Geçtiğimiz günlerde 21. yüzyılın en büyük keşfinin yapıldığı haberi basında geniş biçimde yer aldı. Bu heyecanın nedeni Güney Koreli araştırmacıların 22 Temmuz’da oda sıcaklığında süper iletkenliğe ulaşmayı başaran LK-99 isimli bir malzemeyi geliştirmeyi başarmasıydı. Ancak dünyanın dört bir yanındaki bilim insanlarının takip deneylerinden sonra, LK-99’un o kadar da özel olmadığı görülüyor.
Elde edilen son bulgular bir çok kişinin hevesini kursağında bıraksa da, oda sıcaklığında bir süper iletken hayali hala çok canlı.
Süper iletken nedir ve neden yararlıdır?
Maddeleri özelliklerine göre sınıflandırdığımız gruplardan bir tanesi elektriksel iletkenliktir. Bakır gibi elektriksel iletkenliği olan metallerde akım malzemenin içinden oldukça kolayca geçer. Elektriksel iletkenlik “yük taşıyan elemanlar” yani elektronlar aracılığıyla gerçekleştirilir.
Elektriği ileten şey, gevşek biçimde dizili elektronlardır. Onları harekete geçirerek elektrik akımı elde edebilirsiniz. Her gün kullandığımız bilgisayar veya cep telefonu gibi cihazlarımızın perde arkasında bu iletim mekanizması vardır.
Fakat iletim sırasında oluşan direnç nedeniyle bir miktar enerji, ısı olarak kaybolur. Bu durum kullandığımız ekipmanların verimliliğinin düşmesine de neden olur. İletim ne kadar dirençsiz sağlanırsa enerjiden o kadar kazanırız.
Bir süper iletkende sıfır direnç vardır ve elektrik akımı, herhangi bir enerji kaybetmeden mükemmel bir şekilde sorunsuz bir şekilde akar. Birçok metal çok düşük sıcaklıklarda süper iletken hale gelir. Bir metal kritik bir sıcaklığın altına düştüğünde, metaldeki elektronlar Cooper çiftleri adı verilen bağlar oluşturur. Bu şekilde kilitlenen elektronlar herhangi bir elektriksel direnç sağlayamaz. Sonucunda elektrik, metalin içinden mükemmel bir şekilde akar.
Süper iletkenler nasıl Keşfedildi?
Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes’e 1911’de laboratuvarında cıvanın elektriksel özelliklerini incelerken, sıcaklığı 4,2 Kelvin’in altına düşürdüğünde ( mutlak sıfırın biraz üstü) cıvadaki elektrik direncinin tamamen ortadan kalktığını keşfetti.
Bu sonucu doğrulamak için Onnes, aşırı soğutulmuş cıva örneğine elektrik akımı uyguladı. Sonrasında da pilin bağlantısını kesti. Elektrik akımının cıvada azalmadan devam ettiğini buldu. Sonucunda bu da elektrik direncinin olmadığını doğruladı ve gelecekteki süper iletkenlik uygulamalarına kapı açtı. Devamında fizikçiler, süper iletkenlerin doğasını ve buna neyin sebep olduğunu anlamak için onlarca yıl harcadılar.
1933’te fizikçiler Walther Meissner ve Robert Ochsenfeld, süper iletkenlerin yakındaki herhangi bir manyetik alanı itme özelliği olduğunu da buldular. Bu fenomene Meissner etkisi denir.
Süper İletkenler Bir Çok Defa Nobel Ödülünün Kapısını Açtı
Süperiletkenlerin özelliklerini tahmin etmede başarılı olmakla birlikte ortaya atılan tüm teoriler “makroskobik” idi. Yani gözlemlerimize dayanıyordu. Ancak mikroskobik düzeyde neler olup bittiğine dair henüz bir fikrimiz yoktu.
1957’de fizikçiler John Bardeen, Leon N. Cooper ve Robert Schrieffer süper iletkenliğin mikroskobik mekanizmasını açıklamayı başaracaktı. Bunu yüzyılın ilk çeyreğinde geliştirilen kuantum mekaniğini kullanarak yapacaklardı.
Üçlü fizik tarihinde ender gerçekleştirilebilen bir başarıya imza atarak, sistemin kuantum mekaniksel dalga fonksiyonunu yazdılar. Nobel ödülü kazandıran bu çalışmaları günümüzde soyadlarının baş harflerini taşır ve BCS kuramı olarak bilinir. ( Süperiletkenlik konusu ile ilgili çalışmalar şu ana kadar yedi kez Nobel ödülü almaya layık görülmüştür.)
BCS kuramının temel fikirlerinden ilki, akım taşıyıcısı elektronların bağımsız değil çiftler halinde hareket etmesidir. Bunun sonucunda da yukarıda da bahsettiğimiz Cooper çiftleri ortaya çıkar. Ancak, bu yalnızca düşük sıcaklıklarda çalışır. Metal çok ısındığında, elektronlar Cooper çiftlerinin bağlarını kırmak ve direnç göstermeye geri dönmek için yeterli enerjiye sahip olur.
Süper iletkenler ne işe yarayacak?
Süper iletkenler çok faydalıdır. MRI tarayıcılarında, parçacık hızlandırıcılarında, füzyon reaktörlerinde ve maglev trenlerinde olduğu gibi son derece güçlü elektromıknatıslar oluşturmak için kullanılabilirler. Esasen, gerçekten güçlü bir manyetik alana veya elektrik akımına ihtiyacınız olduğunda ve ekipmanınızın açtığınız anda erimesini istemiyorsanız, bir süper iletkene ihtiyacınız vardır.
Mevcut süper iletkenler yalnızca ultra soğuk sıcaklıklarda çalışır, bu nedenle pahalı soğutma sistemleri gerektirirler. Günlük sıcaklık ve basınçta süper iletken olan bir malzeme çok daha yaygın olarak kullanılacaktır.
Süper iletkenlik olgusu, tam yüz yıldır bilim ve teknoloji dünyasının göz bebeği olmayı sürdürüyor. Bu haklı yeri, hem temel fizikteki, hem de teknolojik uygulamalardaki geniş kullanım alanlarından kaynaklanıyor. Bununla birlikte, konu ile ilgili bilgimiz gelişmiş olsa da, daha yüksek sıcaklıklarda süper iletkenlik gösterecek yeni malzemeleri henüz kesin olarak tahmin edemiyoruz
Peki ya LK-99?
LK-99 oksijen, fosfor, kurşun ve bakır içeren bir bileşiktir. Belgeler süper iletkenlik iddiasını ortaya attığı sırada bu materyal hakkında çok az şey biliniyordu. Ancak ortaya atılan iddia neticesinde dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar malzemeyi anlama ve sonuçları yeniden oluşturma çabasına girdi. Sonuçlar LK-99 bileşiğinin bir süper iletken olduğunu doğrulamadı.
Ancak elbette araştırmacıların amaçları kitleleri yanıltmak değildi. Bu malzeme de bulunan bakır sülfür, yaklaşık 127°C sıcaklıkta dirençte ani ve büyük bir değişiklik yaşar. Muhtemelen araştırmacılar dirençteki bu düşüşü görmüşler ve bunun LK-99’un bir süper iletken olmasına bağlamışlardı.
Sonuç olarak LK-99’u incelenecek materyaller listesinden çıkarabiliriz, ancak arama devam ediyor. Elektronları bir araya getirmek, süper iletkenliğin anahtarıdır, ancak doğal olarak birbirlerini ittikleri için bunu yapmak zordur. Sonuç olarak oda sıcaklığında kararlı süper iletken malzemeler üretmekse deneysel fizikçilerin rüyalarını süslemeye devam ediyor. Ayrıca göz atmak isterseniz: En İyi Yarı-İletken İle Tanışın: Kübik Bor Arsenit
Kaynaklar ve ileri okumalar
- What is a superconductor?Yayınlanma tarihi: 24 Mayıs 2021; Bağlantı: https://www.livescience.com/
- Dasenbrock-Gammon, N., Snider, E., McBride, R. et al. Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride. Nature 615, 244–250 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05742-0
- LK-99 isn’t a superconductor — how science sleuths solved the mystery. Yayınlanma tarihi: 16 Ağustos 2023. Bağlantı: LK-99 isn’t a superconductor — how science sleuths solved the mystery
- Hopes fade for ‘room temperature superconductor’ LK-99, but quantum zero-resistance research continues. Yayınlanma tarihi: 20 Ağustos 2023. Bağlantı: Hopes fade for ‘room temperature superconductor’ LK-99, but quantum zero-resistance research continues
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak veya Patreon üzerinden ufak bir bağış yaparak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
