Süperiletkenlik tarihi

Süperiletkenlik bazı maddelerin elektrik direncinin belli bir sıcaklığın altında sıfır olması ve manyetik akıyı dışarı itmeleri olgusudur. Süperiletkenliğin tarihi Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes’in 1911’de cıvada süperiletkenliği keşfetmesiyle başlamıştır. O zamandan günümüze diğer birçok süperiletken madde keşfedilerek süperiletkenlik teorisi geliştirilmiştir. Bu konular yoğun madde fiziği alanında aktif çalışma alanları olmaya devam etmektedirler.

Ultra-soğuk olgunun keşfi (1908’e kadar)

Düşük sıcaklıklarda elektrik direnci hakkındaki araştırmaları James Dewar başlatmıştır. Zygmunt Florenty Wroblewski düşük sıcaklıklarda elektriksel özellikler konusunda araştırma yapmış, ancak kaza sonucu ölmesi nedeniyle araştırması sona ermiştir. 1864 yılında, Karol Olszewski ve Wroblewski ultra-soğuk sıcaklıklarda direnç seviyelerinin düşmesi hakkındaki elektrik olgusunu öngörmüştür. Olszewski ve Wroblewski bu olguya ilişkin kanıtları 1880’de ortaya çıkarmıştır.

Dewar ve John Ambrose Fleming saf metallerin mutlak sıfırda mükemmel elektromanyetik iletkenler haline geldiklerini öngörmüştür (daha sonra, Dewar, her zaman bir parça iletkenliğin var olacağına inanarak, direncin kaybolması hakkındaki fikrini değiştirmiştir). Walther Hermann Nernst, termodinamiğin üçüncü yasasını geliştirmiş ve mutlak sıfırın erişilmez olduğunu ifade etmiştir. Her ikisi de ticari araştırmacılar olan Carl von Linde ve William Hampson, hemen hemen aynı zamanda gazların sıvılaşmasında Joule-Thompson etkisi için patent başvurusunda bulunmuşlardır. Linde’nin patenti rejeneratif ters akış kullanılarak, kanıtlanmış olguların 20 yıllık sistematik araştırılmasının dönüm noktası olmuştur. Hampson’un tasarımları da bir rejeneratif yöntemdi. Birleşik süreç Hampson-Linde sıvılaştırma yöntemi olarak bilinmektedir.

Onnes araştırması için bir Linde makinesi satın almıştı. 21 Mart 1900’de, daha önce Olszewski ve Wroblewski tarafından gözlemlenen bir olgu olan düşük direncin neden olduğu, sıcaklığın düşürülmesiyle elektrik salınımlarının yoğunluğunun artırılması yöntemi için Nikola Tesla’ya bir ABD patenti verilmiştir. Bu patentte düşük sıcaklıklı bir rezonans devresinin elektrik salınımlarının artan yoğunluk ve süresi tarif edilmektedir. Tesla’nın Linde’nin makinesini soğutucu maddeyi elde etmek için kullanma niyetinde olduğuna inanılır.

10 Temmuz 1908’de Heike Kamerlingh Onnes’in ilk kez Hollanda Leiden Üniversitesinde atmosferik basınçta 4.2 kelvin kaynama noktası olan sıvılaştırılmış helyum üretmesi bir kilometretaşı olmuştur.

Ani ve sürekli kayboluş

Heike Kamerlingh Onnes ve Jacob Clay, Dewar’ın düşük sıcaklıklarda direncin azalmasına ilişkin daha önceki deneylerini tekrar incelediler. Onnes incelemeye platinyum ve altınla başladı, sonra bunları cıvayla değiştirdi (daha kolaylıkla arıtılabilen bir madde). Onnes’in, kriyojenik sıcaklıklarda katı cıvanın direnci hakkındaki araştırması sıvı helyumun soğutucu olarak kullanılmasıyla başarıldı. 08 Nisan 1911, saat 16:00’da Onnes “cıvanın direnci hemen hemen sıfır” olarak tercüme edilebilecek “Kwik nagenoeg nul” notunu düştü. Onnes, 4.19 K sıcaklıkta direncin birdenbire kaybolduğunu gözlemledi (Onnes’in kullandığı ölçüm aleti herhangi bir direnç kaydetmemişti). Onnes araştırmasını 1911 yılında “Cıvanın direncinin kaybolduğu ani hız hakkında” başlıklı makalesinde ortaya çıkardı. Onnes bu makalesinde “özdirencin” olağan sıcaklıkta en iyi iletkene göre miktar olarak binlerce kat daha düşük olduğunu söyledi. Onnes daha sonra süreci tersine çevirdi ve 4.2 K’da direncin maddeye geri döndüğünü buldu. Ertesi yıl, Onnes bu olgu hakkında daha çok makale yayınladı. Başlangıçta, Onnes bu olguya “suprailetkenlik” (1913) adını verdi ve ancak daha sonra, “süperiletkenlik” terimini benimsedi. Onnes bu araştırması için 1913 yılında Nobel Fizik Ödülünü aldı.

Onnes, 1912’de süperiletkenliğin kullanılabilirliği üzerine bir deney yaptı. Onnes bir süperiletken halkaya elektrik akımı verdi ve bunu üreten pili çıkardı. Onnes elektrik akımını ölçtüğünde, yoğunluğunun zamanla kaybolmadığını buldu. Akım, iletken ortamın süperiletken hali nedeniyle devamlılık göstermişti. Daha sonraki yıllarda, birçok diğer maddede de süperiletkenlik bulundu. 1913'te kurşunun 7 K’da süperiletken olduğu ve 1941’de de niyobyum nitrürün 16 K’da süperiletken olduğu bulundu.

Enigmalar ve çözümler (1933-)

Süperiletkenliğin kavranmasında ikinci önemli basamak, 1933'te Walther Meissner ve Robert Ochsenfeld’in, Meissner Etkisi olarak bilinen bir olgu olan süper iletkenlerin uygulanan manyetik alanları dışarı ittiğini keşfettiklerinde meydana gelmiştir. 1935'te Fritz London ile Heinz London kardeşler Meissner etkisinin süperiletken akım tarafından taşınan elektromanyetik serbest enerjinin minimizasyonunun bir sonucu olduğunu gösterdiler. 1950’de süperiletkenliğin fenomenolojik Ginzburg-Landau teorisi, Lev Landau ve Vitaly Ginzburg tarafından tasarlandı.

Landau’nun ikinci derece evre teorisini, Schrödinger-benzeri dalga denklemiyle birleştiren Ginzburg-Landau teorisi, süperiletkenlerin makroskopik özelliklerini açıklamada çok büyük bir başarı gösterdi. Özellikle, Alexei Abrikosov, Ginzburg-Landau teorisinin süperiletkenlerin şimdi Tip I ve Tip II olarak refere edilen iki kategoriye bölünmesini öngördüğünü göstermiştir. Abrikosov ve Ginzburg bu çalışmaları nedeniyle 2003 Nobel Fizik ödülünü almışlardır (Landau 1968’de ölmüştür). 1950’de de Emanuel Maxwell ile, neredeyse hemen hemen aynı anda, C.A.Reynolds et.al, süperiletkenliğin kritik sıcaklığının kurucu elementin izotopik kütlesine bağlı olduğunu bulmuşlardır. Bu önemli keşif, elektron-fonon etkileşiminin süperiletkenlikten sorumlu olan mikroskopik mekanizma olduğunu göstermiştir.

BCS Teorisi

Eksiksiz süperiletkenliğin mikroskobik teorisi nihayet 1957’de John Bardeen, Leon N. Cooper ve Robert Schrieffer tarafından önerilmiştir. Bu BCS teorisi süperiletken akımı, fononların değişimi yoluyla etkileşen elektron çifti olan Cooper Çiftinin süper sıvısı olarak açıklamıştır. Yazarlar bu çalışma için 1972’de Nobel Fizik ödülünü kazanmışlardır. 1958’de Nikolai Nikolaevich Bogolyubov, aslında bir varyasyonal argümandan elde edilen BCS dalga fonksiyonunun elektronik Hamiltonian’ın kanonik dönüşümü kullanılarak elde edilebileceğini gösterdiği zaman BCS teorisi daha sağlam bir temele oturtulmuştur. 1959’da Lev Gor’kov BCS teorisinin, kritik sıcaklık civarında Ginzburg-Landau teorisi ile uyumlu olduğunu göstermiştir. Gorkov,süperiletkenlik aşaması evrim denklemini ilk türeten kişidir. $2eV=\hbar {\frac {\partial \phi }{\partial t}}$.

Little-Parks Etkisi

Little-Parks etkisi 1962’de paralel manyetik alana maruz boş ve ince duvarlı süper iletken silindirlerle yapılan deneylerde keşfedildi. Bu çeşit silindirlerin elektrik direnci silindirin içinden mıknatıssal akıyla periyodik bir salınım gösterir ve süre h/2e = 2.07x10-15V.s olur. William Little ve Ronald Parks direnç salınımının süperiletken kritik sıcaklığın (Tc) periyodik salınımı gibi daha temel bir olguyu yansıttığı açıklamasını yapmışlardır. Bu sıcaklıkta örnek süperiletken hale gelir. Little-Parks etkisi süperiletken elektronların toplu kuantum davranışının bir sonucudur. Bu, süperiletkenlerin içinde nicemlenenin akı değil akı kuantumu olduğu genel gerçeğini yansıtır. Little-Parks etkisi, vektör potansiyelinin gözlemlenebilir fiziksel miktara, yani süperiletken kritik sıcaklığa doğru ikiye katlandığını gösterir.

Ticari faaliyet

Ana madde: Technological applications of superconductivity

1911 yılında süperiletkenliğin keşfinden hemen sonra, Kamerlingh Onnes, süperiletken sargılarla bir elektromıknatıs yapmaya çalıştı ancak göreceli düşük manyetik alanların keşfettiği maddelerdeki süperiletkenliği tahrip ettiğini buldu. Çok sonra, 1955'te George Yntema süperiletken niyobyum tel sargılarla küçük bir 0.7-tesla demir çekirdekli elektromıknatıs yapmayı başardı. Daha sonra, 1961’de, J.E.Kunzler, E.Buehler, F.S.L.Hsu ve J.H.Wernick, üç kısım niyobyum ve bir kısım kalaydan meydana gelen bir bileşimin 4.2. kelvin derecede, bir 8.8 tesla manyetik alanında cm² başına 100,000 amperden fazla bir akım yoğunluğunu destekleyebildiğine ilişkin şaşırtıcı keşfi yaptılar. Kırılgan ve imalatı zor olmasına rağmen niyobyum-kalayın 20 teslaya kadar manyetik alan üreten süpermıknatıslarda son derece kullanışlı olduğu kanıtlanmıştır. 1962’de Ted Berlincourt ve Richard Hake, niyobyum ve titanyum alaşımlarının 10 teslaya kadar olan uygulamalar için uygun olduğunu keşfettiler. Hemen arkasından, niyobyum-titanyum süpermıknatıs telinin ticari üretimi Westinghouse Electric Corporation ile Wah Chang Corporation’da başladı. Niyobyum-titanyumun, niyobyum-bakırdan daha az-etkileyici süperiletken özellikleri olmasına rağmen, niyobyum-titanyum, yine de büyük ölçüde çok yüksek süneklik ve üretim kolaylığı sonucunda en yaygın kullanılan süper mıknatıs maddesi ürünü haline geldi. Ancak, hem niyobyum-bakır hem de niyobyum-titanyum MRI tıbbi görüntülemede, çok yüksek-enerjili partikül hızlandırıcı için mıknatısların eğilme ve odaklanmasında ve diğer uygulamalarda konukçu olarak geniş bir uygulama alanı buldu. Bir Süperiletkenlik Avrupa konsorsiyumu olan Conetcus, 2014’te, süperiletkenliğin vazgeçilmez olduğu küresel ekonomik faaliyetin, MRI sistemleri toplamın %80’ini oluşturmak üzere, beş milyar dolara ulaştığı tahmininde bulunmuştur. 1962’de Brian Josephson, süper akımın ince bir izolatör tabakasıyla ayrılan iki süperiletken parçanın arasından akabileceğine ilişkin önemli bir teorik öngörüde bulunmuştur. Günümüzde Josephson etkisi olarak bilinen bu olgu, SQUIDler gibi süperiletken cihazlar tarafından kullanılmaktadır. Manyetik akı kuantumu h/2e’nin mevcut en doğru ölçümlerinde ve dolayısıyla (Kuantum Hall dirençliği ile birleştirilmiş) Planck sabiti h için de kullanılır. Josephson 1973'te bu çalışması için Nobel Fizik ödülünü aldı. 1973'te Nb3Ge’nin, 1986’da kuprit yüksek sıcaklıklı süperiletkenlerin keşfine kadar (bakınız aşağı), en yüksek ortam basıncı Tc olarak kalmaya devam eden 23K Tc olduğu bulundu.

Yüksek sıcaklıklı süper iletkenler

Ana madde: Yüksek sıcaklıklı süper iletkenler

Süperiletkenlik zaman çizelgesi

1986’da J. Georg Bednorz ve K. Alex Mueller, 35 K geçiş sıcaklığı bulunan ve yüksek sıcaklıklı süperiletkenlerin ilki olan lantanum esaslı kuprit perovskit maddesinde süperiletkenliği keşfetti (1987 Nobel Fizik Ödülü). Kısa bir süre sonra (Ching-Wu Chu tarafından) lantanın itriyum ile değiştirilmesinin, yani YBCO yapılmasının, kritik sıcaklığı 92 K’ya çıkardığı bulundu ki bu sıvı nitrojenin soğutucu olarak kullanılabilmesi nedeniyle önemliydi (atmosferik basınçta, nitrojenin kaynama noktası 77 K). Sıvı nitrojenin ham madde kullanılmadan yerinde ucuz olarak üretilebilmesi ve borulamada helyumun bazı problemlerine (katı hava fişleri, vs.) meyilli olmaması ticari açıdan önemlidir. O zamandan günümüze kadar birçok diğer kuprit süperiletkenler keşfedilmiştir ve bu maddelerdeki süperiletkenlik teorisi teorik yoğun madde fiziğinin en önemli sorunların birisidir.

2001 Mart’ında 39 K kritik sıcaklıkta Magnezyum diborürün (mgB2) süperiletken olduğu bulunmuştur. 2008’de, bu konuda yapılacak çalışmaların kuprit süperiletkenler teorisini sağlayacağı ümidiyle bir çalışma fırtınasına yol açan oxypnictide veya demir bazlı süperiletkenler keşfedilmiştir.

2013'te, maddenin kristal yapısını deforme etmek için kızılötesi lazer ışığının kısa darbeleri kullanılarak, piko saniyede YBCO (Itriyum baryum bakır oksit)’da oda ısısında süperiletkenlik elde edilmiştir.

Tarihsel yayınlar

H.K.Onnes’in makaleleri

• "The resistance of pure mercury at helium temperatures". Comm. Leiden. April 28, 1911.
• The disappearance of the resistivity of mercury". Comm. Leiden. May 27, 1911.
• "On the sudden change in the rate at which the resistance of mercury disappears". Comm. Leiden. November 25, 1911.
• "The imitation of an ampere molecular current or a permanent magnet by means of a supraconductor". Comm. Leiden. 1914.

BCS teorisi

• J. Bardeen, L.N. Cooper and J.R. Schrieffer, "Theory of superconductivity," Phys. Rev. 108, 1175 (1957), DOI:10.1103/PhysRev.108.1175

Diğer ana makaleler

• W. Meissner and R. Ochsenfeld, Naturwiss. 21, 787 (1933), DOI:10.1007/BF01504252
• F. London and H. London, "The electromagnetic equations of the supraconductor," Proc. Roy. Soc. (London) A149, 71 (1935), ISSN 0080-463021 Nisan 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi..
• V.L. Ginzburg and L.D. Landau, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 20, 1064 (1950)
• E. Maxwell, "Isotope effect in the superconductivity of mercury" Phys. Rev. 78, 477 (1950), DOI:10.1103/PhysRev.78.477
• C.A. Reynolds et al., "Superconductivity of isotopes of mercury," Phys. Rev. 78, 487 (1950), DOI:10.1103/PhysRev.78.487
• A.A. Abrikosov, "On the magnetic properties of superconductors of the second group," Soviet Physics JETP 5, 1174 (1957)
• W.A. Little and R. D. Parks, "Observation of quantum periodicity in the transition temperature of a superconducting cylinder," Phys. Rev. Lett. 9, 9 (1962) DOI:10.1103/PhysRevLett.9.9
• B.D. Josephson, "Possible new effects in superconductive tunnelling," Physics Letters 1, 251 (1962), DOI:10.1016/0031-9163(62)91369-0

Patentler

• Tesla, Nikola, ABD patent 685.012 "Means for Increasing the Intensity of Electrical Oscillations", March 21, 1900.

Ayrıca bakınız

• Süperiletkenlik
• Makroskobik kuantum fenomeni
• Düşük sıcaklık teknolojisinin zaman çizelgesi
• Süperiletkenliğin teknolojik uygulamaları
• Yüksek sıcaklık süperiletkenliği

Dış bağlantılar ve Kaynakça

• Heike Kamerlingh Onnes, "Investigations into the properties of substances at low temperatures, which have led, amongst other things, to the preparation of liquid helium25 Nisan 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.," Nobel Lecture, December 11, 1913
• M. Tinkham, Introduction to Superconductivity, 2nd Ed., McGraw-Hill, NY, 1996, ISBN 0-486-43503-2
• T. Shachtman, Absolute Zero and the Conquest of Cold, Houghton Mifflin Co., 1999, ISBN 0-395-93888-0
• J. Matricon, G. Waysand and C. Glashausser, The Cold Wars: A History of Superconductivity, Rutgers University Press, 2003, ISBN 0-8135-3295-7
• J. Schmalian, Failed theories of superconductivity8 Ocak 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.