ENDÜSTRİ SÜPERİLETKENLİĞİE ISINIYOR

ENDÜSTRİ SÜPERİLETKENLİĞE ISINIY OR*

John LAMB Çeviren: Levent DEĞERTEKİN

Sanayiciler ve iş çevreleri, güç kablolarından bilgisayar lara kadar bütün teknolojide büyük bir değişimi müjdele

* özgün Metin: "Industry Warms to Superconductivity", Nçw Scientist, 22 Ekim 1987, No: 1583.

yen süperiletkenlik konusunda çok tedbirli davranıyor.

98 Kelvin'de elektriğe olan direncini kaybeden seramik lerin bulunuşu süperiletken teknolojisinin ekonomik du rumunu tersine çevirme konusunda ümit veriyor. Bilim adamları süperiletkenlikte kaydedilen en yüksek sıcak

lığı daha da yükseltmek için birbirleriyle yarışırken, iş çevreleri bu endüstriye pek sıcak bakmıyorlar. Süperiletken özelliklerini kazanmaları için yüksek sıcak lıkta (900 1100"C) fırınlama işleminden çıkan ham malze meler Yitriyum, baryum ve bakır oksit bileşimleri kömür yumrularını andırıyor. Süperiletken teknolojisi üzerinde çalışan Oxford Instrument'dan Paul Winson'a göre, bu süperiletken malzemeler yılda 3 7 milyar dolarlık bir tica ret metası haline gelecek. Süperiletkenler, direnç nedeniyle enerji kaybına neden olmadan elektriği iletebilirler. Güç kabloları, yongalar gibi elektrik iletimiyle ilgili tüm uygulamalar için idealdirler. Süperiletkenler elektrik akımını sadece kayıpsız iletmek le kalmayıp büyük miktarda akım da taşıyabilirler. Küçük süperiletken bobinli mıknatıslar çok fazla enerji tüket meden güçlü manyetik alanlar yaratabilirler. Bu gibi mık natıslar, manyetik alan sayesinde havada giden trenlerin yapımını sağlayabilir, hızlandırıcı tünellerde ve nükleer manyetik rezonans tarayıcılarında parçacık saptırıcısı olarak kullanılabilirler. Elektronik mühendisleri süperiletkenlerin "Meissner etki si" olarak bilinen özelliğini d uy aç (sensor) ve transistor benzeri aygıtlar üretmek için kullanılabilrler. Süperilet kenler, süperiletkenliklerini ortadan kaldıran kritik bir dü zeyin üzerine çıkmayan güçteki manyetik alanları içle rine almazlar. Bilim adamları, kuantize bir şekilde meyda na gelen "Meissner Etkisi" ni yakındaki manyetik alanla rın ölçülmesi veya ikili aritmetiğin "O" ve Tlerini simgele mekte kullanabilir. Bu alandaki tek sakınca bir yıl öncesine kadar 23.3 Kel vin'in üzerinde bir sıcaklıkta süperiletkenliğe ulaşılama mış olmasıdır. Bu durum süperiletkenliğin bir çok gizil (Potansiyel) uygulamalarını, onları çok pahalı ve kulla nışsız hale getiren soğutma sorunları nedeniyle, düşü nülmez hale getirmiştir. Süperiletkenlerin endüstride geniş uygulama alanları olmasına rağmen, ilk atılımları daha çok elektronik şirket leri gerçekleştirmekteler. GEC'in Hirst Araştırma Merke zi'ndc 4 yıldır düşük sıcaklık süperiletkenlerinden yapı lan"Josephson Eklemleri" konusunda çalışan Kari

Şckil 1. AT&T'nin süperiletken malzemesi "Meissrter et kisi"ni gösteriyor.

Gehring'e göre, yüksek sıcaklık süperiletkenlerden ya

pılmış elektronik duyaçlar, mikrodalga dedektörleri ve analogdan sayısala çeviriciler gibi aygıtların ticari piya saya çıkması bir kaç yıl daha alacak. Dünya'nın manye tik alanı 1/10000 Tesla ve çamaşır makinası motorlarının ürettiği manyetik alanlar 1 Tesla iken düşük sıcaklık sü periletkenleri (4Kelvin) kullanılarak yapılan mıknatıslar 10 Tesla civarında manyetik alanlar üretebilmektedir. Süperiletken mıknatısların avantajı elektrik dirençlerinin olmaması ve çok az ısınması nedeniyle enerji tüketimle rinin oldukça düşük olmasıdır. Varolan süperiletken uygulamalarının, sıvı helyum soğut masından (4Kelvin) sıvı azot soğutmasına (77Kelvin) geçme işleminden çok yararlanacağı açıktır, çünkü sıvı helyumun litresi 3 pound (6000TL) iken sıvı azotun litresi sadece birkaç peniye (100TL) malolmaktadır. Fiyattaki bu azalma, süperiletken mıknatıslarla çalışan bir tıbb tarayıcı örneğinde yılda 17000 paund kazanç sağlaya caktır. Şu sıralarda kullanılan nükleer rezonans tarayıcı

Şekil 2. Bir tıbbi tarayıcıdaki mıknatısların soğutulma sında helyumdan azota geçiş, masraflarda 17000 paundluk kazanç sağlayabilir.

larında giderlerin büyük kısmı soğutma sistemi için har canmaktadır. Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinden yapılan mıknatıslar bilimin en pahalı gereçlerinden olan parçacık hızlandırıcı larının da imdadına yetişebilirler. ABD, parçacıkları hız landırmak amacıyla 10000 mıknatısın kullanılacağı bir sü per çarpıştırıcı için 4.4 milyar dolar harcamayı düşün mektedir. İyimser, plancılar yeni malzemelerin kullanıl masıyla maliyetten 160 milyar dolar kazanılacağını ve enerji harcamalarından dörtte bir oranında tasarruf edile bileceğini düşünmektedirler. Fizikçiler ise, bu ucuz mık natısların hazırlanmasını beklemek veya ilk tasarımlarını uygulamaya devam etmek konusunda kararsız görünü yorlar. Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinden yapılan mıknatıs ların bir çok alandaki uygulamaları da hazır: Örneğin manyetik maddelerin manyetik olmayanlardan ayrılması. Amerikan maden şirketlerinden Huber, geleneksel sü periletken mıknatısları "China Clay'in rengini donuklaş tıran manyetik bulaşıklardan temizlemek amacıyla kul lanmaktadır.

1: SÜPERİLETKENLERİN OLAĞANDIŞI DAVRANIŞLARI VE JOSEPHSON

Süperiletkenlerden yapılan temel elektronik aygıt Josephson tünel eklemleridir. Bu aygıt ismini 1962' de çalışmasının dayandığı fiziksel etkileri belirleyen Cambridge fizik çisi Josephson'dan alınmıştır. Bu eklemlerden oluşturulacak gruplar la bilgisayarlar için mantık devrele ri, bellek hücreleri ve bir takım du yaçlar yapılabilir.

Genel olarak bir Josephson eklemi iki süperiletken elektrot ile bu elekt rotlar arasında sandviçlenmiş 15 atom kalınlığındaki yalıtkan bir ok sitten oluşur. Mikro köprüler, nok tasal temas cihazları gibi bazı ek lemler ise tamamen süperiletken maddelerden yapılmaktadır. Bu c ihazlarda malzeme üzerinde yalıt kan gibi davranan çok dar bir geçit oluşturarak tünelleme sağlanmak tadır.

Konuya klasik fizik açısından yak laşmış olan Josephson, elektron çiftlerinin geçiş (atlama) sırasında enerjiye ihtiyaçları olmasına rağ men, yalıtkanın içinde tünelleme yaparak eklemde süperakımlar ya ratabileceğini göstermiştir. Bu olay eklemin yeteri kadar ince ve sıcak lığın kritik sıcaklıktan düşük olduğu durumlarda meydana gelmektedir. Tünelleme sırasında akımında kritik akımdan düşük olması gerekmek tedir.

Süperiletkenlikte yer alan elektron lar normal şekilde davranmazlar. Cooper çiftleri olarak bilinen durum da eşleşen elektronlar ayrı ayrı ta neciklerden çok aynı fazdaki iki dalga olarak düşünülebilirler. Elekt ron dalgaları yalıtkan içinde de de vam etmekte ve belli bir yere kadar yalıtkan maddelerin içine sokulabil mektedir.

Josephson, eklemlerine "zayıf bağ lantılar" (Weak links) adını vermiş tir. Çünkü bu eklemlerdeki süpera kımı değiştirmek veya durdurmak aynı işlemi süperiletken maddeler de yapmaktan daha kolaydır. Örne ğin bir manyetik alan, eklemlerdeki elektron akışını kolayca engelleye

bilmektedir. Bu da Josephson ek lemlerinin can alıcı noktasını oluştu rur. Eklemden geçmekte olan elekt ron dalgaları dış manyetik alanlar dan konumlarına göre değişik şekil lerde etkilenmektedir. Herhangi bir manyetik alanın etkisinde kalan eklemin bazı noktalarında akım ters dönmekte, bazısında durmakta ba zı bölümlerde ise akışına devam et mektedir. Bu değişik etkileşimler sinüzoidal bir şekil oluşturmaktadır. Eklemden akım geçip geçmeyece ğini bu değişik hareketlerin toplamı belirlemektedir. Uygulanan manye tik alan güçlendikçe oluşan sinüs eğrisinin frekansı artmaktadır. Bu sinüs eğrisi eklem üzerinde tek sa yıda döngü yaparsa akım oluşmak ta, çift sayıda döngü durumunda akım durmaktadır. Manyetik alan artırılınca frekans yükselmekte ve eklem (akım geçirip, geçirmeyerek) açılıp kapanmaktadır.

Josephson ekleminden yapılan "anahtar'da manyetik alan bir kont rol hattı tarafından sağlanır. Bu hat, eklemi mantıksal devre elemanı ha line getirmek için gerekli anahtarla mayı yapar. Eklemin yarısı, bir ucu akım kaynağına diğer ucu da bir çeşit çıkışa bağlı olan bir hattan oluşmaktadır. Bir mantık devresin de bir eklemin çıkışı diğer bir ekle

min kontrol hattı olabilir. Eklemin di ğer yarısı da toprakla bağlantılıdır. Manyetik alanın yokluğunda, yan kontrol hattından akım geçmediğin de eklemden de\akım geçmez ve gelen akım toprağa iletilir. Kontra hattından akım geçtiğinde oluşan manyetik alan, anahtarın açılması na ve akımın eklem üzerinden çıkış cihazına geçmesine neden olur.

Gerilim de Josephson eklemindeki akımı etkiler. Eklem , süperiletken durumda iken üzerinde gerilim oluş maz. Fakat akım kritik düzeyi aştı ğında veya bir manyetik alanın etki siyle süperiletkenlik ortadan kalktı ğında bir gerilim gözlenir. Elektrik alanı da manyetik alan gibi süpera kımı etkiler. Ancak elektrik alanı uygulandığından eklemdeki akım konuma değil zamana bağlı olarak değişmektedir. Gerilimsiz ortamda akım normal olarak akmakta, sınırlı bir gerilim (elektrik alanı) uygulandı ğında ise akım yüksek frekansta yön değiştirmektedir, (yüksek fre kanslı değişken akım, ac oluş maktadır.) Imv'luk gerilimler bile 500GHz gibi yüksek frekanslara neden olmaktadır. Eklemin gerilime karşı tepkisi o kadar keskince has sastır ki uluslararası gerilim stan dartları Josephson eklemleri kulla nılarak belirlenmektedir.

Şekil 3. 25 mikron2 'lik bir Josephson ekleminin iç yapısı: Elektrotlara akım uygulandığında elektron çiftleri yalıtkan bir oksit tabakası içinden lünclleme yaparlar. Sıcaklık da yeteri kadar düşükse, elektronlar eklemde süperiletken bir akım yaratırlar.

Süperiletkenliğe en yüksek sıcaklıkta ulaşmak için şir ketler arasında oluşan müthiş rekabet de hızla devam ediyor. Japon Elektronik Teknolojisi Genel Araştırma Enstitüsü, 300'K (veya 27'C)'de süperiletkenliğe ulaş tığını iddia ediyor. Sumitomo Elektrik, Houston Üniv. ve Yeni Delhi Ulusal Fizik Laboratuvarlarının üçü de, ancak bir kaç günlük bir süre için O'C'nin üzerinde süperiletken liğe ulaştıklarını söylüyorlar. Araştırmacılar, bazı meslek taşlarının elde ettikleri sonuçları tekrarlayamamaktan şikayet ediyorlar. Buna karşılık gelişmeler şaşırtıcı bir hızla devam ediyor. 1986 Nisan'ı sonunda, İngiliz teknik yöneticileri olası süperiletken uygulamalarını, bu malzemelerin en fazla 1000 A/sm2'lik akım yoğunluğu taşıyabilecekleri tahmini ne göre değerlendiriyorlardı ki bu yoğunluk bir çok uygulama için yeterli değildir. Ancak hemen bir kaç hafta içinde IBM, elektronik uygulamalarının çoğunda yeterli olan 10000 A/smz'lik akım yoğunluğunu taşıyabilecek bir madde ürettiğini duyurdu.

Süperiletken malzemeler, dirençlerinin olmaması nede niyle elektrik enerjisini veya sinyalleri kayıp olmadan iletebilirler. Bu nokta, daha şimdiden helyumla soğutul muş yeraltı kablolarını deneyen elektrik şirketlerinin gözünden kaçmamıştır. İletilen elektrik enerjisinin % 10'u enerji hatlarının direnci nedeniyle kaybedilmektedir. Leatherhead'daki Merkezi Elektrik Araştırma Laboratu

varı (CERL) daha 1970'lerde süperiletken kabloları dene miş ve süperiletkenlerin ancak bugün normal hatlarda taşınan yükün bir kaç katı olan 8000 MVVatt yük taşımak ve bakır kabloların 20 katına mal olmak şartıyla kulla nılabilir olabileceği sonucuna varmıştır.

RADY O DALGALARIY LA İLGİLİ SORUNLAR

Güç mühendisleri, kanal açıp soğutulmuş kablo döşe menin yüksek maliyeti yanında dalgalı akım (ac) taşıyan kablolardaki doğal güçlüklerle de uğraşmak zorunda dırlar. Dalgalı akım, her iletkende koruyucu yalıtkan mad deyi ısıtan radyo dalgaları yaratır. Güç mühendisleri dal galı akım taşıyan süperiletken kablolarda oluşacak ka yıpları telafi etmek için sıcaklığı daha da düşürmek zo runda kalacaklardır. Sadece doğru akım (de), kayıpsız olarak iletilmektedir. ABD'deki Brookhaven Ulusal Labo ratuvarında helyum soğutmalı süperiletkenlerden yapılan 100 metrelik enerji hattı üzerindeki araştırmalar. Merkezi Elektrik Kurumu'nun (CEGB) geleneksel teknikler hak kındaki değerlendirmesini desteklemektedir. Buna kar şılık Amerikalılar azot soğutmalı kabloların (enerji hatla rının) 50 güç merkezini kapattıracak kadar kazanç sağ layacağına inanmaktadırlar.

Elektriksel direnç, sinyal kalitesinde düşüşlere neden

Şekil 4. Bu SQUID manyetoölçer paleoraanyetik araştırmalar için ka ya örneklerindeki manyetizmayı öl çer. Küçük resim Cryogenic'in ticari amaçla ürettiği RF (radyo frekans) SQUID'

2: DUY ARLI SO.UID, M I K NA TI SL I Ğ A GÜVENİ Y OR

Josephson eklemlerinin en yaygın kullanılışı SQUID (süperiletken kauntum girişim cihazı) denilen ay gıtlarda görülmektedir.

Öncelikle manyetik alanların ölçül mesinde kullanılan düşük sıcaklık SQUID'leri çeyrek yüzyıldar, fazla bir süredir ticari piyasada bulun maktadır. SOUlD'ler çok hassas aletlerdir. Örneğin GEC bu aletleri beyinde oluşan çok zayıf manyetik alanları ölçmek için kullanmaktadır. SOUlD'ler bilgisayarların mantık ve bellek geliştirme araştırmalarında deney cihazı olarak kullanılmakta dır. Londra'daki Ulusal Fizik Labo ratuvarı gibi kuruluşlar SQUID'leri, lazer ışınları, gerilim ve elektriksel direnç standartları belirlemek ya nında, çok düşük sıcaklıkları ölç mek için termometre olarak uzun süredir kullanmaktadır.

SQUID'lerin iki çeşidi vardır. RF veya radyo frekans ve DC veya doğru akım SOUlD'leri. RF SQUID içinde tek eklem bulunan süperilet ken bir halkadan oluşur. Bu halka nın yanında bir de RF indüksiyon bobini vardır. İçinde akım dolaşan bir halka süoeriletken hale qelince

manyetik alanı dışlar. Buna karşılık halkanın ortasında bir miktar akı oluşur. Halkanın ortasındaki man yetik akı da halkadaki akım da kuantize bir şekilde değişir, yani akı ve akım kuanta denilen çok kü çük birimler halinde kademe kade me artar ya da azalır. SOUlD'in ya , kınında manyetik alan yaratıldığın da halkadaki akım artacak ve bu manyetik değişikliğe engel olmaya çalışacaktır. Halka içinde oluşan manyetik akı kuantize bir şekilde artarken, yani bir kuantum seviye sinden daha yükseğine atlarken eklem üzerinden geçen akım da ay nı şekilde davranır. Her kuantum seviyesi değişiminde eklemde meydana genel tünelleme nedeniy le akımın sünizoidal dalga formu de ğişir ve bu değişiklik RF indüksiyon bobini üzerinde gözle nir. Bu bobi ne bağlı olan oda sıcaklığındaki elektronik donanım da akıdaki kauntum değişikliklerini sayarak manyetik alanın.şiddetini belirler.

DC SOUlD'de iki eklem vardır. Hal ka üzerinde her iki eklemin kritik akım seviyesi üzerinde bir akım olu şunca, eklemlerde bir gerilim oluşur

i/o süper akım salınım yap maya başlar. DC SQUIO manyetik akıdaki değişmelerin gerilim üzerindeki et kisini ölçer. DC SOlD'lerin elektro nik donanımı RF tiplerine göre daha basittir ve bu SQUID daha doğru okumalar yapmaktadır.

SOUlD'ler 101S vveber kadar küçük akı değişikliklerini dahi ölçerler. Araştırmacılar, insan beynindeki bir nöronun hareketiyle oluşan manye tik alanları bile ölçebilen duyarlılıkta düşük sıcaklık SOUlD'leri yapmış lardır. Dünya'daki kara kütlelerinin yer değiştirmesîyle ilgili kuramlar da SQUID manyeto ölçer (Magneto meter)'lerle sınanmış ve doğrulan mıştır.

SOUlD'ler bilgisayarlarda mantık devreleri ve bellek yapımında kulla nılmaktadır. Josephson eklemleri transistor gibi davranmalarına rağ men, anahtarlama hızları boyutla rına bağlıdır. Bilgisayar bilimcileri tek ve büyük eklemler yerine küçük boyutlu ve daha duyarlı olan iki veya üç eklemli SOUlD'leri tercih etmektedirler. Bu SOUlD'ler elekt ron dalgalarının eklemlerdeki girişi mine bağlı olarak çalışırlar. İki ek lemli bir SOUlD'de yakındaki bir kontrol hattı tarafından halkadaki akımda bir faz farkı yaratılınca, akımın eklemlerdeki dalga şeklini

ya güçlendirici ya da yok edici bir girişim saçağı oluşur. Bazı manye tik alan seviyelerinde veya akı kuantalarında bu yok edici bir giri şim olur ve eklemlerdeki akım du rur. Bazı seviyelerde ise girişim akı mı kuvvetlendirir ve girişim ölçer çalışır. Bir SOUID halkası bilgiyi ikili sistemin " 1 " ve "0" larına denk gele cek şekilde manyetik akı seviyeleri veya kuantları halinde muhafaza eder.

ABD dışında SOUID üretebilen bir kaç firmadan biri olan Londra'daki Cryogenic Consultants'da çalışan Michael Dickens'a göre, yüksek sı caklık süperiletkenleri ilk önce jeo fizik, tıp ve savunma alanlarında kullanılacaktır. Yüksek sıcaklık sü periletkenleri, SOUID makinaları nın, hastanelerdeki yüksek rezo nans tarayıcılarının (NRS) masraf larını azaltacak ve yeni uygulama lara yol aacaktır. Ancak Dickens, duyarlılık söz konusu olunca düşük sıcaklık SOUlD'lerinin değerini ko ruyacağına kesinlikle inanmaktadır. Yüksek sıcaklık süperiletkenleri ekonomik açıdan iyi olabilirler an cak elektronik gürültü bakımından durumları kötüdür. Daha fazla ısı, daha fazla aktif elektron ve SOUID sonuçlarında daha fazla karışıklık demektir.

Şu anda kullanılan düşük sıcaklık SOUlD'leri içinde yavaş yavaş bu harlaşan helyum bulunan termos larda soğutulmaktadır. Termoslar daki helyum, uygulamasına göre, 1 günle bir ay arasında bir süre bit mektedir. Yüksek sıcaklık malze meleri kullanılınca bu termoslar so ğutucularla da değiştirilebilirler. Bu soğutucularda da soğutucu gaz olarak helyum kullanılabilir. Ancak bunlar, taşınabilir olmalarıyla büyük bir avantaj yaratacaklardır. Ta şı nabilirlik, SOUlD'lerin helyum kay naklarından uzaklarda kullanılma sını sağlayacak, maden kaynakla rını arayanlara ve düşmanı gözetle mek isteyen askeri güçlere büyük yararları dokunacaktır.

NATO bilim adamları, şimdiden de nizaltılarm Dünya'nın mekanik akı sında meydana getirdikleri değişik likleri saptayacak SOUlD'lerle de nemeler yapmaktadırlar. Bu askeri ölçüm aletleri uzun mesafelerde et kili olabilecektir. Yeni malzemeler den yapılacak taşınabilir ve etkili araçlar, NATO'ya, süper güçler ta rafından Kuzey Atlantik'te oy na nan denizaltı avı oyununda avantaj kazandırabilir. Ay.ni teknikler yeral tındaki taze maden ve petrol kay naklarını yezyüzüne çıkarmak için de kullanılabilir.

olmakta ve bu düşüşler haberleşme ağlarında her 3 4 km'de bir tekrarlayıcıların kurulmasını gerektirmektedir. Süperiletken kablolar bu kaybı önleyebilirler. Direncin olmaması bu sinyal kayıplarının neden olduğu gürültüleri önleyerek çok zayıf sinyallerin gönderilmesini mümkün kılacaktır. STC Teknoloji'den Colin Goodman'a göre sü periletken kabloların, fiberoptik bilgi iletiminin büyük kıs mını kapladığı veri iletişimi alanında ne kadar başarılı ola cağı) süperiletken eş eksenli (co axial) kabloların reka bet gücünün ne olacağı, şüphelidir.

Süperiletkenler, insan konuşmaları için iyi bir iletici olma malarına rağmen elektronik devrelerde meydana gelen sinir bozucu karışıklıklara son verebilirler. Elektriksel ve manyetik alanlar süperiletkenlerin içine girememekte dirler. Böylece elektronik devreleri yakın elektrik ve manyetik alanların etkilerinden koruyabilirler: Aynı şekil de, özellikle askeri uygulamalarda süperiletken kalkan lar elektronik devreleri herhangi bir nükleer patlama sıra sında yayılan elektromanyetik alanlardan koruyabilirler. Bilgisayarları, telefon şebekelerini ve diğer elektronik cihazları nükleer bombaların bu ek zararlarından koru mak için günümüze kadar bir çok çalışma yapılmıştır.

IBM, daha geçenlerde, çeşitli devreleri yeni süperiletken

malzemelerle kaplamak için plazma (Sık yükün) Spreyle mesi adına yeni bir tekniği uygulamıştır. Şirketin ABD' deki bilim adamları tel, boru ve çeşitli malzemeden yassı yüzeyleri süperiletken tabakalarla kaplamayı başarmış lardır. IBM bu şekilde kaplanan malzemelerin devrelerde manyetik koruyucu olarak veya bilgisayarlarda yongalar arasında süperiletken bağlantı yapımında kullanılabilece ğinden emin gözümektedir.

CEGB'nin Drax B güç santralinde üretilen her 600 Mvvatt için üreteçlerde (Jenaretörlerde) 8 Mvvatt güç kaybı ol maktadır. Bu oranın elektrik üretmek için sıvı yakıt kulla nılması nedeniyle kaybedilen yüksek miktarlardaki %57 kayıpların yanında pek önemli görünmemesine rağ men, CEGB bu kaybı önlemek istemektedir. Hiç ısınma yan bobinlerden yapılmış azot soğutmalı bir üreteç bu farkı kapatabilir mi?

CERL şimdiden, 80 tonluk dönen ve 400 tonluk dış mık natısları helyumla soğutulan süperiletken mıknatıslarla değiştirilmiş üreteçlerin fizibilite çalışmalarına başlamış tır. Fakat son gelişmelerin durumda bir değişikliğe neden olup olmayacağı henüz belli değil, CERL üreteç progra mında çalışan John Steel, hesaplarına göre yeni süpe riletkenlerin sıvı helyum tasarımları karşısında çok fazla

kazanç sağlamadığını belirtmektedir. Süperiletkenler bü yük olasılıkla tasarruf sağlamakta başarılı olacaklardır, ancak CEGB denenmemiş bir teknolojiyi devreye sokma riskini göze alamamaktadır. Çünkü çalışmayan bir üreteç günde 25000 100.000 Paundluk kayba neden olacaktır.

CERL'nin bu konuda dikkatli olmak için bir çok haklı nedeni var. IBM tarafından geliştirilmiş olan yüksek akım yoğunluğu, üretilen aygıtlarda aynen ortaya çıkmaya bilir. Süperiletkenlik, tek parça halinde bulunan süperi letken malzemelerde bile bölümden bölüme değişiklik göstermekte, bazen süperiletkenlik özelliği gösterme yen kısımlar da olabilmektedir. Seramik maddeler kristal yapıdadırlar ve bu yüksek sıcaklık süperiletkenleri, kris tal yapıları nedeniyle aralarında boşluklar olan tanecikler oluşturma eğilimindedirler. Elektrik akımı sadece bu taneciklerin (grain) birbirine temas ettikleri bölümlerde akabilmektedir. Bu nedenle dış ortamlarda, laboratu varda tek kristal kullanılarak alınan sonuçlara ulaşılama maktadır.

Bileşiklerin atomik yapılarındaki oksijen miktarı ve dağılı mı da süperiletkenliği etkilemektedir. Yüksek sıcaklık süperiletkenlerine bu özelliklerini kazandıran yapıların daki bakıroksittir. Oksijenin bileşik içinde bakıra oranı yaklaşık 7:3tür. Oksijen miktarı 7'nin altına düşünce sü periletkenlik azalmaktadır. Buradaki problem oksijen da ğılımının düzenli olduğu büyük hacimli malzemeler ürete bilmektir. Bu iş, yüksek sıcaklıkta süperiletken olan mal zemelerde oksijenin her yönde çok hareketli olması ne deniyle, son üründe ne kadar oksijen bulunduğunun tam bilinememesiyle daha da karmaşık bir probleme dönüş mektedir.

Son süperiletkenlerin dış manyetik alanlara karşı ne ka dar duyarlı olduğu da zihinlerde soru işaretlerine neden olmaktadır. Dışarıdan uygulanan manyetik alanlar bu malzemelere girip kritik sıcaklıklarını değiştirebilir. Araş tırıcıların raporlarına göre yüksek akım yoğunluğu taşı yan malzemelerde 100 Gauss kadar küçük manyetik alanlar bile, ince süperiletken filmlerin kritik sıcaklıklarını büyük miktarda etkilemektedir.

Bu konudaki araştırmalar öncelikle olayın fiziksel yapısı nın anlaşılması ve seramik bileşiklerden yapılan cihaz ların fabrikasyonu için tekniklerin geliştirilmesi üzerinde yoğunlaştırılmıştır. Araştırmacılar1, elektronik endüstri sinde silikon tabakalarının hazırlanması ve bunların tasa rımlara uygun şekilde biçimlendirilmesi için kullanılan me todların çoğunu süperiletken malzemelere uygulamakta dırlar.

İlkönce, bileşiği meydana getiren maddelerin birlikte dö vülmesi ve ısıtılmasını içeren maden yapıştırma yönte miyle yitriyum bileşikleri elde edilmiştir, ancak oksitler den tel, film ve elektronik alet üretebilmek için daha ku sursuz (kesin) yöntemlere ihtiyaç vardır. AT&T ve diğer elektronik firmaları malzemeleri tüplere doldurduktan sonra yapıştırma işleminden geçirerek tel ürettiler. Basic Volume adlı İngiliz firması bu yolla tüp ve boru üretmeyi de başardı. Fakat bu bileşikleri biçimlendirebilmek için tortu yöntemiyle tabakaların elde edilmesi gerekmek tedir. Cambridge Üniversitesi'nde araştırmacılar bir mik

rometre uzunluk ve genişliğinde, yongaların bağlanma sında kullanılabilecek boyutlarda tel üretmeyi başardılar. Araştırmacıların yeni seramiği kullanılır hale getirdikleri söylenebilir, ancak bu malzemenin kesilip biçimlendi rilerek yeni cihazların üretimine uygulanması daha zor bir konudur. Yarı iletken malzemelerin yüzeyini kazımak için kullanılan kimyasal yöntemler işe yaramamaktadır, çün kü bu işlem sırasında kullanılan asitler tüm seramiği tahrip etmektedir. Bu nedenle yonga üreticileri tasarım larını seramik üzerine yerleştirmek için elektron ışınlarını veya elektrik yüklü gazları kullanmak zorunda kalacak lardır. Bunu başarsalar dahi, elektronikte yaygın olarak kullanılan maddelerle, seramikler arasında meydana gelen tepkimeler yeni bir sorun yaratacaktır. Süperilet kenlerin yapılarının başka maddelerin varlığı halinde de ğiştiği görülmüştür. Araştırmacılar alüminyum bulaşıklı ğını bu duruma bir örnek olarak belirlemişlerdir. Seramiğin kırılabilirliği de problem yaratmaktadır, özel likle kablo yapımında önemli bir sorundur. Ancak ABD' deki Argonne Laboratuvarı polimer bağlayıcılı (kaplı) bir kablo üreterek seramiği bir arada tutmayı başarmıştır.

Şekil 5. Rutherford Appleton'dan bir kablo, her şeritte 61 niyobiyum titanyum süperiletken telden oluşmuştur.

Açıkça görülen zorluklar ne olursa olsun, şirketler ve hükümetler teknolojiye büyük miktarlarda para harca maya hazır görünüyorlar. Örneğin Japon hükümeti sade ce geçen 5 yıl içinde süperiletken araştırmalarına 5 mil yar yen harcamıştır. Bu gayretin sonucu olarak Japon şirketleri süperiletkenlikteki son değişikliklerden en çok faydalanacak konuma gelmişlerdir. Ancak Oxford Instruments'dan VVinson'a göre çok miktardaki bu har camaların karşılığı 10 yıldan önce alınamayacaktır. Japonya ile karşılaştırıldığında süperiletken araştırma ları için İngiltere tarafından sağlanan destek çok önem siz kalmaktadır. Hem kuramsal hem de uygulama alanın da araştırma yapmak isteyen bilim adamları parasal kay nak sağlamak için uğraşırken, hükümet önceliği endüst riyel alana vermeyi düşünmektedir. Bu endüstriden İngil tere'nin de pay alabilmesi için en az 100 milyon paundluk harcama gerekmektedir. Ne olursa olsun, malzeme bilim cilerinin yeni buluşları kullanılır hale getirmeleri ve bu il ginç özelliklerin ticari malzemeye dönüştürülmesi için bir süre daha beklemek gerekecektir.

Ancak, endüstrinin en çok istediği, soğutmaya çok az ihtiyacı olacak oda sıcaklığındaki süperiletkenlerdir. Ya tırımcılar, ki özellikle Japonya'da bu alanda çalışan şir ketlerin hisse senetleri iki katına çıkmıştır, en son buluş ların süperiletken uygulamaları için hazırlanan planları değiştireceğini umuyorlar. Ancak son bulunan malzeme lerin manyetik olarak havalandırılan trenler ve küçük gemi motorlarının yapılmasında büyük bir farklılık getire ceği sanılmıyor.

Y üksek sıcaklık süperiletken mıknatısın daha soğuk ak rabalarına olan üstünlüğünü şu sıralarda sadece ekono miktir. Fakat araştırmacılar bu yeni malzemelerin önceki niyobiyum alaşımlarına göre daha kuvvetli manyetik alanlar üretebileceklerini ümit etmektedirler. Y eni malze melerle 50 TeslaVa kadar manyetik alan üretilmesi düşü nülüyor. Geleneksel süperiletkenlerde üretilen manyetik alanlar süperiletkenliğe geçiş sıcaklığını düşürmektedir. Bu durum süperiletken bir mıknatısın yaratabileceği man yetik alanı sınırlamaktadır. Y eni seramik malzemelerde geçiş sıcaklığının çevredeki manyetik alanlardan daha az etkilendiği görülmüştür.

Japon Elektrik Laboratuvarı, Fujitsu, Toshiba ve NTT (Japon telefon idaresi)'nin oluşturduğu bir grup Japon şirketi iki yıl içinde ilk süperiletken mikro işlemcileri üret meyi planlamaktadır. Bunun çok cesur bir karar olduğu açıktır. IBM dört yıl önce Josephson bilgisayarı progra mında çalışan 100 araştırıcısını işten çıkarıp 1960'larda başlamış başka bir projede görevlendirmiştir. IBM gru bunu, galyunarsenit ve indiyumfosfat gibi yeni yarıilet kenlerin ortaya çıkmasındaki teknik zorluklar engelle miştir. Bu yeni yarıiletkenler, süper akımlar kullanılarak ulaşılabilen anahtarlama hızına, üstelik ayrıntılı derin so ğutma sistemlerine gerek duyulmadan ulaşmayı garanti etmektedir. IBM, yüksek sıcaklık malzemeleri geliştirme alanında yine ön sırada yer almasına rağmen Josephson bilgisayarı konusuyla şu sıralarda pek ilgilenmemektedir.

Buna karşılık Japon grupları yüksek sıcaklık malzeme lerle ilgilenirken Josephson teknolojisine de büyük önem vermekteler. Toshiba şimdiden Josephson teknolojisiyle "raslantısal erişim bellekleri"ni (RAM) üretmiş durumda. Y üksek sıcaklık malzemelerinin bilgisayar tasarımına iki katlı bir etkisi vardır. İlk olarak bu malzemeler Joseph son makinelerinin soğutulması işleminden kazanç sağla yabilirler. İkinci olarak da sinyal iletimini hızlandırarak geleneksel yongalarla çalışan makinaların performansını olumlu yönde etkileyebilirler. Düşük sıcaklıklar, her du rumda yarıiletken yongaların çalışmasını düzeltmektedir ler. Süperbilgisayarlar üreten ETA şirketi, yeni süperilet ken malzemeler kullanıldığında soğutulmuş yarıiletken devrelerde performansın üç kat iyileştiğini iddia etmek tedir.

Bir bilgisayarda işlem hızı, veri işlemlerini yöneten mer kezi bir saatin vuruşları tarafından belirlenir. Bu saatin hızı da bilgisayarı oluşturan mantık devrelerinin anahtar lama hızına ve bu devreler arasındaki sinyal iletişiminden dolayı meydana gelen gecikmelere bağlıdır. Buradaki so run, yarıiletken yongalardan yapılmış geleneksel bilgisa yarlarda hızlı anahtarlamanın ısınmaya neden olmasıdır. Bu durum da aygıtların çalışmasını etkilemektedir. Yon

gaların bulunduğu alan seyrekleştirilerek ısınma engelle nebilir ancak bu da sinyallerin daha uzun mesafeler kat etmesini gerektireceğinden işlem hızını azaltacaktır.

Buna karşılık Josephson eklemleri, 1 pikosaniyelik anahtarlama hızıyla yarıiletken benzerlerinden birkaç kat hızlı devreler olmakla kalmayıp, işlem sırasında çok az ısı üretirler. Yapılacak sıfır dirençli bağlantılarla ısı ve güç harcaması en alt düzeye inmektedir. IBM bu tekniği kul lanarak 10x8x8 sm boyutlarında bir bilgisayar yapmayı planlamış durumda, makine gerçekleştirildiği takdirde saniyede 70 milyon komutu değerlendirebilecek.

IBM bu bilgisayarlarda kullanabilecek bir miktar elemanı ve bu elemanların yerleştirebileceği bir kutuyu geliştirdiği halde, proje 1983'te aniden durdurulmuştur. IBM'in Josephson bilgisayarlarının yapımında karşılaştığı prob lemlerden biri de bellek hücrelerinin düzgün çalışmama sıdır. IBM tarafından tasarımlanan bellekte Josephson eklemlerindeki akım yoğunluğunun en fazla %1 2 kadar değişmesi öngörülmüştür. Bu sınırın aşılması halinde bel lek hücreleri sürekli olarak kapalı ya da açık kalmaktadır. Bu durum karşısında IBM araştırıcıları, içinde 20.000 Josephson eklemi bulunan bir yongada akımın bu sınırlar içinde kalmasını garanti edememektedir. IBM ayrıca, Josephson eklemlerinde kullanılan kurşun alaşımlarının rafa kaldırılması gereğini de bulmuştur. Bu alaşım oda sıcaklığıyla 4 Kelvin arasında defalarca gidip gelmenin şokuna dayanamamaktadır. Araştırıcılar eklem elektrot larının birine niyobiyum yerleştirerek bu güçlüğü yenme ye çalışmaktadır.

Josephson eklemlerinin ve bu eklemlerden yapılan giri şim ölçerlerin davranışları da IBM için sorun olmaktadır. Transistörlerin aksine Josephson eklemlerinin kazancı azdır. Bu aletlerin çıkış akımı anahtarlamayı yapan giriş akımından pek büyük değildir. Y arıiletkenlerde^ yüksek kazancın olmaması, Josephson bilgisayarı tasarımcıla rını çok iyi akım aralıklarında çalışmaya zorlamaktadır.

Josephson eklemleri yaygın bir şekilde özellikle manye tik alanların ölçülmesi için SQUID (Süperiletken Kauntum Girişim Cihazı)'lerde kullanılmaktadır. Temel SQUID ta sarımlarını geliştirmek için bazı çabalar olmaktadır. Hypres firmasından Sadeg Faris, "quiteron" adlı bir cihaz geliştirmiştir. Bu cihaz üç süperiletken tabakanın elekt ron enjeksiyonuyla uyarılması ilkesine göre çalışarak yüksek kazanç sağlamak için yapılmıştır. AT&T Bell La boratuvarı da JAW S (Josephson Atto VVeber Anahtarı) adıyla bilinen bir Josephson eklemini denemektedir. An cak bunların hiçbiri anahtarlama hızı dışında bir tran sistorun yerini alabilecek özellikte değildir.

Y üksek sıcaklık süperiletkenliği katarı olanca hızıyla iler lemektedir. Hükümetler tarafından sağlanan öncelikler, endüstriyel yatırımlar ve hisse senedi piyasasındaki spekülasyonlarla desteklenen araştırmalar hızla geliş mektedir. Malzeme bilimcileri bileşiklerin akım taşıma kapasitesini artırmış ve aygıt üretimi konusunda dev adımlar atılmıştır. Sadece Japon Sumitomo Elektrik şir keti bu alanda 600 patent almıştır. Ancak ticari çevreler piyasaya girmek için halâ bir bekleyiş içinde bulunu yorlar.