Süperiletkenlik: Revizyonlar arasındaki fark

{{düzenle|Ağustos 2011}}

 

 

 

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 .

 

Süper iletkenler sıfır elektriksel dirence sahiptirler. Bunun yanında manyetik alanı itme gibi bir özellikleri daha vardır (diamanyetik). Yüklü bir parçacık bir eksen etrafında döndüğünde bir manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alanın yönünü parçacığın dönme yönü belirler. Atomlarda manyetik alan oluşturan tanecik elektrondur. Proton ve nötronun etkisi çok küçük olduğundan ihmal edilir. Bir atomun veya molekülün elektron dizilişi yazıldığında bazılarının eşleşmiş bazılarının ise eşleşmemiş olduğu görülür. Eşleşmiş elektronların dönme yönleri birbirine ters olduğundan oluşturdukları manyetik alanlar birbirlerini sıfırlayacaklardır. Elektron dizilişi yazılan maddenin bütün elektronları eşleşmiş ise net bir manyetik alan oluşmayacağından bu tür maddeler manyetik alandan etkilenmezler ve diamanyetik olarak isimlendirilirler. Bu olaya Meissner etkisi (akı dışarlanması) adı verilir.

 

 

 

Öncelikle, Cooper çiftlerini oluşturan elektronlar tek bir atoma bağlı değil. Bunlar, aynen metallerdeki gibi malzeme içinde serbestçe dolaşan elektronlardan oluşuyor. Bazı atomların (metal atomları) en dış kabuklarındaki elektronlar atomlara diğerlerinden çok daha zayıf bağlanmıştır. Atomları bir araya koyarak malzemeyi oluşturduğunuzda, bu elektronlar bir atomdan diğerine rahatça geçerek, malzeme içinde serbestçe dolaşmaya başlarlar. Küçük bazı farklar dışında bu hareket parçacıkların boş uzaydaki hareketine oldukça benziyor. Biz bu tip malzemelere “metal” diyoruz. Süperiletkenlik de metallerde, bu serbest elektronların birbirleriyle “bir şekilde” etkileşerek Cooper çiftleri oluşturmasıyla oluşuyor. Etkileşme BCS tipi dediğimiz süperiletkenlerde, atomların titreşmesi aracılığıyla gerçekleşiyor. Yani, bir elektron çevresindeki atomların titreşmesine neden oluyor, bu titreşimler uzağa yayılıyor ve başka bir elektronun hareketini etkiliyor. Fakat elektronların etkileşmesi için bu tek bir olası mekanizma değil. Özellikle seramik süperiletkenlerde başka etkileşme mekanizmalarının olduğu düşünülüyor.

Cooper çiftlerinin oluşmasının neden sıfır dirence yol açtığı sorusununsa basit bir cevabı yok. Standart, Bose-Einstein yoğuşması cinsinden açıklaması şöyle: Kuantum kuramına göre elektron bir fermiyondur; yani aynı kuantum durumunda bulunamayan, Pauli dışlama ilkesine uyan parçacıklar. Buna karşın çift sayıda fermiyon içeren bir sistemse bir bozondur. Bozonlar da, fermiyonların aksine aynı kuantum durumunda bulunmaya çalışır. Örneğin helyum atomu, 2 proton, 2 nötron ve 2 elektrondan, dolayısıyla 6 fermiyondan oluşan bir bozondur. Bose-Einstein yoğuşması olayında, bozonların büyük çoğunluğu aynı kuantum durumuna girer. Bu durumda, eğer bir takım bozonlar bir yöne doğru sabit hızla hareket ediyorsa, bütün diğer bozonlar da aynı yöne doğru aynı hızla gitmek isteyecektir. Belli bir sıcaklığın altında sıvı helyumda gördüğümüz “süper akışkanlık” bu kuantum olgusundan kaynaklanıyor. Süperiletkenlerde de Cooper çiftleri bir bozon gibi davranıyor (ama, bir Cooper çiftini, değişmez bir parçacık olarak düşünmek pek doğru değil). Dolayısıyla, akım taşıyan bir durumda, bütün Cooper çiftleri aynı yönde, aynı hızla hareket etme eğiliminde. Dolayısıyla, bu akımdan bir Cooper çiftini çıkarmak (yavaşlatmak) enerji isteyen bir olay, normal dirençli metallerdeki gibi dışarıya enerji veren bir olay değil.

 

 

Süperiletkenliği anlamaya yönelik geniş çapta kabul edilmiş ilk teori 1957 yılında John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer adındaki Amerikalı fizikçilerden geldi ve onlara 1972'de Nobel ödülünü kazandırdı. Bu teori BCS teorisi olarak bilinmekte olup, adı bilimadamlarının soyisimlerinin başharflerinden derlenmiştir.

 

BCS teorisine göre elektronlar kristal bir örgünün içinden geçerken, örgü içeri doğru bükülme gösterir ve fonon denen ses paketleri oluşturur . Bu fononlar deforme olmuş alanda pozitif bir yük yatağı oluşturarak arkadan gelen elektronların aynı bölgeden geçmesine olanak sağlarlar. Elektronların çiftler halinde geçmesine sebep olan bu olaya 'phonon-mediated coupling' (fonon yardımıyla eşleşme) denir ve süperiletkenliğe olanak sağlar. Bu çift COOPER ÇİFTİ olarak adlandırılır.

 

 

[[Dosya:Flyingsuperconductor.ogg|thumb|Süperiletkenliğe ilişkin bir video]]