SOĞUKLA DİRENCİ KIRMAK-SÜPERİLETKENLİK

Geçtiğimiz yılların fizik alanındaki en büyük keşiflerinden biri, “Higgs bozonu” denilen parçacığın Avrupa’daki CERN laboratuarlarında bulunmasıydı. O zamanki haberleri hatırlarsanız, “Tanrı parçacığı bulundu!” tarzı haberler günlerce televizyonlarda ve gazetelerde baş köşeye yerleşmişti. Elbette keşfin anlatılışı, CERN’ün etkileyici bazı fotoğrafları olmadan mümkün olamazdı.

Bu fotoğraflar arasında en bilinenlerinden ikisi, deneylerde kullanılan CMS dedektörünün resmi ve CERN parçacık hızlandırıcısının Fransa-İsviçre sınırındaki konumunu gösteren haritadır. Bu haritaya şöyle bir bakarsak, yarıçapı 30 km olan bir çember olduğunu görürüz. Neden bu kadar büyük bir yapıya ihtiyaç duyulduğunu ve bunun ne amaçla kullanıldığını sorarsanız, ‘parçacıkları ışık hızına çok yakın hızlara çıkarmak için’ cevabını alırsınız. İlk başta pek bir anlam veremeseniz de, ‘ışık hızına çok yakın’ hızların saniyede yaklaşık 300,000 km olduğunu düşününce, bir etkilenme hissi bünyenizi sarabilir; bu hızla İstanbul-Ankara arasını bir saniye içinde 500 kere katedebilirsiniz. Peki ama nasıl oluyor da bu yüksek hızlara çıkabiliyoruz? Ne gibi malzemeler kullanıyoruz da sürtünmeden etkilenmeden hızımızı ışık hızına yaklaştırabiliyoruz? Dahası, bu nasıl bir teknolojidir ki trenleri yerden beş-on santim yükseltip saatte 550 km’lik hızlarla sürebiliyoruz? Bütün bu soruların cevabıni takip ederseniz, sonunda kendinizi modern fiziğin en harika buluşlarından birisi olan süperiletkenlerle karşı karşıya bulursunuz.

Telefonunuzu veya bilgisayarınızı şarj ederken güç adaptörünün ısındığını eminim farketmişsinizdir. Bu ısınmaya yol açan şey, adaptördeki kabloların ve diğer elektronik kısımların elektrik akımına karşı verdiği dirençtir. Telefonunuzu adaptöre bağladığınız zaman devredeki elektronlar kablolardan geçip pilinizi doldurmaya çalışırken, elektronik kısmı oluşturan malzemeler de bu isteğe karşı koyup elektronları göndermeye pek niyetli değildir. İşte bu isteksizlik, devrede bir elektrik direncinin oluşmasına yol açar. Daha yüksek direnç, daha fazla ısı demektir. Bu yüzden, eğer oluşan ısıyı düşürmek isterseniz, iletkenliği daha yüksek malzemeler kullanmayı düşünmelisiniz. En mükemmelini isterseniz de, süperiletkenlere başvurmalısınız çünkü süperiletkenlerde diğer malzemelerde alışkın olduğuklarımıza karşın herhangi bir elektrik direnci olmaz!

İki paragrafttır ‘süperiletken, süperiletken’ deyip durdum ama size onların aslında tam olarak ne olduğunu, neler yaptıklarını ve bizim (insanlığın, benim değil) onları nasıl ürettiğini anlatmadım. Sıra bunlarda.

Süperiletkenler, isim olarak çok havalı olsalar da, genel olarak bildiğimiz malzemelerden hiç de farklı değillerdir. Süperiletkenlik, belli bir sıcaklığın altında bazı maddelerin içinde bulunduğu fiziksel bir haldir. Örneğin, bildiğimiz cıva, -269 derecede süperiletken hale geçer. Bu sıcaklığın üstünde, bizim bildiğimiz civadır ama bir kez o sınırın altına indi mi, artık elinizde bir süperiletken vardır. Sadece civa değil, aliminyum da süperiletkenlik özelliğini gösterir, ama -272 derece civarında. -273.15 derecenin 0 Kelvin dediğimiz sıcaklığa denk gelmesi ve 0 Kelvin (0 K/-273.15 derece)’in de erişilebilecek en düşük sıcaklık olması, süperiletkenliğin ne kadar düşük sıcaklıklarda ortaya çıktığını anlamınıza yardımcı olacaktır. Bu denli düşük sıcaklıklara nasıl olup da inebildiğimizi, Açık Bilim’de daha önce yazmıştım, ama burada da kısaca özetleyeyim; hiç kolay değil! O yüzden, bilim dünyası yaklaşık 50 yılldır süperiletkenliği daha yüksek sıcaklıklarda elde etmeye çalışıyor. Bunun için saf metallerden farklı olarak bakır içeren bileşikler kullanıyorlar ve şimdiye kadar ulaştıkları en yüksek sıcaklık -138 derece, eğer buna sıcak derseniz tabii! Gene de, süperiletkenlikle ilgili bilmemiz gereken ilk şey, sadece belli sıcaklıkların altında ortaya çıktığıdır ve günlük hayatta kullandığımız pek çok malzemenin de bu potansiyele sahip olduğudur.

Süperiletkenliğin nasıl çalıştığını anlamadan önce, kendisinin tam olarak ne olduğunu ve ne gibi özellikler gösterdiğini bilmemizde fayda var. Yazının başlarında, sıfır elektrik direncinin süperiletkenliğin bir özelliği olduğunu söylemiştim. Her ne kadar yeterli bir özellik gibi dursa da, süperiletken olabilmek için yeterli değildir sıfır direnç. Malzememizin aynı zamanda “Meissner etkisi” denilen etkiyi de göstermesi, yani elektrik akımından kaynaklanan bütün manyetik alanı kendi içinde yok etmesi gerekmektedir. Dahası, “süperiletken hal geçişi” dediğimiz, belli bir sıcaklığın üstünde süperiletken olmayıp da daha düşük sıcaklıklara indiğimizde bu özelliği görmemizi sağlayan geçişin de var olması gerekmektedir. Bu üç özelliği bir araya getirebilirseniz, elinizde bir süperiletken var demektir.

Meissner etkisi, süperiletkenliğin en çarpıcı özelliklerinden bir tanesidir. Normalde, bir iletkene mıknatıs yaklaştırırsanız, mıknatısın oluşturduğu manyetik alan iletkenin içine işleyecektir. Ayrıca, bu iletkenden kalkıp akım geçirirseniz, belli bir manyetik alan oluşturabildiğinizi de göreceksiniz. Meissner etkisi ise, bu alışageldiğimiz özelliklerin tam tersi olan bir durum. Bu etki nedeniyle, süperiletken halde olan madde, kendi içindeki bütün manyetik alanı sıfırlamaya çalışacaktır. Bu yüzden, eğer siz hiçbir mıknatıslık özelliği olmayan bir metali süperiletken yaparsanız, bir anda bütün mıknatısları ittiğini göreceksiniz. İşte bu özellik, Meissner etkisi olarak geçer ve koskoca bir treni havaya kaldıracak kadar kuvveti bize verir. Gene bu sayede, bilinen en güçlü mıknatısları da üretebiliyoruz ve bunları da CERN’deki parçacık hızlandırıcı gibi yerlerde kullanıp çok yüksek hızlara çıkabiliyoruz.

Bütün bu alışılmadık iletkenlik ve manyetik özelliklerin altında yatan fizik, en az bu özelliklerin kendisi kadar karmaşık ve ilgi çekici. Daha iyi anlayabilmek için, tarihte şöyle biraz geriye, 1900’lerin başına gidelim.

19. yüzyılın sonunda, yeryüzünde düşük sıcaklıklarda yapılan en ileri deneylerin merkezi Hollanda’da bulunan Leiden Üniversitesi, Onnes Kammerlingh laboratuarıydı. Kammerlingh ve ekibi, burada maddeleri soğutmanın yollarını arıyorlardı. Soğutmak diyorsam, -273 dereceye, yani 0 Kelvin’e ulaşmaya çalışıyorlardı. Bu amaç doğrultusunda, daha önce hiç gerçekleştirelememiş bir amacı tamamladılar ve 1908 yılında helyumu sıvılaştırmayı başaran ilk grup oldular. 1.2 Kelvin’de gerçekleşen hal değişimi, sadece sıvı helymun özelliklerini öğrenmeye başlamalarını sağlamadı; aynı zamanda sıvı helyumu kullanarak diğer malzemeleri de çok düşük sıcaklıklara indirmelerini de kolaylaştır. Bu sayede, bütün ilgilerini, o yıllar yoğun bir şekilde tartışılan “düşük sıcaklıklarda metallerin iletkenliğine ne olur?” sorusuna yoğunlaştırabildiler. O zamanlar yaygın olan görüş, 0 Kelvin’de metallerin bütün dirençlerini yitireceği ve bu yüzden de akımın hiçbir dirence maruz kalmadan akacağı yönündeydi. Yapılan deneyler bu fikri destekler bulgular vermişti, fakat kimse 0 K’e yaklaşamadığı için sonuçlar yetersizdi. Kamerlingh ve ekibi, civa üzerinde yaptıkları deneyde tam 4.19 K’de, civanın direncinin o zamana kadar bilinen bütün iletkenlerden 100 kat daha düşük bir değere geldiğini, sıcaklıkığı arttırınca da direncin geri geldiğini gördü. 1913 yılında tamamlanan bu deney dizisi ile Kamerlingh ve ekibi süperiletkenliği bilim dünyası ile tanıştırdılar ve Kamerligh gene aynı buluşundan dolayı 1913 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı.

Her büyük buluş, devamında daha büyük sorular getirir. Süperiletkenlikte de durum değişmedi. 1933 yılında, Meissner ve Ochsenfeld isimli iki araştırmacı, süperiletkenlerin manyetik alanı dışladığını ve malzemenin içinde manyetik alanın kaybolduğunu gösterdiler. Meissner etkisi adını alan bu olgu, cevaplanması gereken oldukça ciddi bir soruydu. Cevabı ise, 1935 yılında London kardeşlerden geldi. Onların kuramına göre, süperiletkenler dışarıdan uygulanan manyetik alanı kendi yüzeylerinde bir elektrik akımı oluşturarak dışlıyordu. Yani, dış manyetik alan yüzeyde bölgesel bir elektrik akımı tetikliyor, elektriğin yarattığı manyetik alan da dışarıdan uygulanan alanı ortadan kaldırıyordu. Bu ‘sıfırlama’, sadece süperiletkenlerde gözüken ve onları sıfır dirence sahip “mükemmel iletkenler”den ayıran en önemli özelliklerden bir tanesidir.

Bütün bu gelişmeler ve ortaya atılan teoriler, süperiletkenliği bir nebze açıklayabiliyordu, ama temel prensipleri kullanarak, yani kuantum mekaniğini işin içine sokarak, geliştirilen bir teori henüz mevcut değildi. Landau ve Ginzburg tarafından geliştirilen teori pek çok özelliği açıklamakta başarılı olsa da, gene de temel yasalardan elde edilmemişti ve bu durum da fizik dünyasında kabul edilebilir bir durum değildi. Süperiletkenliğin tarihinde meydana gelen en büyük kuramsal atılım ise, 1957 yılında Cooper, Bardeen ve Schrieffer isimli üç Amerikalı tarafından gerçekleştirildi.

Cooper, Bardeen ve Schrieffer teorisine kısaca BCS teorisi denir ve çok düşük sıcaklıklarda gerçekleşen süperiletkenlik olgularını açıklamakta kullanılır. Teorinin dayandığı temel ilke ise, gene süperiletkenler kadar sıradışı olan Cooper ikilileri denen elektron çiftleridir. Teoriye göre, belli bir sıcaklığın altında, elektronlar birer çift oluşturarak elektrik akımının herhangi bir direnç olmadan iletilmesini sağlar. Elektron çiftlerindeki sıradışılık ise, elektronların eksi yüklü olması ve bu yüzden çiftler halinde gezinmelerindense birbirlerini itmeyi tercih etmesidir. O halde, nasıl bir araya geliyorlar? Elektronların bu birlikteliği, metalde bulunan atomların çekirdekleri olmasa mümkün değildir. Şöyle düşünelim; metalin içinde sayılamayacak kadar çok atom vardır. Bu atomların her birinde de, atoma daha gevşek bağlı ve bu yüzden de hareket etmeye yatkın elektron(lar) vardır. Elektronlar birbirlerini iter ama atom çekirdeklerini çekirdeklerin artı yüklerinden dolayı çeker. Bir elektron metalde hareket ettiği zaman, diğer çekirdekleri etkiler ve onların kendisine doğru yaklaşmasını sağlar. Eğer elektron hareket halindeyse, bir an sonra artık orada bulunmayacaktır ama etkilediği çekirdekler, elektronlara göre çok daha yavaş hareket ettikleri için hala o bölgede bulunacaklardır. Bu durumda, oraya daha yakın pek çok artı yüklü çekirdek olacak ve bu yüzden de bu bölgede elektronları çeken bir artı yüklü bölge oluşacaktır. Cooper, bu etkileşim sayesinde, yani elektronların bir nevi arkalarında bıraktıkları artı yüklü işaretler sayesinde, diğer elektronların da etkilenebileceğini ve bu şekilde birer elektron çifti haline gelebileceklerini gösterdi. Oluşan bu elektron çiftleri de, belli sıcaklıkların altında herhangi bir dirence maruz kalmadan akabilecek halde oluyorlar ve bu sayede de süperiletkenlik denilen olguyu görüyoruz.

Cooper, Bardeen ve Schrieffer üçlüsü geliştirdikleri teori sayesinde 1972 yılında Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldüler. Bu teorinin süperiletkenlik ile ilgili kuramlarımız arasında sonuncu olmasını bekleriz, çünkü BCS teorisi ile o zamana kadar bulunan bütün süperiletkenler açıklanabilir hale gelmişti. Gelin görün ki, 1986 yılında Berdnoz ve Mueller, BCS teorisine uymayan ve 35 K’de süperiletken hale gelen lantanyum-bakır karışımı bir peroksit ürettiler. Bu bileşik BCS teorisine uymuyordu çünkü 35 K gibi görece çok yüksek bir sıcaklıkta süperiletken hale geliyordu. İlerleyen yıllarda bakır temelli bileşikler ile 92 K’e kadar süperiletkenlik gösteren malzemeler bulundu. Yüksek-sıcaklık süperiletkenleri denen bu tip malzemeleri açıklayacak bir teorimiz ise henüz mevcut değil maalesef.

Cıva ve aliminyum gibi birkaç Kelvin’de süperiletken olan maddelerin çok geniş bir kullanım alanı olmasa da, yüksek sıcaklıklarda da bulunabilen bu yeni nesil süperiletkenler çok geniş bir kullanım alanına sahiptir. Elde edilmelerindeki kolaylık, çünkü 70 K’e kadar inmek artık çok çok sıradan bir iş, süperiletkenlerin sıradışı iletkenlik özelliklerinin ticari anlamda kullanılmasını sağladı. Öncelikle, Meissner etkisi sayesinde mıknatısları iten çok güçlü süperiletkenler yapabiliyoruz; yüksek hızlı trenlerde sıvı azotla soğutularak elde edilen, sürtünmesi azaltılmış ulaşım yolları ve hastanelerde kullanılan manyetik rezonans (MR/MRI) cihazları, hep bu tarz süperiletken malzemeler kullanıyorlar. Düşen direnç sayesinde, elektrik akımını hiçbir kayıp olmadan iletmemizin yolları giderek daha ulaşılabilir hale geliyor. Dahası, çok daha güçlü akımları taşıyan kablolar da yapabiliyoruz. Yazının başında bahsettiğim CERN’deki parçacık hızlandırıcılarda süperiletkenlerin bu özellikleri kullanılıyor. Dahası, iki süperiletken arasında meydana gelen akımdan dolayı, oldukça hassas ölçümler yapabiliyoruz ve malzemelerimizin manyetik özelliklerini kontrol edebiliyoruz. Josephson bağlantısı denilen bu özellik sayesinde, günün birinde kuantum bilgisayarlara giden kapıyı aralamış olabiliriz.

Süperiletkenler günümüzde hem bilim dünyasında hem de ticari mecralarda oldukça sıkı bir şekilde araştırılan konulardan bir tanesi. Bulunmaları dünyayı daha şimdiden çok büyük teknolojik atılımlara sürükledi. Önümüzdeki yıllarda giderek daha iyi anlaşılmaları ve daha çok alanda kullanılmalarını beklemek saflık olmayacaktır. Gene de, bize ne gibi ufuklar açacaklarını ancak zaman gösterecek.