Süper İletkenler

Öncelikle iletkenlik ve iletken madde nedir ondan bahsedelim:

İletken Madde Nedir?

İletken madde, elektrik akımını ileten maddedir. Bu tür maddelerde atomların dış yörüngelerindeki elektronlar atoma zayıf bağlıdır. Isı, ışık ve elektriksel etki altında kolaylıkla atomdan ayrılırlar. Atomların son yörüngelerindeki elektron sayıları 1’e yaklaştıkça iletkenlikleri artar çünkü geçen akım son yörüngedeki elektronu daha rahat koparır. Bu da geçen akımın daha rahat ilerlemesini sağlar. Örneğin bakır ve altın gibi elementlerin değerlik elektron sayıları 1’dir. İletken maddeler kat, sıvı ve gaz halinde olabilirler.

Maddelerin Akıma Karşı Gösterdiği Direnç

İletkenler bile üzerlerinden geçen akıma direnç uygularlar. Bu direnç sonucu akımı ileten maddede ısı açığa çıkar. Bu ısı da ileten maddeden çıktığı için madde sürekli enerji kaybeder. Üstüne üstlük madde ısındıkça maddenin atomları daha çok titreşir ve akımdaki elektronlar atomlara daha çok çarpıp saçılacağı için maddenin direnci artar. Bu olayı bu eşitlikle açıklayabiliriz:

$R_2=R_1(1+a.dt)$

$a$: maddenin direnç katsayısı

Süper İletkenler

İletken bir madde kritik sıcaklığa kadar soğutulduğunda akıma karşı gösterdiği direnç 0’a iner ve madde enerji kaybetmeden akımı geçirir. Süper iletkenlik 1911 yılında Heike Kamerlingh Onnes tarafından keşfedildi. Onnes, laboratuvarında cıvanın elektrik direncini incelerken sıcaklığını 4,2 K altına düşürdüğünde direncinin 0’a indiğini farketti. Bunun yanında da süper iletkenlerin bir özelliği daha vardır. Bu tür maddeler süper iletken özelliği kazanacak kadar soğuduğunda içlerindeki manyetik alanı dışarı atarlar. Bu özelliğe Meissner etkisi denir. Tüm süper iletkenlerin bir özelliği olan Meissner etkisi, 1933 yılında Alman fizikçiler W. Meissner ve R. Ochsenfeld tarafından keşfedilmiştir. Ancak manyetik alan çok güçlü olursa bu durum engellenebilir. Hatta Meissner ve Ochsenfeld bu durumu mıknastıslar üzerinde gözlemlemiştir.

Meissner etkisi manyetik alanı yukarıdaki gibi büktüğü için mıknatıslar süper iletkenin üzerinde yüzer gibi görünür.

BCS Teorisi ve Süper İletkenliğin Kuramsal Açıklaması

John Bardeen, Leon Cooper ve John Robert Schrieffer (BCS) tarafından 1957'de hazırlandı ve 1972 de Nobel fizik ödülünü aldılar. Bu kuram süper iletkenliğin ortaya çıkmasını Cooper çiftlerinin sağladığını söyler.

Önce temel parçacıklardan bahsedelim. Temel parçacıklar fermiyonlar ve bozonlar olarak 2 ye ayrılır. Fermiyonlar, elektron, nötron ve proton gibi spinleri ½ nin tam katları olan Pauli ilkesine ve Fermi-Dirac dağılımı denen kuantum istatistiksel fonksiyona tabi olan parçacıklardır. Spini tam sayı olan ve Bose-Einstein dağılım fonksiyonuyla açıklanan parçacıklara bozon denir.

2 özdeş fermiyon aynı kuantum halinde bulunamaz. Sözgelimi iki fermiyon aynı yerde bulunamaz. Fakat bozonlar için bu durum geçerli değildir. Bozonları tıpkı su üzerindeki dalgalar gibi düşünebiliriz. Dalgaların çakıştığını varsayalım: bu durum da 2 dalganın 2 noktası da aynı yerdedir. Aynı hacim içindedir. Bir yörüngede bulunan 2 elektronun ki elektron fermiyondur, spinleri aynı olamaz. Fotonlar ise bozondur, yani bir noktada bir çok foton bulunabilir. Ki fotonlar birer elektromanyetik dalgadır, buradan da yukarıdaki dalga betimlemesinin ne kadar isabetli olduğu anlaşılır.

BCS teorisindeki Cooper çifti adını verdiğimiz parçacıklar 2 elektronun bir araya gelmesiyle oluşur. Her ne kadar elektronlar fermiyon olsa da Cooper çiftleri mezondur. Cooper çiftleri çiftler halinde gruplanır ve birbirlerine bağlı hareket ederler, tek bir yapı gibidirler. Bu çiftlerin bir araya gelmesiyle bir süper alışkan ortaya çıkar ve akışkana verilen akım sonsuza dek iletilir. Bu süper akışkan çevreyle hiç etkileşime girmez ve direnci 0 olur. Cooper çiftleri sıcaklık arttıkça kaybolur.