınları birbirlerine yapışıyor ve bunları birbirlerinden ayırmak mümkün olmuyordu. 
Daha önce yapılan deneylerde, elektrik alanında katot ışınları saptırılamamıştı. Fakat Thomson şimdi yeni bir yaklaşım öne sürüyordu. Normalde, yüklü bir parçacık elektrik alanının içinde hareket ederse sapar, fakat etrafı bir iletkenle çevriliyse bu olmaz. Thomson bundan hareketle, tüpte kalan az miktardaki gazın katot ışınları tarafından elektriksel iletkene dönüştürüldüğünü, yüklerin bu nedenle elektrik alanda sapmadığını düşündü. Bunu denemek için, tüpteki gazın tamamını boşaltmaya çalıştı ve böylece katot ışınlarının elektrik alanda da saptıklarını gözledi.
Thomson bu iki deneyinin sonuçlarını şöyle bildiriyordu: “Katot ışınlarının madde parçacıklar tarafından taşınan eksi elektrik yükleri olduğunu kabul etmekten kaçış olmadığını gördüm”. Ve onu sonuca götürecek sorularla devam ediyordu: “Bu parçacıklar neydi? Atom mu, molekül mü yoksa maddenin daha küçük birer parçası mı?” Thomson’un üçüncü deneyi, bu parçacıkların temel özelliklerini belirlemenin yolunu bulmak içindi. Herhangi bir parçacığın doğrudan kütlesini ya da elektriksel yükünü ölçemese de, manyetik alanda ışınların ne kadarının saptığını ve ne kadar enerji taşıdıklarını ölçebiliyordu. İşte bu veriler yardımıyla bir parçacığın yükünün kütlesine oranını hesapladı. Bunu farklı gazların kullanıldığı çok sayıda tüp kullanarak tekrarladı.

Sonuçlar son derece şaşırtıcıydı. Bir yıl önce Emil Wiechert’in söylediği gibi, katot ışınlarının yük/kütle oranı, yüklü bir hidrojen atomunun yük/kütle oranından birkaç bin kez daha küçüktü. Buna göre, ya katot ışınlarının yükü yüklü bir atoma oranla çok fazlaydı ya da bu ışınlar yüküne göre şaşırtıcı derecede hafifti. 
  Bu olasılıklardan hangisinin doğru olduğu Philip Lennard tarafından açıklığa kavuşturuldu. Lennard, katot ışınlarının gaza nasıl nüfuz ettiğini denerken, herhangi bir atomun kütlesinden çok daha küçük kütleye sahip parçacıklar olduklarını gösterdi. Kanıt o sıralar kesinlikten uzaktı, ancak daha sonraları yapılan deneyler bu sonucu kesinleştirdi.
  Thomson varsayımını açık olarak şöyle ifade ediyordu: “Katot ışınları sözkonusu olduğunda, maddenin yeni bir haliyle karşı karşıya kalıyoruz. Öyle bir hal ki, madde, sıradan gaz haline göre çok daha ileri aşamalarına kadar alt bileşenlerine indirgenebiliyor. Böylece, tüm kimyasal elementlerin yapılmış oldukları, tek tip bir alt bileşenle yüz yüze kalıyoruz
Thomson, 1897 yılında yaptığı bu deneylere dayanarak katot ışınları ile ilgili 3 önemli varsayım ileri sürdü: 
1. Katot ışınları yüklü parçacıklardır. (Bu parçacıklara “korpüskül” diyordu)
2. Bu korpüsküller atomun yapıtaşlarıdır. 
3. Bu korpüsküller yalnızca atomun yapıtaşlarıdır.
  Thomson’un bu varsayımlarına ilk başta şüpheyle yaklaşıldı. Özellikle ikinci ve üçüncü varsayımlar çok tartışmalıydı. Bunu yıllar sonra Thomson şöyle anlatıyordu: “Başlarda, atomlardan daha küçük bu gibi cisimlerin varlığına inanan pek az insan vardı. Hatta, verdiğim bir konferansın izleyicileri arasında bulunan ünlü bir fizikçi sonradan bana ‘Bizimle dalga geçiyormuşsunuz gibi geldi’ demişti”. 
Bu ‘korpüsküller’e kısa bir süre sonra yeni bir isim yakıştırıldı: “Elektron”. Bu sözcük ilk kez 1891 yılında G. Johnstone Stoney tarafından kullanılmıştı. Stoney “elektron”u, bazı kimyasal maddelerden elektrik akımı geçirdiği deneylerinde bulduğu yük birimine isim olarak yakıştırmıştı. Terimi bu anlamda ilk kez Thomson’un Cambridge’deki sınıf arkadaşı Joseph Larmor kullanmıştı. Larmor, elektronu eter içinde bir olgu olarak tanımladığı bir de teori ortaya atmıştı. Fakat teorisi, elektronu atomun bir parçası olarak tanımlamıyordu. 1897 yılında ise İrlandalı fizikçi George Francis FitzGerald, Thomson’un parçacıklarının (korpüsküllerinin) gerçekten “serbest elektronlar” olduğunu öneriyor, fakat bunu Thomson’un değil Larmor’un teorisiyle açıklıyordu. 
Daha sonraları anlamlarındaki ufak tefek değişiklerle birlikte, Thomson’un ikinci ve üçüncü varsayımları da kabul gördü. Thomson, Lennard ve başkalarının 1897 yılı boyunca yaptığı deneyler bazı belirsizlikleri ortadan kaldırmaya yeterli olmadı. Fakat izleyen yıllar boyunca yapılan başka deneyler tam olarak her şeyi açıklıyordu. Ve atom fiilen olmasa da teorik olarak bölünüyordu!..
Atomun maddenin temel yapıtaşı olmayıp onu oluşturan daha temel birimlerin ortaya çıkması, atom hakkında yeni teoriler geliştirmeyi gerekli kılıyordu. Thomson’un dediği gibi atomlar yalnızca elektronlardan oluşuyorsa, bu parçacıklar atomu nasıl oluşturuyordu? Thomson bunun için bir atom modeli öne sürdü: Thomson’a göre atom, binlerce minik eksi elektrik yüklü parçacığın, kütlesiz bir artı yük bulutunun içinde kümelendiği bir yapıydı. Bu modele “üzümlü kek” adını vermişti. Bir süre sonra bu teorinin yanlış olduğu kendi öğrencisi olan Ernest Rutherford tarafından gösterildi. Rutherford, farklı parçacık demetleri kullanarak, atomun küçük bir çekirdeğe sahip olduğuna ilişkin kanıtlar buldu. Rutherford, atomun Güneş Sistemi’nin küçük bir benzeri olduğunu, yani ortada artı yüklü çekirdek ve etrafını çevreleyen birkaç elektrondan oluştuğunu öne sürdü. Bu çekirdeğin proton ve nötron adı verilen ve elektronlardan çok daha ağır olan parçacıklardan oluştuğu sonradan ortaya çıktı 

Süperiletkenlik

Elektronun keşfinin ortaya çıkardığı en önemli sonuçlardan birisi süperiletkenliğin bulunmasıdır. Elektrik akımı, yani elektronların akışı, iletken kablolar yardımıyla sağlanır. Fakat bu metal kabloların elektriksel dirençleri vardır ve akımın telden akması sırasında bu direnç nedeniyle enerjilerinin bir kısmı atık ısıya dönüşür. Süperiletken malzemelerde ise neredeyse hiç elektriksel direnç yoktur. Dolayısıyla elektrik akımı bir süperiletkenden hiç enerji kaybına uğramadan akabilir.

Süperiletkenliğin keşfi yüzyılımızın başlarında oldu. Danimarkalı fizikçi Kamerlingh Onnes 1908 yılında mutlak sıfırın birkaç derece üstündeki sıcaklıklarda civanın elektriksel direncini ölçerken 4,2 °K’de direncin aniden sıfıra gittiğini gözledi. Daha sonraları, bu mükemmel iletkenliğe keskin geçişin başka metal ve alaşımlarda da olduğu bulundu ve bu olguya süperiletkenlik adı verildi.  

Bir metal, özelliklerine bağlı olarak değişen ve geçiş sıcaklığı adı verilen belli bir sıcaklıkta süperiletken hale gelir. Örneğin çinko için bu sıcaklık 0,88 °K iken kurşun için 7,2 °K dir. 
Süperiletkenlik olgusu elektronların davranışıyla belirlenir: Süperiletken bir metalin kristal örgüsündeki serbest elektronların, cıvarlarındaki 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 Çftleri” 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.

BiSrCaCuO (2223) CAM-SERAMIK SÜPERILETKEN SISTEMINE KÜÇÜK YARIÇAPLI IYONLARIN KATILMASI VE SISTEMIN FIZIKSEL VE ELEKTRIKSEL ÖZELLIKLERINE ETKILERININ INCELENMESI

Süperiletkenlikte temel amaç geçiş sıcaklığı Tc yi yukarıya çekmektir. Bu nedenle Süperiletken sistemlere farklı elementler ilave edilmekte veya daha değişik kompozisyonlar hazırlanmaktadır.
Bu çalışmada, cam-seramik yöntemi kullanılarak nominal kompozisyonu
Bi2-xGaxSr2Ca2Cu3O10+y ve Bi2-xZnxSr2Ca2Cu3O10+y (x=0.2, 0.4, 0.6, 0.8 ve 1.0) olan numuneler hazırlandı. Elde edilen amorf örnekler farklı periyotlarda ve sicaklikta isil isleme tabi tutuldu. Isıl işlem süresince meydana gelen mikroyapisal değişiklikler diferansiyel termal analiz (DTA), X-ışınları analizi (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve direnç-sıcaklık ölçümleri (R-T) ile analiz edildi. Analiz sonuçları galyum katılan sistemin kristal yapısında bir değişim olduğunu ve buna paralel olarak ta Süperiletken özelliğinin azaldığını ortaya koymuştur. Çinko katılan sistemde ise kristal yapıda önemli bir değişiklik olmamakla birlikte Süperiletkenlik özelliğinde azda olsa bir değişme ortaya koymuştur.
Her iki katılma için BiSrCaCuO sisteminin üç fazı da, n=1, n=2 ve n=3, elde edilmiştir. Özellikle katkı miktarı arttıkça n=1 fazına doğru değişim olmuştur.
Cam olarak elde edilen her iki sistemin kristalleşme aktivasyon enerjileri de hesaplanmış ve değerler 260 ile 336 kJ/mol. olarak bulunmuştur.
Sonuç olarak Bi iyonundan daha küçük yarıçaplı Ga ve Zn iyonlarının
BiSrCaCuO sistemine katılması sistemin Süperiletkenlikgini olumsuz etkilemiştir.
Şuan bilimdeki son gelişmeler olarak

Süperiletken plastik :

Elektrik iletebilen ilk plastigi gelistiren Bell Laboratuari mühendisleri yeni bir süper iletken yaratti ASSOCIATED PRESS 9 Mart Amerikalı bilim adamlarının, hiçbir dirençle karşılaşmadan elektrik iletebilen ilk plastiği yarattığı belirtildi. Bell Laboratuarları’nda gerçekleştirilen çalışma, bağımsız uzmanlarca şaşkınlık verici bir gelişme olarak nitelendirildi. Yeni çalışmalara ışık tutması beklenen araştırma, uzun vadede, kuantum mekaniği tabanlı ultra hızlı bileşenler için, plastik bileşenlerin üretilmesine yol açabilir. Süperiletken özelliğine sahip plastik, Bell Laboratuarlari’nda Bertram Batlogg ve ekibi tarafından geliştirildi. Ancak, plastiğin süperiletken özelliğini sadece - 455 Fahrenheit ya da yaklaşık - 270 santigrad dereceye soğutulduğu zaman kazandığına dikkat çeken araştırmacılar, plastiğin pratik kullanımının halen uzak bir ihtimal olarak gözüktüğünü söyledi.
Bilim adamlarının bundan önceki karbon tabanlı polimerleri Süperiletkenlere çevirme girişimleri başarısızlıkla sonuçlanmıştı. Polimerlerinin çoğu dağınık bir atom yapısına sahip olduğu için direnç oluşturarak, elektronların akısını engelliyor.
Bell Laboratuarlari’ndaki deneyde ise araştırmacılar, politiopen (polythiophene) adi verilen bir plastik kullandı.
Bu polimeri içeren bir çözelti hazırlanarak, alüminyum oksit ve altından oluşan katmanın üzerine ince bir film tabakası halinde püskürtüldü. Metal ve plastikten oluşan bu katmanlar tarafından yaratılan elektrik alani, hiç bozulmadan elektronları çekti.

Kaynak :
İnternet taraması
1


1