SÜPERİLETKENLİKTE SON DURUM

MSÜPERİLETKENLİK"TE SON DURUM

Doç. Dr. Slnasl ELLİALTIOĞLU ODTÜ Fizik Bölümü

Bu yıl Fizik Nobel ödülü'nü konuyla yakından uzaktan il gili hemen herkesin önceden tahmin ettiği gibi Alman J. Bednorz ile İsviçreli Alex Müller aldılar.

Bilim tarihinde öyle buluşlar vardır ki daha başından geti receği yenilikler hissedilir, devir değiştireceği, çığır aça cağı açıkça belli olur ve insanlığı merakla ümit karışımı bir heyecana, arayışa ve bekleyişe büründürür. Y üzyılın başında kuantum fiziğinin doğuşu, transistorun icadı, lazerin keşfi bu tip buluşlara gösterilebilecek örnekler den bazılarıdır. Dışarıdan bakan birinin, teknolojinin kud retine pes ettiği ve hayran kaldığı çağımızda "bulunma dık, bilinmedik ne kaldı ki" diye düşündüğü bir sırada yine böyle bir buluşla dünya yerinden oynadı.

Bednorz ve Müller son üç dört yıldır bazı seramik alaşım ların kristal yapılarındaki faz geçişlerini araştırmak taydılar. Daha önce bir Fransız grubunun bulmuş olduğu La Ba Cu O seramik malzemede 700°C dolayında kristal yapısında tetragonal/ortorombik faz geçişi gözleyen Bednorz ve Müller söylentiye göre bir rastlantı sonucu düşük sıcaklıklara da baktılar ve malzemenin manyetik eğiliminde birinci derece bir faz geçişi gözlediler. Daha sonra özdirenç ölçümleri ile de kanıtladıkları buluşları, La Ba Cu 0 seramiğinin ortorombik yapıda 40°K gibi re kor bir sıcaklıkta süperiletkenlik göstermesiydi. Buluşun ilginç yanı bu malzemenin kökeninin bir metalden (ilet ken) değil tersine bir oksit alaşımdan (yalıtkan) oluş ması ve seramik bir yapıya sahip olmasıydı. Bu alaşım aynı zamanda, 1973'den beri 23'K ile kritik sıcaklık reko runu elinde tutan NbaGe alaşımının yerine de tahta çıkı yordu, önceleri, IBM Zürih bu buluşu gizli tuttu. Kanımca nedenlerden en büyüğü, o sırada yine aynı laboratuvar da bir yıl önce çok önemli bir buluş sayılan "Taramalı Tünelleme Mikroskobu'nu bulan Binning ve Rohrer'in 1986 Fizik Nobel ödülü'ne adaylıkları için geniş bir kam panya sürdürülmesiydi. Bednorz ve Müllerîn deney so nuçları bir süre sonra, çoğunlukla Avrupa okuruna hitap eden ve pek de popüler sayılmayan Zeitschrift für Phy sik B'de yayımlandı. Artık yepyeni bir malzeme türü araştırıcıların hedefi oluverdi ve "seramiğe hücum" devri başladı. Nitekim Amerikalı Paul Chu ve ekibi kısa süre sonra Y Ba Cu 0 ile 98°K'e ulaştı. Bu başlı başına önemli bir buluştu ve ilk defa sıvı azot (77°K) sıcaklık larında süperiletkenlik mümkün oluyordu. Amerika niha yet özlemiş olduğu "Nbbel'i görebilecek miydi? Bilindiği gibi son ki yıldır Fizik Nobel ödülleri Avrupa'da kalmıştı. 1 9 8 5 le Max Planck Stuttgarftan K. Von Klitzing kuan tum Hail etkilerine getirdiği açıklamalardan dolayı, 1986' da isa Binning ve Rohrer ile birlikte yine Alman Ernst Ruska Ödülü almışlardı. Bu yüzden Amerika, Chu için

propagandayı yoğunlaştırdı. Öyle ki bazı popüler yazı larda Bednorz ve Müller'in adına dahi yer verilmediği ya da çok az değinildiği görülüyordu. Nitekim en çok üç M Ç7 arasında paylaşılabilen Nobel Ödülü'nü Chu da haket mişti, ama eğer iş sadece La Ba Cu 0 ve Y Ba Cu O malzemeleriyle sınırlı kalmış olsaydı. İnsan gücünün ve parasal kaynakların büyük bir hızla yöneltildiği konu, araştırmacıların sistematik bir şekilde yeni malzemeler araması şekline dönüştü ve çok geçmeden yine 100°K civarında nadir toprak elementi tabanlı bir seri bakır oksitin de süperiletkenlik özelliği gösterdiği gözlendi. Bunun anlamı ise Chu'nun alaşımının aranılan tek mal zeme olmadığıydı. Hatta malzemenin kararlılığı, yenile nebilirliği ye tersinirliği koşulları aranmazsa 260oICe ka dar süperiletken kalan çeşitli stokiyometrelerde örnekler elde edilebildi.

Süperlletkenllğe Verilen Nobeller

Süperiletkenlik konusu Nobel ödülü yönünden oldukça doğurgan bir konu olagelmiştir. 1911 yılında Hollandalı Kamerlingh Onnes ilk defa sıvılaştırmayı başarabildiği helyumda soğuttuğu civa çubuğunun elektriksel direnç göstermediğini gözleyerek süperiletkenliği buldu ve 19131e Nobel Ödülü'nün sahibi oldu. Keşfinden 45 yri sonra 1956'da John Bardeen, Leon Cooper ve Robert Schrieffer fonon (örgü titreşimleri) değiş tokusu saye sinde oluşan elektron çiftleri ile süperiletkenliği açık layan kuramsal modelini (BCS modeli) geliştirerek 1972'de Nobel Ödülü'nü aldılar. Ertesi yıl ise Nobel ödülü, 1960 yılında süperiletken elektrotlarla tünelleme olayını gözleyen ve BCS'in öngörmüş olduğu enerji ara lığını deneysel olarak doğrulayan Ivar Giaever ve yine süperiletken eklemlerde adıyla anılan değişken süper akımları keşfeden Brian Josephson ile yarıiletkenlerde tünel diyotunu keşfeden Leo Esaki arasında pay edildi. Böylece Esaki'yi saymazsak Bednorz ve Müller'le bir likte süperiletkenlik konusu şimdiye dek sekiz bilim ada mına Nobel ödülü getirmiş oldu. Olmasına oldu ama, bu son gelişme ile BCS teorisinin de geçerliliği, daha doğ rusu genelliği kuşku götürür oldu. Çünkü BCS teorisine göre elektron çiftinin oluşmasında rol oynayan fononlar yeni malzemede daha büyük frekanslara sahip oldukları halde, 100°K1ık bir kritik sıcaklığı açıklayamamaktadır. Y a BCS teorisinden vazgeçilecek ya da bu teori yeniden gözden geçirilecektir!

Trleste Toplantısı

Keşiften bu yana teori yönünden halen bir kaos dönemi yaşanmakta, "teorici sayısı kadar teori" ortaya atılmış

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 348

bulunmaktadır. Yeni fikirler arasında, elektron yerine deşik çifti (hole) ya da fonon aracılığı yerine plazmon, polaron, soliton, ekziton ve benzeri uyarımların değiş to kuşunun elektronlar arası çekimden sorumlu olabileceği ileri sürülerek BCS kuramı genelleştirilmeye çalışıldığı gi bi senelerce önce 19731e P.W. Anderson'un çekinerek yayınladığı "Rezonant Değerlik Bağları" modeli bazı ekol lerin hücumuna uğrayarak alternatif oluşturulmaya çalı şılmıştır. Fakat rf SQUID magnetometreleri ile yapılan süperiletkenlerde akı kuantizasyonu deneyleri göster miştir ki süperiletkenliği oluşturan birimin yükü 2e (elekt ron çifti)'dir. Anderson'un modeli ise granular yapıya uy gulandığında 2e yükünü vermekle birlikte tek kristal yapı için çözüldüğünde yük e olarak bulunmaktadır. Belki de bu yüzden olacak Anderson bu yıl 5 8 Temmuz tarihleri arasında Trieste'de yapılan uluslararası toplantıya adı müşteri çekma > için en başından beri ilan edildiği halde katılmadı. Fakat yine de Anderson'un modelini vurgula yan bir iki konuşmacı vardı. Toplantıda kimler yoktu kil Yaklaşık ikiyüz kişinin bildiri sunduğu toplantıda bir o ka dar da izleyici vardı. Uluslararası Teorik Fizik Merkezi'nin başkanı Prof. Abdüs Salam'ın konuşması ile açılan top lantıda ilk gün Moskova'dan Ginzburg, Santa Barba ra'dan Schrieffer, Zürihten Müller ve IBM'in Fen Bölümü asbaşkanı Chaudhari konuyla ilgili genel görüşleri, tarih sel gelişimini, bugünkü durumunu ve gelecekteki olası uygulamaları dile getirdiler. Bunu takibeden üç gün bo yunca sabah 8:30'dan gece 2:00'lere kadar bildiriler su nuldu ve tartışmalar yapıldı. Bu yıl süperiletkenlik konu sunda yapılan toplantıların ne ilkiydi Trieste toplantısı ne de sonuncusu. Amerika Fizik Kurumu'nun Mart'ta New York toplantısı, Avrupa Fizik Kurumu'nun Nisan'da Pisa toplantısı ve yine İtalya'nın Cenova kentinde bu top lantıdan hemen önce yapılan deneycilerin biraraya gel dikleri toplantı bunlardan sadece bazıları. Bunların yanı sıra yoğun madde fiziğinde yapılan tüm toplantılara bir akşamlık ya da yarım günlük uydu seansları eklenerek süperiletkenlik konusunda bilgi alışverişi yapıldı. Trieste toplantısı bir bakıma durum değerlendirmesi amacı güt mekteydi ve özellikle ilk defa Sovyetler Birliği'nden geniş katılım görmesi bakımından da ilginçti. Sovyetlerin açık lık politikasından ötürü mü yoksa süperiletkenlik konu suna olan özel ilgilerinden ötürü mü bilemiyorum, ama

TABLO 1. Trieste Toplantısına Bildirili Katılımın Ülkelere Göre Dağılımı (34 Ülke 198 Biidiri)

Üke

ABD İTALYA SSCB İNGİLTERE FRANSA YUGOSLAVYA BREZİLYA ÇİN İSVİÇRE İSVEÇ HİNDİSTAN ALMANYA POLONYA MEKSİKA HOLLANDA JAPONYA AVUSTURYA

30 26 18 15 13 12

9 9 7 7 6 5 4 4 4 3 3

İSRAİL

TÜRKİYE

DANİMARKA

SURİYE

BULGARİSTAN

TANZANYA

AVUSTRALY A

•j

ARJANTİN

SRİLANKA

NORVEÇ

İSPANYA

ÇEKOSLOVAKYA 1

TAYLAND

SİNGAPUR

KANADA

FİLİPİNLER

KORE

gelenler arasında Khalatnikov, Abrikosov, Ginzburg, Larkin ve Gorkov gibi ünlülerin de olması ikinci olasılığı da vurguluyor sanırım. Sovyetler'den başka Çin, Yugos lavya ve Brezilya gibi ülkelerden de katılım oldukça faz laydı. Tablo 1'de toplantıya bildirili katılımın ülkelere göre bilançosu yerilmektedir. Herkesin vurguladığı önemli bir nokta da Üçüncü Dünya ülkelerinde bu kez sadece teo rik çalışmalar değil aynı zamanda malzemenin kendisinin de yapılabilmesi ve deneysel özelliklerinin ölçülebil mesiydi. ABD gibi ülkelerde ise olayın liselere ve hatta gösteri düzeyinde bile olsa ilkokullara kadar yaygın laştırıldığı ya da böyle bir çaba içinde olunduğu görüldü. Seramiği laboratuvarında babası da yapmış olsa, bir ilk okul öğrencisinin elinde bir bardak sıvı azotla arkadaş larının karşısına geçip seramik üzerinde mıknatısın hava da durmasını gösterebilmesi çok etkili olduğu gibi çok kolaydı da. Diğer taraftan yine lise öğrencilerinin fen pro jesi dersinde malzemeyi reçetesine uygun olarak okul larının olanaklarını kullanarak yapabilmeleri bizde bazı çevrelerde abartılı ve gereksiz gösterişler olarak görüne bilir belki, ama teknoloji üreten ükelerin çocukları için gösterişten çok bir çeşit özümleme ve hazırlıktı. Böyle bir projede kullanılan reçete Tablo 2'de verilmiştir.

TABLO 2: Y BA CU O Süperiletken Seramiği Hazırlama Reçetesi (a) 1,2 gr Yitriyumoksit (Y2O3) 4,0 gr Baryumkarbon (BaCO3) 2,4 gr Bakıroksit (CuO) karıştırılıp havanda dövülerek unufak edilir (yaklaşık 1mm).

(b) 900°C sıcaklıkta 12 saat fırınlanır.

(c) Soğutulur, havanda dövülür ve paletler halinde pres lenir.

(d) Oksijenli atmosferde 900°C'de tekrar 8 saat fırınla nır.

(e) Saatte 100°C'lik bir hızla (oldukça yavaş) soğutulur. Soğutma hızı ve ortamda su bulunmaması önemlidir.

NOT: Süperiletken seramik zamanla oksijen kaybına uğrayacağından, belli bir süre sonra oksijenli fırında 400°C'ye kadar ısıtılır ye oksijen "soluması" sağlanır. Bu işlem her defasında yinelenerek seramiğin süperiletken olarak tekrar tekrar kullanılması sağlanır.

Türkiye Nereden ve Nasıl Başlamalı?

Bu yazıda amacım ne Tablo 1'deki ülkelerin adlarına bakıp karşılaştırma yapmak ne de yurdumuzda şimdiye kadar neden bu malzemenin ya da gösterinin yapılma dığını söyleyerek yakınmak. Çünkü malzemenin yapıl ması için gerekli fırınlar ODTÜ Malzeme, Kimya ve Fizik bölümlerinde, Beytepe Kimya Mühendisliği, TÜBİTAK Gebze ve Ankara Nükleer Araştırma Merkezi'nde vardır. Sıvı azot kesinlikle bir problem değildir, ancak araştır maların eksiksiz yapılabilmesi için sıvı helyum gereklidir ve böyle bir sistemin yanı sıra gerekli manyetik alanı üretebilen düzenek Beytepe Fizik Mühendisliği'nde bu lunmaktadır. Bunlara ODTÜ Fizik ve Elektrik Elektronik Mühendisliği bölümleri ve Türkiye'deki diğer üniversi telerdeki olanakları da katarsak bilgi edinme ve eğitim düzeyinde bu konuya bir an evvel girmemek için hiçbir neden bulunmamaktadır. Uzun süreli bir teknoloji araş tırması olarak ise, çeşitli disiplinlerin ortak çalışmasını gerektiren yönü ile, yaşamsal bir uygulamalı bilim girişimi olacaktır.

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ — 348