Süperiletkenlik

bilgipedi.com.tr sitesinden
Sıvı nitrojenle soğutulmuş, yüksek sıcaklıktaki bir süper iletkenin üzerinde havada duran bir mıknatıs. Süper iletkenin yüzeyinde sürekli elektrik akımı akar ve mıknatısın manyetik alanını dışlamak için hareket eder (Faraday'ın indüksiyon yasası). Bu akım etkili bir şekilde mıknatısı iten bir elektromıknatıs oluşturur.
NdFeB mıknatıslı (metalik) yüksek sıcaklık süper iletkeninde (siyah pelet) Meissner etkisinin videosu
Bir mıknatısın üzerinde yükselen yüksek sıcaklıkta bir süper iletken

Süperiletkenlik, elektrik direncinin ortadan kalktığı ve manyetik akı alanlarının malzemeden dışarı atıldığı belirli malzemelerde gözlemlenen bir dizi fiziksel özelliktir. Bu özellikleri sergileyen herhangi bir malzeme süper iletkendir. Sıcaklığı neredeyse mutlak sıfıra kadar düşürüldüğünde direnci kademeli olarak azalan sıradan bir metalik iletkenin aksine, bir süper iletken, direncin aniden sıfıra düştüğü karakteristik bir kritik sıcaklığa sahiptir.

 Bir süper iletken tel döngüsünden geçen elektrik akımı, hiçbir güç kaynağı olmadan süresiz olarak devam edebilir. 

Süperiletkenlik olgusu 1911 yılında Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes tarafından keşfedilmiştir. Ferromanyetizma ve atomik spektral çizgiler gibi süperiletkenlik de sadece kuantum mekaniği ile açıklanabilen bir olgudur. Meissner etkisi ile karakterize edilir, süperiletken duruma geçişi sırasında manyetik alan çizgilerinin süperiletkenin iç kısmından tamamen dışarı atılmasıdır. Meissner etkisinin ortaya çıkması, süperiletkenliğin sadece klasik fizikteki mükemmel iletkenliğin idealleştirilmesi olarak anlaşılamayacağını gösterir.

1986 yılında, bazı kuprat-perovskit seramik malzemelerin 90 K (-183 °C) üzerinde bir kritik sıcaklığa sahip olduğu keşfedilmiştir. Böylesine yüksek bir geçiş sıcaklığı geleneksel bir süper iletken için teorik olarak imkansızdır ve bu da malzemelerin yüksek sıcaklık süper iletkenleri olarak adlandırılmasına yol açmıştır. Ucuza temin edilebilen soğutucu sıvı nitrojen 77 K'de kaynar ve bu nedenle bundan daha yüksek sıcaklıklarda süper iletkenliğin varlığı, daha düşük sıcaklıklarda daha az pratik olan birçok deney ve uygulamayı kolaylaştırır.

Sınıflandırma

Süper iletkenlerin sınıflandırıldığı birçok kriter vardır. En yaygın olanları şunlardır:

Manyetik alana tepki

Bir süper iletken Tip I olabilir, yani üzerinde tüm süper iletkenliğin kaybolduğu ve altında manyetik alanın süper iletkenden tamamen atıldığı tek bir kritik alana sahiptir; veya Tip II, yani aralarında izole edilmiş noktalardan manyetik alanın kısmen nüfuz etmesine izin veren iki kritik alana sahiptir. Bu noktalara vorteks adı verilir. Ayrıca, çok bileşenli süper iletkenlerde iki davranışın bir kombinasyonuna sahip olmak mümkündür. Bu durumda süper iletken Tip-1.5'tir.

Çalışma teorisine göre

BCS teorisi veya türevleri ile açıklanabiliyorsa geleneksel, aksi takdirde geleneksel değildir. Alternatif olarak, süper iletken düzen parametresi, sistemin nokta grubunun veya uzay grubunun önemsiz olmayan indirgenemez bir temsiline göre dönüşürse bir süper iletken geleneksel olmayan olarak adlandırılır.

Kritik sıcaklık ile

Bir süper iletken, Georg Bednorz ve K. Alex Müller tarafından yapılan ilk keşifte olduğu gibi, 30 K (-243,15 °C) sıcaklığın üzerinde süper iletken bir duruma ulaşırsa genellikle yüksek sıcaklık olarak kabul edilir. Ayrıca sıvı nitrojen kullanılarak soğutulduğunda, yani sadece Tc > 77 K'de süperiletkenliğe geçiş yapan malzemelere de atıfta bulunabilir, ancak bu genellikle sadece sıvı nitrojen soğutucunun yeterli olduğunu vurgulamak için kullanılır. Düşük sıcaklık süper iletkenleri, kritik sıcaklığı 30 K'nin altında olan ve esas olarak sıvı helyum (Tc > 4,2 K) ile soğutulan malzemeleri ifade eder. Bu kuralın bir istisnası, yüksek sıcaklık süper iletkenlerinin tipik davranış ve özelliklerini sergileyen demir pnictide süper iletken grubudur, ancak grubun bazıları 30 K'nin altında kritik sıcaklıklara sahiptir.

Eğer bir süperiletken kritik sıcaklığına erişmek için sıvı azotla soğutulabiliyorsa yüksek ısılı, daha etkili soğutma yöntemlerine ihtiyaç duyuyorsa düşük ısılı bir süperiletkendir.

Malzemeye göre

"Üst: Süperiletken elementel katıların periyodik tablosu ve deneysel kritik sıcaklıkları (T). Altta: Süperiletken ikili hidritlerin periyodik tablosu (0-300 GPa). Teorik tahminler mavi, deneysel sonuçlar ise kırmızı ile gösterilmiştir."

Süper iletken malzeme sınıfları arasında kimyasal elementler (örneğin cıva veya kurşun), alaşımlar (niyobyum-titanyum, germanyum-niyobyum ve niyobyum nitrür gibi), seramikler (YBCO ve magnezyum diborür), süper iletken pnictidler (flor katkılı LaOFeAs gibi) veya organik süper iletkenler (fullerenler ve karbon nanotüpler; belki de bu örnekler tamamen karbondan oluştukları için kimyasal elementler arasına dahil edilmelidir) yer almaktadır.

Süperiletken maddelerin arasında kimyasal elementler (ör: cıva veya kurşun),  alaşımlar, seramikler (ör: magnezyum diborit), demir bazlı süperiletkenler ve organik süperiletkenler vardır.

Süperiletkenlerin temel özellikleri

Süperiletkenlerin kritik sıcaklık, süperiletken boşluğun değeri, kritik manyetik alan ve süperiletkenliğin yok olduğu kritik akım yoğunluğu gibi bazı fiziksel özellikleri malzemeden malzemeye değişir. Öte yandan, altta yatan malzemeden bağımsız olan bir özellik sınıfı vardır. Meissner etkisi, manyetik akının veya kalıcı akımların kuantizasyonu, yani sıfır direnç durumu en önemli örneklerdir. Bu "evrensel" özelliklerin varlığı, süper iletkenin kırılmış simetrisinin doğasına ve diyagonal olmayan uzun menzilli düzenin ortaya çıkmasına dayanır. Süperiletkenlik termodinamik bir fazdır ve bu nedenle mikroskobik ayrıntılardan büyük ölçüde bağımsız olan bazı ayırt edici özelliklere sahiptir.

Diyagonal olmayan uzun menzilli düzen, Cooper çiftlerinin oluşumuyla yakından bağlantılıdır. V.F. Weisskopf'un bir makalesi Cooper çiftlerinin oluşumu, çiftlerin bağlanmasına neden olan çekici kuvvetin kaynağı, sonlu enerji boşluğu ve kalıcı akımların varlığı için basit fiziksel açıklamalar sunmaktadır.

Sıfır elektriksel DC direnci

CERN'deki hızlandırıcılar için elektrik kabloları. Hem büyük hem de ince kablolar 12.500 A için derecelendirilmiştir. Üst: LEP için normal kablolar; alt: LHC için süper iletken tabanlı kablolar
Terk edilmiş Texas Süperiletken Süper Çarpıştırıcı'dan (SSC) bir preform süperiletken çubuğun kesiti.

Bir malzeme numunesinin elektrik direncini ölçmenin en basit yöntemi, numuneyi bir akım kaynağı I ile seri olarak bir elektrik devresine yerleştirmek ve numune boyunca ortaya çıkan V voltajını ölçmektir. Numunenin direnci Ohm yasası tarafından R = V / I olarak verilir. Voltaj sıfırsa, bu direncin sıfır olduğu anlamına gelir.

Süper iletkenler aynı zamanda hiçbir gerilim uygulanmadan akımı muhafaza edebilirler; bu özellik MRI makinelerinde bulunanlar gibi süper iletken elektromıknatıslarda kullanılır. Deneyler, süper iletken bobinlerdeki akımların ölçülebilir bir bozulma olmaksızın yıllarca devam edebileceğini göstermiştir. Deneysel kanıtlar en az 100.000 yıllık bir akım ömrüne işaret etmektedir. Kalıcı bir akımın ömrüne ilişkin teorik tahminler, tel geometrisine ve sıcaklığa bağlı olarak evrenin tahmini ömrünü aşabilir. Pratikte, süper iletken bobinlere enjekte edilen akımlar, süper iletken gravimetrelerde 26 yıldan fazla (15 Temmuz 2021 itibariyle) devam etmiştir. Bu tür cihazlarda ölçüm prensibi, 4 gram kütleye sahip süper iletken bir niyobyum kürenin havalanmasının izlenmesine dayanır.

Normal bir iletkende elektrik akımı, ağır bir iyonik kafes boyunca hareket eden bir elektron sıvısı olarak görülebilir. Elektronlar sürekli olarak kafes içindeki iyonlarla çarpışır ve her çarpışma sırasında akım tarafından taşınan enerjinin bir kısmı kafes tarafından emilir ve esasen kafes iyonlarının titreşimsel kinetik enerjisi olan ısıya dönüştürülür. Sonuç olarak, akım tarafından taşınan enerji sürekli olarak dağılır. Bu, elektrik direnci ve Joule ısınması olgusudur.

Bir süper iletkende durum farklıdır. Geleneksel bir süper iletkende, elektronik sıvı tek tek elektronlara ayrıştırılamaz. Bunun yerine, Cooper çiftleri olarak bilinen bağlı elektron çiftlerinden oluşur. Bu eşleşme, elektronlar arasında fonon alışverişinden kaynaklanan çekici bir kuvvetten kaynaklanır. Bu eşleşme çok zayıftır ve küçük termal titreşimler bağı kırabilir. Kuantum mekaniği nedeniyle, bu Cooper çifti sıvısının enerji spektrumu bir enerji boşluğuna sahiptir, yani sıvıyı uyarmak için sağlanması gereken minimum bir ΔE enerji miktarı vardır. Bu nedenle, ΔE, k'nın Boltzmann sabiti ve T'nin sıcaklık olduğu kT ile verilen kafesin termal enerjisinden daha büyükse, akışkan kafes tarafından saçılmayacaktır. Cooper çifti sıvısı bu nedenle bir süper akışkandır, yani enerji kaybı olmadan akabilir.

Tip II süperiletkenler olarak bilinen ve bilinen tüm yüksek sıcaklık süperiletkenlerini içeren bir süperiletken sınıfında, elektrik akımının neden olabileceği güçlü bir manyetik alanla birlikte bir elektrik akımı uygulandığında, nominal süperiletken geçişin çok altında olmayan sıcaklıklarda son derece düşük ancak sıfır olmayan bir direnç ortaya çıkar. Bunun nedeni, akım tarafından taşınan enerjinin bir kısmını dağıtan elektronik süper akışkan içindeki manyetik girdapların hareketidir. Akım yeterince küçükse, girdaplar durağandır ve direnç yok olur. Bu etkiden kaynaklanan direnç, süperiletken olmayan malzemelerinkine kıyasla çok küçüktür, ancak hassas deneylerde dikkate alınmalıdır. Bununla birlikte, sıcaklık nominal süperiletken geçişin yeterince altına düştüğünde, bu girdaplar "girdap camı" olarak bilinen düzensiz ancak durağan bir fazda donabilir. Bu girdap camı geçiş sıcaklığının altında, malzemenin direnci gerçekten sıfır olur.

Faz geçişi

Süperiletken faz geçişinde ısı kapasitesi (cv, mavi) ve özdirencin (ρ, yeşil) davranışı

Süperiletken malzemelerde süperiletkenlik özellikleri, T sıcaklığı kritik bir Tc sıcaklığının altına düşürüldüğünde ortaya çıkar. Bu kritik sıcaklığın değeri malzemeden malzemeye değişir. Geleneksel süper iletkenler genellikle yaklaşık 20 K ile 1 K'nin altında değişen kritik sıcaklıklara sahiptir. Örneğin katı cıvanın kritik sıcaklığı 4,2 K'dir. 2015 itibariyle, geleneksel bir süper iletken için bulunan en yüksek kritik sıcaklık H2S için 203K'dir, ancak yaklaşık 90 gigapaskal yüksek basınçlar gerekmiştir. Kuprat süperiletkenler çok daha yüksek kritik sıcaklıklara sahip olabilir: Keşfedilen ilk kuprat süperiletkenlerden biri olan YBa2Cu3O7'nin kritik sıcaklığı 90 K'in üzerindedir ve cıva bazlı kupratların kritik sıcaklıkları 130 K'in üzerinde bulunmuştur. Yüksek kritik sıcaklıktan sorumlu temel fiziksel mekanizma henüz net değildir. Bununla birlikte, iki elektronlu bir eşleşmenin söz konusu olduğu açıktır, ancak eşleşmenin doğası ( dalga vs. dalga) tartışmalı olmaya devam etmektedir.

Benzer şekilde, kritik sıcaklığın altındaki sabit bir sıcaklıkta, kritik manyetik alandan daha büyük bir harici manyetik alan uygulandığında süper iletken malzemeler süper iletken olmaktan çıkar. Bunun nedeni, normal fazın serbest enerjisi kabaca manyetik alandan bağımsızken, süper iletken fazın Gibbs serbest enerjisinin manyetik alanla birlikte dört kat artmasıdır. Eğer malzeme alan yokluğunda süper iletken ise, süper iletken fazın serbest enerjisi normal fazınkinden daha düşüktür ve bu nedenle manyetik alanın bazı sonlu değerleri için (sıfır manyetik alandaki serbest enerjilerin farkının kareköküyle orantılı olarak) iki serbest enerji eşit olacak ve normal faza bir faz geçişi meydana gelecektir. Daha genel olarak, daha yüksek bir sıcaklık ve daha güçlü bir manyetik alan, süper iletken olan elektronların daha küçük bir kısmına ve sonuç olarak harici manyetik alanların ve akımların daha uzun bir Londra nüfuz derinliğine yol açar. Faz geçişinde nüfuz derinliği sonsuz hale gelir.

Süperiletkenliğin başlangıcına, bir faz geçişinin ayırt edici özelliği olan çeşitli fiziksel özelliklerde ani değişiklikler eşlik eder. Örneğin, elektronik ısı kapasitesi normal (süper iletken olmayan) rejimde sıcaklıkla orantılıdır. Süperiletken geçişte, süreksiz bir sıçrama yaşar ve daha sonra doğrusal olmaktan çıkar. Düşük sıcaklıklarda, bunun yerine bazı sabitler için e-α/T olarak değişir, α. Bu üstel davranış, enerji boşluğunun varlığına dair kanıtlardan biridir.

Süperiletken faz geçişinin sırası uzun süredir tartışma konusuydu. Deneyler geçişin ikinci dereceden olduğunu, yani gizli ısı olmadığını göstermektedir. Bununla birlikte, harici bir manyetik alanın varlığında gizli ısı vardır, çünkü süper iletken faz kritik sıcaklığın altında normal fazdan daha düşük bir entropiye sahiptir. Sonuç olarak, manyetik alan kritik alanın ötesine yükseltildiğinde, ortaya çıkan faz geçişinin süper iletken malzemenin sıcaklığında bir düşüşe yol açtığı deneysel olarak gösterilmiştir.

1970'lerde yapılan hesaplamalar, elektromanyetik alandaki uzun menzilli dalgalanmaların etkisi nedeniyle bunun aslında zayıf birinci dereceden olabileceğini öne sürmüştür. 1980'lerde, süper iletkenin girdap çizgilerinin önemli bir rol oynadığı bir düzensizlik alanı teorisinin yardımıyla, geçişin tip II rejiminde ikinci dereceden ve tip I rejiminde birinci dereceden (yani, gizli ısı) olduğu ve iki bölgenin bir trikritik nokta ile ayrıldığı teorik olarak gösterilmiştir. Sonuçlar Monte Carlo bilgisayar simülasyonları ile güçlü bir şekilde desteklenmiştir.

Meissner etkisi

Bir süper iletken zayıf bir dış manyetik alan H içine yerleştirildiğinde ve geçiş sıcaklığının altında soğutulduğunda, manyetik alan dışarı atılır. Meissner etkisi, alanın tamamen dışarı atılmasına neden olmaz, bunun yerine alan süper iletkene nüfuz eder, ancak yalnızca çok küçük bir mesafeye kadar, London penetrasyon derinliği olarak adlandırılan bir λ parametresi ile karakterize edilir ve malzemenin kütlesi içinde üstel olarak sıfıra düşer. Meissner etkisi, süper iletkenliğin tanımlayıcı bir özelliğidir. Çoğu süper iletken için London nüfuz derinliği 100 nm mertebesindedir.

Meissner etkisi bazen mükemmel bir elektrik iletkeninde beklenen türden bir diyamanyetizm ile karıştırılır: Lenz yasasına göre, bir iletkene değişen bir manyetik alan uygulandığında, iletkende karşıt bir manyetik alan yaratan bir elektrik akımına neden olur. Mükemmel bir iletkende, keyfi olarak büyük bir akım indüklenebilir ve ortaya çıkan manyetik alan, uygulanan alanı tam olarak iptal eder.

Meissner etkisi bundan farklıdır - süper iletkenliğe geçiş sırasında meydana gelen kendiliğinden dışarı atılmadır. Normal durumda, sabit bir iç manyetik alan içeren bir malzememiz olduğunu varsayalım. Malzeme kritik sıcaklığın altına soğutulduğunda, Lenz yasasına dayanarak beklemeyeceğimiz şekilde, iç manyetik alanın aniden dışarı atıldığını gözlemleriz.

Meissner etkisine Fritz ve Heinz London kardeşler tarafından fenomenolojik bir açıklama getirilmiş ve bir süper iletkendeki elektromanyetik serbest enerjinin aşağıdaki koşullarda minimize edildiği gösterilmiştir

Burada H manyetik alan ve λ London penetrasyon derinliğidir.

London denklemi olarak bilinen bu denklem, bir süper iletken içindeki manyetik alanın yüzeyde sahip olduğu değerden üstel olarak azaldığını öngörür.

İçinde çok az manyetik alan olan veya hiç olmayan bir süper iletkenin Meissner durumunda olduğu söylenir. Meissner durumu, uygulanan manyetik alan çok büyük olduğunda bozulur. Süper iletkenler bu bozulmanın nasıl gerçekleştiğine göre iki sınıfa ayrılabilir. Tip I süperiletkenlerde, uygulanan alanın gücü kritik bir Hc değerinin üzerine çıktığında süperiletkenlik aniden yok olur. Numunenin geometrisine bağlı olarak, manyetik alan taşıyan normal malzeme bölgeleri ile alan içermeyen süper iletken malzeme bölgelerinin karışımından oluşan barok bir modelden oluşan bir ara durum elde edilebilir. Tip II süper iletkenlerde, uygulanan alanın kritik bir değer olan Hc1'in ötesine yükseltilmesi, artan miktarda manyetik akının malzemeye nüfuz ettiği, ancak akım çok büyük olmadığı sürece elektrik akımının akışına karşı hiçbir direncin kalmadığı karışık bir duruma (girdap durumu olarak da bilinir) yol açar. İkinci bir kritik alan gücü olan Hc2'de süperiletkenlik yok olur. Karışık durum aslında elektronik süper akışkan içindeki girdaplardan kaynaklanır, bazen akı olarak adlandırılır çünkü bu girdaplar tarafından taşınan akı kuantize edilmiştir. Niyobyum ve karbon nanotüpler hariç çoğu saf element süperiletkenleri Tip I iken, neredeyse tüm saf olmayan ve bileşik süperiletkenler Tip II'dir.

Londra momenti

Tersine, dönen bir süper iletken, spin ekseniyle tam olarak hizalanmış bir manyetik alan üretir. London momenti adı verilen bu etki Gravity Probe B'de iyi bir şekilde kullanıldı. Bu deneyde spin eksenlerini belirlemek için dört süper iletken jiroskopun manyetik alanları ölçüldü. Bu deney için kritik bir öneme sahipti çünkü aksi takdirde özelliksiz bir kürenin spin eksenini doğru bir şekilde belirlemenin birkaç yolundan biriydi.

Süperiletkenliğin tarihçesi

Heike Kamerlingh Onnes (sağda), süperiletkenliğin kaşifi. Paul Ehrenfest, Hendrik Lorentz, Niels Bohr solunda duruyor.

Süperiletkenlik 8 Nisan 1911'de, yeni üretilen sıvı helyumu soğutucu olarak kullanarak kriyojenik sıcaklıklarda katı cıvanın direncini inceleyen Heike Kamerlingh Onnes tarafından keşfedildi. Onnes, 4,2 K sıcaklıkta direncin aniden kaybolduğunu gözlemledi. Aynı deneyde, helyumun süperakışkan geçişini de 2,2 K'de gözlemledi, ancak bunun önemini fark etmedi. Keşfin kesin tarihi ve koşulları ancak bir yüzyıl sonra Onnes'in not defteri bulunduğunda yeniden yapılandırıldı. Sonraki yıllarda, süperiletkenlik başka birçok malzemede de gözlemlendi. 1913'te kurşunun 7 K'de süperiletken olduğu ve 1941'de niyobyum nitrürün 16 K'de süperiletken olduğu bulunmuştur.

Süperiletkenliğin nasıl ve neden çalıştığını bulmak için büyük çabalar sarf edildi; önemli adım 1933 yılında Meissner ve Ochsenfeld'in süperiletkenlerin uygulanan manyetik alanları dışarı attığını keşfetmesiyle atıldı ve bu olgu Meissner etkisi olarak bilinmeye başlandı. 1935 yılında Fritz ve Heinz London, Meissner etkisinin süper iletken akım tarafından taşınan elektromanyetik serbest enerjinin minimize edilmesinin bir sonucu olduğunu gösterdi.

London kurucu denklemleri

Süperiletkenlik için ilk tasarlanan teorik model tamamen klasikti: London kurucu denklemleri ile özetlenmiştir. Fritz ve Heinz London kardeşler tarafından 1935 yılında, manyetik alanların süper iletkenlerden dışarı atıldığının keşfedilmesinden kısa bir süre sonra ortaya atılmıştır. Bu teorinin denklemlerinin en büyük başarısı, bir malzemenin süperiletkenlik eşiğini geçerken tüm iç manyetik alanları üstel olarak dışarı attığı Meissner etkisini açıklama kabiliyetidir. London denklemi kullanılarak, süper iletken içindeki manyetik alanın yüzeye olan uzaklığa bağımlılığı elde edilebilir.

London'a göre bir süper iletken için iki kurucu denklem şunlardır:

İlk denklem Newton'un süper iletken elektronlar için ikinci yasasından gelmektedir.

Geleneksel teoriler (1950'ler)

1950'lerde teorik yoğun madde fizikçileri, bir çift dikkat çekici ve önemli teori aracılığıyla "geleneksel" süperiletkenlik anlayışına ulaştılar: fenomenolojik Ginzburg-Landau teorisi (1950) ve mikroskobik BCS teorisi (1957).

1950 yılında, fenomenolojik Ginzburg-Landau süperiletkenlik teorisi Landau ve Ginzburg tarafından geliştirildi. Landau'nun ikinci dereceden faz geçişleri teorisini Schrödinger benzeri bir dalga denklemiyle birleştiren bu teori, süper iletkenlerin makroskopik özelliklerini açıklamada büyük başarı elde etti. Özellikle Abrikosov, Ginzburg-Landau teorisinin süper iletkenlerin şu anda Tip I ve Tip II olarak adlandırılan iki kategoriye ayrılmasını öngördüğünü gösterdi. Abrikosov ve Ginzburg çalışmalarından dolayı 2003 Nobel Ödülü'ne layık görüldü (Landau başka çalışmalarından dolayı 1962 Nobel Ödülü'nü almıştı ve 1968'de öldü). Ginzburg-Landau teorisinin dört boyutlu uzantısı olan Coleman-Weinberg modeli, kuantum alan teorisi ve kozmolojide önemlidir.

Yine 1950'de Maxwell ve Reynolds ve arkadaşları, bir süper iletkenin kritik sıcaklığının, onu oluşturan elementin izotopik kütlesine bağlı olduğunu bulmuşlardır. Bu önemli keşif, süperiletkenlikten sorumlu mikroskobik mekanizma olarak elektron-fonon etkileşimine işaret etti.

Süperiletkenliğin tam mikroskobik teorisi nihayet 1957 yılında Bardeen, Cooper ve Schrieffer tarafından önerildi. Bu BCS teorisi, süperiletken akımı, fonon alışverişi yoluyla etkileşen elektron çiftleri olan Cooper çiftlerinin süperakışkanı olarak açıklamıştır. Bu çalışma için yazarlar 1972 yılında Nobel Ödülü'ne layık görülmüşlerdir.

BCS teorisi, 1958 yılında N. N. Bogolyubov'un başlangıçta varyasyonel bir argümandan türetilen BCS dalga fonksiyonunun elektronik Hamiltonyen'in kanonik bir dönüşümü kullanılarak elde edilebileceğini göstermesiyle daha sağlam bir temele oturtuldu. 1959'da Lev Gor'kov, BCS teorisinin kritik sıcaklığa yakın Ginzburg-Landau teorisine indirgendiğini gösterdi.

Geleneksel süperiletkenler için BCS teorisinin genellemeleri, lambda geçiş evrenselliği sınıfına girdikleri için süperakışkanlık olgusunun anlaşılmasının temelini oluşturur. Bu tür genellemelerin geleneksel olmayan süperiletkenlere ne ölçüde uygulanabileceği hala tartışmalıdır.

1958’de Bogulyubov’un, BCS dalga fonksiyonunun, Hamiltonian elektroniğinin benzer bir dönüşümüyle açıklanabildiğini göstermesiyle BCS teorisi sağlamlaştı.

Süperakışkanlığı anlamanın temelinde BCS teorisinin perspektifinden bakmak vardır.

Daha ileri tarihçe

Süperiletkenliğin ilk pratik uygulaması 1954 yılında Dudley Allen Buck'ın kriyotronu icat etmesiyle geliştirilmiştir. Kritik manyetik alan değerleri çok farklı olan iki süper iletken, bilgisayar elemanları için hızlı ve basit bir anahtar üretmek üzere birleştirilmiştir.

1911'de süperiletkenliği keşfettikten kısa bir süre sonra Kamerlingh Onnes süperiletken sargılara sahip bir elektromıknatıs yapmaya çalıştı ancak nispeten düşük manyetik alanların incelediği malzemelerde süperiletkenliği yok ettiğini gördü. Çok daha sonra, 1955'te G. B. Yntema, süper iletken niyobyum tel sargılara sahip küçük bir 0,7-tesla demir çekirdekli elektromıknatıs yapmayı başardı. Ardından 1961 yılında J. E. Kunzler, E. Buehler, F. S. L. Hsu ve J. H. Wernick, 4,2 kelvinde, üç kısım niyobyum ve bir kısım kalaydan oluşan niyobyum-kalay bileşiğinin 8,8 tesla manyetik alanda santimetrekare başına 100.000 amperden fazla akım yoğunluğunu destekleyebildiğini şaşırtıcı bir şekilde keşfettiler. Kırılgan ve imalatı zor olmasına rağmen, niyobyum-kalay o zamandan beri 20 tesla kadar yüksek manyetik alanlar üreten süper mıknatıslarda son derece yararlı olduğunu kanıtlamıştır. 1962 yılında T. G. Berlincourt ve R. R. Hake, niyobyum ve titanyumun daha sünek alaşımlarının 10 tesla'ya kadar olan uygulamalar için uygun olduğunu keşfetti. Hemen ardından Westinghouse Electric Corporation ve Wah Chang Corporation'da niyobyum-titanyum süper mıknatıs telinin ticari üretimine başlandı. Niyobyum-titanyum, niyobyum-kalaydan daha az etkileyici süper iletken özelliklere sahip olmasına rağmen, niyobyum-titanyum yine de, büyük ölçüde çok yüksek sünekliği ve üretim kolaylığının bir sonucu olarak, en yaygın kullanılan "beygir" süper mıknatıs malzemesi haline gelmiştir. Bununla birlikte, hem niyobyum-kalay hem de niyobyum-titanyum MRI tıbbi görüntüleyicilerde, devasa yüksek enerjili parçacık hızlandırıcıları için bükme ve odaklama mıknatıslarında ve bir dizi başka uygulamada geniş uygulama alanı bulmaktadır. Bir Avrupa süperiletkenlik konsorsiyumu olan Conectus, 2014 yılında süperiletkenliğin vazgeçilmez olduğu küresel ekonomik faaliyetin yaklaşık beş milyar avroya ulaştığını ve MRI sistemlerinin bu toplamın yaklaşık %80'ini oluşturduğunu tahmin etmektedir.

1962 yılında Josephson, ince bir yalıtkan tabaka ile ayrılmış iki süper iletken parçası arasında bir süper akımın akabileceğine dair önemli bir teorik öngörüde bulunmuştur. Günümüzde Josephson etkisi olarak adlandırılan bu olgu, SQUID'ler gibi süper iletken cihazlar tarafından kullanılmaktadır. Φ0 = h/(2e) manyetik akı kuantumunun mevcut en doğru ölçümlerinde kullanılır, burada h Planck sabitidir. Kuantum Hall direnci ile birleştiğinde bu, Planck sabitinin hassas bir şekilde ölçülmesini sağlar. Josephson bu çalışmasıyla 1973 yılında Nobel Ödülü'ne layık görülmüştür.

2008 yılında, süper iletkenliği üreten aynı mekanizmanın bazı malzemelerde neredeyse sonsuz elektrik direncine sahip bir süper yalıtkan durum üretebileceği öne sürüldü. Süper iletken Bose-Einstein yoğuşmasının (BEC) 2020'deki ilk gelişimi ve çalışması, BEC ve Bardeen-Cooper-Shrieffer rejimleri arasında "yumuşak bir geçiş" olduğunu göstermektedir.

2008’de, süperiletkenliğe sebep olan mekanizmanın, süperyalıtkanlığa da sebep olabileceği ileri sürülmüştür.

Yüksek sıcaklık süperiletkenliği

Süperiletken malzemelerin zaman çizelgesi. Renkler farklı malzeme sınıflarını temsil etmektedir:
  •   BCS (koyu yeşil daire)
  •   Ağır-fermiyon tabanlı (açık yeşil yıldız)
  •   Cuprate (mavi elmas)
  •   Buckminsterfulleren tabanlı (mor ters üçgen)
  •   Karbon-allotrop (kırmızı üçgen)
  •   Demir-pniktojen bazlı (turuncu kare)
  •   Stronsiyum_rutenat (gri beşgen)
  •   Nikel bazlı (pembe altı noktalı yıldız)

1986 yılına kadar fizikçiler BCS teorisinin yaklaşık 30 K'in üzerindeki sıcaklıklarda süper iletkenliği yasakladığına inanıyorlardı. O yıl Bednorz ve Müller, 35 K geçiş sıcaklığına sahip lantan bazlı bir kuprat perovskit malzeme olan lantan baryum bakır oksitte (LBCO) süper iletkenliği keşfettiler (Nobel Fizik Ödülü, 1987). Kısa süre sonra lantanın itriyum ile değiştirilmesinin (yani YBCO'nun yapılmasının) kritik sıcaklığı 90 K'nin üzerine çıkardığı bulunmuştur.

Bu sıcaklık sıçraması özellikle önemlidir, çünkü sıvı helyumun yerini alarak sıvı nitrojenin soğutucu olarak kullanılmasını sağlar. Bu ticari açıdan önemli olabilir çünkü sıvı nitrojen yerinde bile nispeten ucuza üretilebilir. Ayrıca, daha yüksek sıcaklıklar, kriyojenik hatları tıkayabilen ve beklenmedik ve potansiyel olarak tehlikeli basınç artışına neden olabilen donmuş hava tıkaçlarının oluşumu gibi sıvı helyum sıcaklıklarında ortaya çıkan bazı sorunların önlenmesine yardımcı olur.

O zamandan beri birçok başka kuprat süperiletken keşfedilmiştir ve bu malzemelerdeki süperiletkenlik teorisi, teorik yoğun madde fiziğinin en önemli zorluklarından biridir. Şu anda iki ana hipotez vardır - rezonans-değerlik-bağ teorisi ve araştırma topluluğunda en çok desteğe sahip olan spin dalgalanması. İkinci hipotez, yüksek sıcaklıktaki süper iletkenlerde elektron eşleşmesine paramagnonlar olarak bilinen kısa menzilli spin dalgalarının aracılık ettiğini öne sürmektedir.

2008 yılında Gubser, Hartnoll, Herzog ve Horowitz tarafından holografik ikilik veya AdS/CFT uyum teorisini kullanan holografik süperiletkenlik, belirli malzemelerdeki yüksek sıcaklık süperiletkenliğinin olası bir açıklaması olarak önerilmiştir.

Yaklaşık 1993'ten beri bilinen en yüksek sıcaklık süper iletkeni, Tc = 133-138 K olan cıva, baryum, kalsiyum, bakır ve oksijenden (HgBa2Ca2Cu3O8+δ) oluşan seramik bir malzemeydi.

Şubat 2008'de demir bazlı yüksek sıcaklık süperiletkenleri ailesi keşfedildi. Tokyo Teknoloji Enstitüsü'nden Hideo Hosono ve meslektaşları, 26 K'nin altında süper iletken olan bir oksipnictid olan lantan oksijen flor demir arsenidi (LaO1-xFxFeAs) buldu. LaO1-xFxFeAs'deki lantanın samaryum ile değiştirilmesi, 55 K'de çalışan süper iletkenlere yol açar.

2014 ve 2015 yıllarında, hidrojen sülfür (H
2S) aşırı yüksek basınçlarda (yaklaşık 150 gigapaskal) 80 K geçiş sıcaklığına sahip bir yüksek sıcaklık süper iletkeni olduğu önce tahmin edildi ve daha sonra doğrulandı. 2019 yılında ayrıca lantan hidrürün (LaH
10) 170 gigapaskal basınç altında 250 K'de bir süper iletken haline gelir.

2018 yılında Massachusetts Teknoloji Enstitüsü Fizik Bölümü'nden bir araştırma ekibi, bir katmanı soğutma ve küçük bir elektrik yükü uygulama ile yaklaşık 1,1 derecelik bir açıyla bükülmüş iki katmanlı grafende süper iletkenlik keşfetti. Deneyler yüksek sıcaklıklı bir ortamda gerçekleştirilmemiş olsa bile, yabancı atomların eklenmesine gerek olmadığı için sonuçlar klasik ama yüksek sıcaklıktaki süper iletkenlerle daha az ilişkilidir. Süperiletkenlik etkisi, elektronların grafen katmanları arasında "skyrmion" adı verilen bir girdaba dönüşmesi sonucunda ortaya çıkmıştır. Bunlar tek bir parçacık gibi hareket ederek grafen katmanları boyunca eşleşebiliyor ve süper iletkenlik için gereken temel koşulları sağlıyor.

2020 yılında Nature dergisindeki bir makalede, yaklaşık 270 gigapaskal basınç altında hidrojen, karbon ve sülfürden yapılan oda sıcaklığında bir süper iletken tanımlandı. Bu, şu anda herhangi bir malzemenin süper iletkenlik gösterdiği en yüksek sıcaklıktır.

Şubat 2008’de demir bazlı süperiletkenler bulunmuştur. 2015’te de hidrojen sülfürün 203 Kelvin’den aşağıda süperiletkenlik gösterdiği keşfedildi ancak bu durum yalnızca yüksek basınçta gerçekleşiyordu.

Uygulamalar

YBCO'nun süper iletken havalanma videosu

Süperiletken mıknatıslar bilinen en güçlü elektromıknatıslardan bazılarıdır. MRI/NMR makinelerinde, kütle spektrometrelerinde, parçacık hızlandırıcılarında kullanılan ışın yönlendirme mıknatıslarında ve bazı tokamaklardaki plazma sınırlama mıknatıslarında kullanılırlar. Pigment endüstrilerinde olduğu gibi, zayıf manyetik partiküllerin daha az veya manyetik olmayan partiküllerden oluşan bir arka plandan çıkarıldığı manyetik ayırma için de kullanılabilirler. Yüksek elektrik akımlarının getirdiği kısıtlamaların üstesinden gelmek için büyük rüzgar türbinlerinde de kullanılabilirler. 3,6 megavatlık endüstriyel sınıf süper iletken rüzgar değirmeni jeneratörü Danimarka'da başarıyla test edilmiştir.

1950'lerde ve 1960'larda süper iletkenler, kriyotron anahtarları kullanılarak deneysel dijital bilgisayarlar oluşturmak için kullanılmıştır. Daha yakın zamanlarda süper iletkenler, hızlı tek akılı kuantum teknolojisine dayalı dijital devreler ve cep telefonu baz istasyonları için RF ve mikrodalga filtreleri yapmak için kullanılmıştır.

Süper iletkenler, bilinen en hassas manyetometreler olan SQUID'lerin (süper iletken kuantum girişim cihazları) yapı taşları olan Josephson bağlantılarını oluşturmak için kullanılır. SQUID'ler taramalı SQUID mikroskoplarında ve manyetoensefalografide kullanılmaktadır. SI voltunu gerçekleştirmek için Josephson cihazları serisi kullanılır. Süperiletken foton dedektörleri çeşitli cihaz konfigürasyonlarında gerçekleştirilebilir. Belirli bir çalışma moduna bağlı olarak, bir süper iletken-yalıtkan-süper iletken Josephson bağlantısı bir foton dedektörü veya bir karıştırıcı olarak kullanılabilir. Normal durumdan süper iletken duruma geçişteki büyük direnç değişimi, kriyojenik mikro kalorimetre foton dedektörlerinde termometreler oluşturmak için kullanılır. Aynı etki süper iletken malzemelerden yapılan ultra hassas bolometrelerde de kullanılır. Süper iletken nanotel tek foton dedektörleri yüksek hızlı, düşük gürültülü tek foton algılaması sunar ve gelişmiş foton sayma uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır.

Yüksek sıcaklık süperiletkenliğine dayalı cihazların göreceli verimlilik, boyut ve ağırlık avantajlarının ilgili ek maliyetlerden daha ağır bastığı diğer erken pazarlar ortaya çıkmaktadır. Örneğin, rüzgar türbinlerinde süper iletken jeneratörlerin daha düşük ağırlığı ve hacmi, inşaat ve kule maliyetlerinde tasarruf sağlayarak jeneratör için daha yüksek maliyetleri dengeleyebilir ve toplam seviyelendirilmiş elektrik maliyetini (LCOE) düşürebilir.

Gelecekte umut vaat eden uygulamalar arasında yüksek performanslı akıllı şebeke, elektrik enerjisi iletimi, transformatörler, güç depolama cihazları, elektrik motorları (örneğin, vagonlarda veya maglev trenlerinde olduğu gibi araç tahriki için), manyetik kaldırma cihazları, arıza akımı sınırlayıcıları, süper iletken malzemelerle spintronik cihazların geliştirilmesi ve süper iletken manyetik soğutma yer almaktadır. Ancak, süperiletkenlik hareketli manyetik alanlara karşı hassastır, bu nedenle alternatif akım kullanan uygulamaların (örneğin transformatörler) geliştirilmesi doğru akıma dayananlara göre daha zor olacaktır. Geleneksel enerji hatlarıyla karşılaştırıldığında, süper iletken iletim hatları daha verimlidir ve yalnızca daha az yer kaplar; bu da yalnızca daha iyi bir çevresel performansa yol açmakla kalmaz, aynı zamanda elektrik şebekesinin genişletilmesi için halkın kabulünü de artırabilir. Bir başka cazip endüstriyel özellik de daha düşük voltajlarda yüksek güç iletimi yeteneğidir. Soğutma sistemlerinin verimliliğindeki gelişmeler ve sıvı nitrojen gibi ucuz soğutucuların kullanımı da süperiletkenlik için gereken soğutma maliyetlerini önemli ölçüde azaltmıştır.

Yüksek ısılı süperiletkenlerdeki boyut ve maliyet avantajı birkaç pazarlama alanında kullanılmaya başlanmıştır. Örneğin bir rüzgâr türbininin süperiletken maddelerle yapılması daha ucuzdur.

Süperiletkenlik için Nobel Ödülleri

  • Heike Kamerlingh Onnes (1913), "diğerlerinin yanı sıra sıvı helyum üretimine yol açan düşük sıcaklıklardaki maddenin özellikleri üzerine yaptığı araştırmalar için".
  • John Bardeen, Leon N. Cooper ve J. Robert Schrieffer (1972), "birlikte geliştirdikleri ve genellikle BCS teorisi olarak adlandırılan süperiletkenlik teorisi için".
  • Leo Esaki, Ivar Giaever ve Brian D. Josephson (1973), "sırasıyla yarı iletkenlerde ve süper iletkenlerde tünelleme olaylarına ilişkin deneysel keşifleri için" ve "bir tünel bariyerinden geçen bir süper akımın özelliklerine, özellikle de genel olarak Josephson etkileri olarak bilinen olaylara ilişkin teorik tahminleri için".
  • Georg Bednorz ve K. Alex Müller (1987), "seramik malzemelerde süperiletkenliğin keşfinde yaptıkları önemli atılım için".
  • Alexei A. Abrikosov, Vitaly L. Ginzburg ve Anthony J. Leggett (2003), "süperiletkenler ve süperakışkanlar teorisine öncü katkıları için".

Heike Kamerlingh Onnes (1913)

Bardeen, Cooper, Schrieffer (1972)

Esaki, Giaever, Josephson (1973)

Bednorz, Müller (1987)

Abrikosov, Ginzburg, Leggett (2003)

Kosterlitz, Haldane, Thouless (2016)

İşleyiş Teorisine Göre

BCS teorisiyle açıklanabiliyorsa bilinen bir süperiletken, açıklanamıyorsa bilinmeyen (alışık olunmayan) bir süperiletkendir.

Süperiletkenliğin teknolojik uygulaması

  • Manyetik güç depolama
  • Maglev trenleri
  • Maglev rüzgâr türbinleri
  • SQUIDs
  • Süperiletken bolometreler
  • Süperiletken kablolar
Süperiletkenliğe ilişkin bir video

Galeri

https://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity#/media/File:Meissner_effect_p1390048.jpg31 Ağustos 2017 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.

https://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity#/media/File:Ehrenfest_Lorentz_Bohr_Kamerlingh_Onnes.jpg31 Ağustos 2017 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.