Birçoğumuz ortaokul çağlarımızda basit elektrik devresiyle karşılaşmışızdır. Güç kaynağı (pil), bir çift iletken kablo ve bir aydınlatmadan (ampul) oluşan bu devrelerin çalışma mantığı basittir. Güç kaynağından çıkan elektronlar iletken kabloda zigzaglar şeklinde ilerler. Bir elektrik akımı oluşturur ki bu akım, aydınlatmaya gücü aktarıp devrenin çalışmasını sağlar. Ancak burada güç kaynağının verimini azaltan bir direnç söz konusudur. Bu direnç, iletken kablonun cinsine, uzunluğuna, kalınlığına ve çevresindeki şartlara bağlıdır. Farklı değerler alan direnç, güç kaynağından çıkan enerjinin bir kısmını ısı enerjisine çevirir. Bu durum hayatımızın her alanında mevcuttur. Hiçbir zaman bir teknolojik aletten yüzde yüz verim alınamaz. Çünkü gücün yayılımında sürekli bir direnç söz konusudur. Hatta elektrik ve elektronik devrelerle çalışan aletlerin neredeyse tamamında, uzun süreli çalışmadan sonra direncin meydana getirdiği ısıyı ortadan kaldırmak için fan sistemi vardır. Bu durum karşısında, bir takım çalışmalar yapılmış ve belirli şartlarda elektrik direncinin olmadığı maddeler keşfedilmiştir. Bu yazımda sizlere belirli bir sıcaklıkta iletkenin direncini sıfır yapan süper iletkenlerden bahsettim.

Keşif süreci

Helyum elementini genelde balonların içindeki havada kullanıldığını duymuşuzdur. Renksiz, kokusuz, tatsız ve inert bir soygaz olan helyum oldukça hafiftir (4 gram). Soygaz olduğundan doğada çoğunlukla gaz hâlinde olup çok zor şartlarda hâl değiştirmektedir. Hollandalı fizikçi Heike Kammerlingh Onnes, 1908 yılında bir takım çalışmalar yaptı. Çalışmalar sonucunda 4,2 kelvin derecenin (-268,8 santigrat) altında helyumun sıvı hale geçmeye başladığını fark etmiş. Bu değerin helyumun kaynama sıcaklığı olduğunu ortaya koymuştur. Sıvı helyumun üretilmesinin ardından Onnes, mutlak sıfır noktasına yakın sıcaklıklarda katıların fiziksel özelliğini merak etmiş. Ardından araştırmalar yapmaya başlamıştır.

Oda sıcaklığının altına (300 kelvin) inildiğinde metallerin direncinin azaldığı yıllardır bilinmekteydi. Ancak 0 kelvine çok yakın bir sıcaklık değerine inildiğinde ne olacağı net bir şekilde bilinmiyordu. Bu durum görüş ayrılıklarına sebep olmuştu. Genel olarak iki görüş karşı karşıyaydı. Bir taraf o kadar soğuk bir noktada elektron akışının duracağını ve akımın da olmayacağını belirtirmiş. Diğer taraf ise iletkendeki direnç yok olacağından, sürekli ve yüksek verimli elektrik akımının olacağını savunuyordu. Onnes de bir deney yaptı. 4,2⁰K'nin altında cıvanın sıradan metal olmaktan vazgeçtiğini ve direncin aniden sıfıra indirgendiğini gördü. Bunun sonucunda da ikinci görüşün geçerliliğini ispatlayarak 1911 yılında süper iletkenleri keşfetmiştir. 1913 yılında da Nobel Ödülü’ne layık görülmüştür.

Farkı ve olanakları

Süper iletkenler, diğer iletkenlere kıyasla doğru akıma karşı sıfır direnç gösterip yüksek kapasitede akım taşıyabilmektedir. Süper iletkenler, farklı madde gibi algılansa da herhangi bir iletkenin/metalin belirli sıcaklıkta faz değiştirmesiyle oluşurlar. Faz değişimine neden olan bu sıcaklığa kritik sıcaklık denir ve her madde için farklıdır. Normal bir metal yüksek direnç oluşturup hem enerji kaybına hem de sıcaklık yükselmesine sebep olur. Kritik sıcaklıkta süper iletkenliğe geçip, direnci yok sayarlar. Elektrik akımının daha verimli şekilde iletiminde, ışık hızına yakın hızlarda sinyal iletimi ile ileri teknolojik aletlerin üretiminde ve devrelerde ısınma problemini ortadan kaldırmada rol oynar. 

Fiziksel (Teorik) İspatı

Süper iletkenler 1911 yılında keşfedilmesine rağmen işleyiş biçimi bilim yasalarına göre bir türlü açıklanamamıştı. 1957 yılında, Illınois Üniversitesinden üç fizikçi (John Barden, Robert Schriefer, Leon Cooper) bir kristal örgüde (metallerin yük dağılımına bağlı sembolik gösterge) elektronların geçişini gözlemlemişlerdir. Elektronlar süper iletkenlik durumunda kristal örgü içerisinden geçerken örgüde içe doğru bir bükülmeye sebep olmuşlardır. Bunun sonucunda da elektronlar fonon adı verilen ses paketlerini oluştururlar. Bu fononlar da bükülen yerde (deforme olmuş alan) pozitif bir yük yatağı oluşturup geriden gelen elektronların aynı bölgeden geçmesini sağlar. Sonucunda iki elektron (kritik sıcaklığın altında), fonon sayesinde etkileşip bağlanarak Cooper çifti denilen çifti oluştururlar. Süper iletkenlerin yasalara göre yapılan bu açıklaması, üç fizikçinin soyadlarının oluşturduğu BCS teorisi olarak adlandırmıştır. Bu fizikçilere çalışmalarından dolayı 1972 yılında Nobel Ödülü verilmiştir. 

Maglev trenler

Bir malzeme normal durumdayken (veya kritik sıcaklığın üzerinde iken) manyetik alanla etkileşime girip içerisine manyetik alan nüfuz eder. Ancak malzememin sıcaklığı kritik sıcaklık veya altına düşürülürse süper iletken hâle gelir. O zaman malzemenin içerisine manyetik alan nüfuz edemez. Bu olaya manyetik kaldırma kuvveti denir. Sebebi ise süper iletken hâle geçen malzemenin, kendisine uygulanan manyetik alanın eşit ama zıt yönünde bir manyetik alan oluşturmasıdır (mükemmel diamanyetik özellik). Manyetik alan ortadan kaldırıldığında ise manyetik alan şiddeti her yerde sıfır olur. Süper iletken bir maddeye düşük kütleli ancak oldukça kuvvetli bir mıknatıs bırakırsanız mıknatıs havada asılı kalır. Çünkü az önce de bahsedildiği gibi süper iletken kendisine uygulanan manyetik alanın tam tersi bir manyetik alan oluşturur.

Bu olayın en önemli uygulama alanına; 1960 yılında Beookhaven Ulusal Laboratuvarında birinin treni havaya kaldırma düşüncesi sonucunda üretilen Maglev (Manyetik levitasyon) treni örnek gösterilebilir. Normal trenlerin hareket aksamları tren raylarına temas ettiğinden bir sürtünme kuvveti söz konusudur. Bu da enerji kaybına sebebi olur. Ancak Maglev trenlerde kritik sıcaklığa yakın bir sıcaklığa kadar soğutulmuş elektromıknatıslardan (süper iletken mıknatıslar) yapılan özel raylar kullanılmaktadır. Bu raylardaki elektromıknatıslardan elektrik akımı geçirildiğinde bir manyetik alan oluşturur. Elektrik akımı sayesinde bu manyetik alan durabilir veya yönü değişebilir. Bu mıknatıslar sayesinde Maglev tren rayda 10 milimetre yükseklikte hareket eder. Hava sürtünmesinden başka herhangi bir direncin olmadığı bu tren saatte 500 kilometreye kadar hızlanabilmektedir.

Almanya ve Japonya bu trenler üzerindeki çalışmalarına devam etmektedir. Maglev treni Çin’in Şanghay kentinde 30 kilometrelik bir hattı 7 dakika 20 saniyede katetmiştir. Ülkemizde de çalışmaları yapılan Maglev treni, süper iletken malzeme elde etmek için gereken kritik sıcaklığa düşmenin zorluğundan dolayı çok yavaş ilerlemektedir. Günümüzde bu alanda yapılan çalışmalar kritik sıcaklığın daha rahat ulaşma noktasında bir konumda olması yönünde devam etmektedir. Her ne kadar bu yüksek teknoloji ülkemizde araştırma içerisinde olsa da Türkiye’deki en yüksek hızlı tren saatte 300 kilometreye kadar çıkmaktadır.