Süper iletken maddeler asla ısınmayan ve enerjiyi kesintisiz aktaran özellikleriyle günümüz teknolojisini bir sonraki adıma taşımaktaki anahtarımız olacaklar. Uçan trenler, kayaklar, şarjı bitmeyen dronelar, ısınmayan devreler, yorulmayan kablolar… Bu yazımızda süper iletkenlik kavramını inceliyoruz.
Süper iletken nedir?
Sıcaklığı belirli bir değerin altında düşürüldüğü zaman doğru akım ile elektriksel dirençleri sıfır olan malzemelere süper iletken denir. Yüksek iletkenlik veya sıfır direnç maddenin içinden sonsuz akım geçmesine olanak tanır.
Yüzlerce malzeme düşük sıcaklıklarda süper iletkene dönüşür. Süper iletkenlerin özellikleri metallerinkinden çok da farklı değildir. Süper iletkenlik, maddenin kritik bir sıcaklıkta veya kritik bir manyetik alan altındaki durumudur.
20’den fazla metalik elementten süper iletken özelliğe sahip malzemeler yapılabilir. Hepsi metal olan 27 kimyasal element, atmosfer basıncında, kendi kristal-grafik formlarında süper iletkenlerdir. Bunlar arasında yaygın olarak bilinenler ise Alüminyum, Kalay, Kurşun, Cıva, Renyum, Lantan ve Proktantiyumdur. Bunlara ilave olarak Uranyum, Selenyum, Seryum ve Silikon gibi metal ve yarı iletken olan 11 element de düşük ısı ve yüksek basınç altında süper iletkendir. Bizmut kendi kristal grafik formunda süper iletken olmamasına rağmen, çok düşük sıcaklıklarda düzenli duruma geçerek süper iletken haline gelebilir. Krom, Manganez, Demir, Kobalt ve Nikel gibi manyetik elementlerin ise hiç birinde süper iletkenlik görülmez.
Bilin süper iletkenlerin birçoğu alaşım veya bileşiktir. Kendisini oluşturan kimyasal elementler süper iletken olmasa bile bir bileşiğin süper iletken olması mümkündür, yani yarı iletken bileşikler de uygun atomlarla yüklenirse süper iletken olabilir.
Süper iletken malzemeleri teknolojik açıdan ön plana çıkaran çok önemli temel özellikleri vardır. Bunların başında elektriksel açıdan doğru akıma (DC) karşı sıfır direnç göstermeleri, normal iletkenler ile karşılaştırıldıklarında oldukça yüksek akım taşıma kapasitesine sahip olmaları gelmektedir. Bu özellikler elektrik akımının taşınmasında, depolanmasında, güçlü mıknatısların yapılmasında, jeneratörlerde ve elektrik ile çalışan hassas cihazların üretilmesinde önemli bir yere sahiptir.
Yüksek frekanslarda son derece düşük diren göstermeleri, çok düşük sinyal dağılımı ve neredeyse ışık hızına yakın hızlarda sinyal taşıma kapasitesine sahip olmaları ise haberleşme, savaş sanayii, bilişim ve mikrodalga teknolojilerinde önem arz etmektedir. Isınmadan, kayıpsız olarak elektrik akımını iletmeleri ve hatta yüksek frekanslarda dahi çok düşün direnç göstermeleri devre elamanları üzerinde veya daha geniş anlamda devrelerde ve cihazlarda ısınma problemini de ortadan kaldırmaktadır.
Süper İletkenlik Nasıl Keşfedildi?
Süper iletkenlik kavram olarak 20. yüzyılda keşfedilmiştir ve sonraki birkaç on yıl boyunca yalnızca küçük bir merak konusu olarak kalmıştır. O zamanlarda süper iletken özellik gösteren maddeler sadece mutlak sıfıra yani -273 derece veya 0 Kelvin’e yakın seviyeye kadar soğutulduğunda bu davranışı gösteriyordu ve bu halleriyle kullanım alanları kısıtlı kalıyordu. Düşük sıcaklık fiziğinden çıkıp özelliklerinin tam olarak açığa çıkması için ise 20. yüzyılın ikinci yarısına kadar beklemesi gerekiyordu.
Süper iletkenlik 1911’de Hollandalı fizikçi Heike Kammerlingh Onnes tarafından keşfedildi. Onnes, cıvanın sıvı helyum ile 4 Kelvin’e kadar soğutulduğunda bütün elektriksel direncinin kaybolduğunu keşfetti ve sonraki araştırmalar kalay, kurşun ve niyobyum gibi birçok metalin çok düşük sıcaklıklarda süper iletkenlik gösterdiğini ortaya koydu. Süper iletkenlik çok ilginç bir buluş olmasına rağmen, çok düşük sıcaklıklarda çalışmanın zorluklarından dolayı bu bulgunun uygulama alanı çok kısıtlıydı. Ardından daha yüksek sıcaklıklarda süper iletkene dönüşebilen maddeler de bulundu. Bilim dünyası süper iletkenlikten etkilense de bu fenomenin nasıl gerçekleştiğine dair pek bir bilgiye sahip değildi.
