Üç İsim, Üç Harf Ve Tamamlanmamış Bir Teori

Geleneksel fizik, süperiletken durumu yeterince açıklamaz ve katı halin, elektronların davranışını kristal kafesteki iyonların davranışından ayrı ele alan temel kuantum teorisi de bunu yapmaz. Üç Amerikalı araştırmacı John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer 1957’de süperiletkenliğin mikroskobik teorisini ortaya koydu. Ancak 1911 yılında Hollandalı fizikçi tarafından keşfedildi Heike Kamerlingh Onnes; düşük sıcaklık araştırmaları nedeniyle 1913 yılında Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü. Kamerlingh Onnes, bir cıva telinin elektriksel direncinin yaklaşık (−269 °C) sıcaklığın altına soğutulduğunda aniden kaybolduğunu buldu. Mutlak sıfır, tüm maddelerin düzensizliğini kaybettiği sıcaklık olan 0 K'dir. Kısa süre sonra, süperiletken bir malzemenin, içinden yeterince büyük bir akım geçirilerek veya üzerine yeterince güçlü bir manyetik alan uygulanarak normal (yani süperiletken olmayan) duruma döndürülebileceğini keşfetti. "BCS" teorisine göre, elektronlar kafesin titreşimleriyle etkileşime girerek çiftler halinde gruplanır. Böylece sürtünmesiz bir şekilde katının içinde hareket eden "Cooper çiftleri" oluştururlar. Katı, bir elektron bulutuna daldırılmış pozitif iyonlardan oluşan bir kafes olarak görülebilir. Bir elektron bu kafesten geçerken, iyonlar elektronun negatif yükü tarafından çekilerek hafifçe hareket eder. Bu hareket, sırayla başka bir elektronu çeken elektriksel olarak pozitif bir alan oluşturur. Elektron etkileşiminin enerjisi oldukça zayıftır ve çiftler termal enerjiyle kolayca parçalanabilir bu yüzden süperiletkenlik genellikle çok düşük sıcaklıklarda meydana gelir. Ancak “BCS “teorisi, (-193°C) ve üzeri civarındaki "yüksek sıcaklık" süperiletkenlerinin varlığına dair hiçbir açıklama sunmaz, bunun için başka elektron birleştirme mekanizmalarına başvurulması gerekir.

Süperiletken durum, sıcaklıktaki veya uygulanan manyetik alandaki bir artışla yok edilebilir, bu da daha sonra malzemeye nüfuz eder ve Meissner etkisini bastırır. Bu bakış açısından, iki tip süperiletken arasında bir ayrım yapılır. Tip-I malzemeler, yalnızca nispeten zayıf uygulanan manyetik alanlar için süperiletken durumda kalır. Belirli bir eşiğin üzerinde, alan aniden malzemeye nüfuz ederek süperiletken durumu paramparça eder. Tersine, Tip-II süperiletkenler, yoğun uygulanan manyetik alanların varlığında süperiletken özelliklerini korumalarını sağlayan manyetik alanın yerel nüfuzuna tolerans gösterir. Bu davranış, süperiletken ve süperiletken olmayan alanların malzeme içinde bir arada bulunduğu karışık bir durumun varlığıyla açıklanmaktadır. Tip-II süperiletkenler, yüksek manyetik alanlarda süperiletkenliğin kullanılmasını mümkün kılmış ve diğer şeylerin yanı sıra parçacık hızlandırıcıları için mıknatısların geliştirilmesine yol açmıştır.

Süperiletkenlik teorisi, örneğin ultrasonik emilim çalışmaları, nükleer spin fenomenleri, düşük frekanslı kızılötesi emilim ve elektron tünelleme deneyleri gibi çok çeşitli deneylerde test edilmiştir. Bu ölçümlerin sonuçları, çeşitli süperiletkenlerin birçok ayrıntılı özelliğine ilişkin anlayış getirmiştir.

Süperiletkenlerin termal özellikleri

Süperiletkenlik, normal (yani süperiletken olmayan) elektrik iletkenlerinin özelliklerinden çarpıcı bir sapmadır. Elektrik iletkeni olan malzemelerde, elektronların bir kısmı tek tek atomlara bağlı değildir ancak malzeme içinde serbestçe hareket edebilir. Normal iletkenlerde bu sözde iletim elektronları, safsızlıklar, dislokasyonlar, tane sınırları ve kafes titreşimleri (fononlar) tarafından dağıtılır. Ancak bir süper iletkende, bu saçılmayı önleyen iletim elektronları arasında bir düzen vardır. Sonuç olarak, elektrik akımı hiç direnç olmadan akabilir. Elektronların düzeni,Cooper eşleşmesi, elektronların pozisyonlarından ziyade momentumlarını içerir. Bu sıralamayla ilişkili olan elektron başına enerji son derece küçüktür, tipik olarak bir kimyasal reaksiyon gerçekleştiğinde elektron başına enerjinin değiştiği miktarın yaklaşık binde biridir. Süperiletkenliğin bu kadar uzun süre açıklanamamış olmasının bir nedeni, normal ve süperiletken durumlar arasındaki geçişe eşlik eden enerji değişimlerinin küçük olmasıdır. Aslında, "BCS" teorisi önerilmeden önce birçok yanlış süperiletkenlik teorisi ileri sürülmüştür.

Yüzlerce malzemenin düşük sıcaklıklarda süperiletken hale geldiği bilinmektedir. Kimyasal elementlerin yirmi yedisi hepsi metal, düşük sıcaklıklarda ve düşük (atmosferik) basınçta olağan kristalografik formlarında süperiletkenlerdir. Bunlar arasında alüminyum gibi yaygın olarak bilinen metaller vardır. Kalay, kurşun ve cıva ve renyum, lantan ve protaktinyum gibi daha az yaygın olanlardır. Ek olarak, metal, yarı metal veya yarı iletken olan 11 kimyasal element düşük sıcaklıklarda ve yüksek basınçlarda süperiletkendir. Bunlar arasında uranyum, seryum, silikon ve selenyum bulunur. Bizmut ve diğer beş element, olağan kristalografik formlarında süperiletken olmasalar da son derece düşük sıcaklıklarda kararlı olan oldukça düzensiz bir formda hazırlanarak süperiletken hale getirilebilirler. Süperiletkenlik, krom, manganez, demir, kobalt veya nikel gibi manyetik elementlerin hiçbiri tarafından sergilenmez.