ODA SICAKLIĞI SÜPERİLETKENLİĞİNE DOĞRU

Doç. Dr. Metin DURGUT

ODTÜ, Fizik Bölümü

Son birbuçuk yılda elde edilen deneysel sonuçlar aynı başarılı çizgiyi sürdürürse, yeni bir süperiletkenlik devri mini ilan edebiliriz. Elektronik bilgi işlem makineleri devriminden sonra malzeme bilimi aşaması olarak nite lenmesi gereken yüksek teknoloji devriminin belki de en önemli bir adımı bugünlerde atılıyor.

1985'E KADAR SÜPERİLETKENLİK

Bazı metallerin ve alaşımların çok düşük sıcaklıklarda elektriksel dirençlerinin tamamen yokolmasına süperilet kenlik denir. Normal bir iletkenden geçen akım, "elektro nik sürtünme" nedeniyle iletkeni ısıtarak enerji kaybına neden olurken, süperiletken devrelerde bu cins kayıplar bulunmadığı için herhangi bir dış kaynağa gerek kalma dan akım geçebilmektedir.

1911 yılında K. Onnes'in mutlak sıfır derece ( 273°C = 0°K) civarında sıvılaştırılmış helyum içine batırılmış civa çubuğunun elektrik direncinin 4°K de aniden sıfıra düş mesini gözlemesi sonucu süperiletkenlik keşfedilmiş ol du. Süperiletkenliğin temel özelliklerini açıklamak için

örnek olarak Şekil 1'deki içi boş iletken silindiri kulla nacağız. Silindir normal iletken durumunda iken bir dış manyetik alan içinde bulunmaktadır. Sıcaklık belli bir kritik T|( değerinin altına düşürülünce, silindirin yüzeyin den, bir kaynak bağlı olmadığı halde,akım geçmeye baş ladığı görülecektir. Süperiletkenlerde bu şekilde oluştu rulan halka akımlarının ikibuçuk yıla kadar bozulmadan kaldığı gözlenmiştir. Normal bir iletkende ise dış kaynak bulunmadan başlatılacak bir alcım elektron çarpışmaları sonucu derhal sıfıra düşecektir.

Y üksek sıcaklık dışında süperiletkenliği bozan başlıca faktörler yüksek manyetik alan ve yüksek akım yoğunlu ğudur. Kritik manyetik alanı (HjJ 1 0 5 gauss mertebesin de olan pratik süperiletken mıknatısların yapımı ancak 1960'ların başında mümkün olmuştur. Şekil Lc'deki sü periletken silindirin içinde hapsedilen (ve yüzey akımları ile yaratılan) manyetik akının <*»<> = ^ s 2 x 1 0 ~ 7 gauss/sm2 birim akısının tam katları olduğu (yani kuantize olduğu) 1962'de saptanınca, süperiletkenliğin makro dü

tını

a)T>TK,Hdış¥=0 normal durum

b) T < T K > H d ı ş # 0 süperiletken durum

c) T < T K , Hd,ş = 0 süperiletken durum

ŞEKİL 1. Manyetik alan içine konmuş silindir

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ'— 343

zeyde bir kuantum olayı olduğu da en güzel bir şekilde gözlenmiş oldu.

Sonsuz iletkenlik nedeniyle, bir süperiletkenin içinde elektrik alanının sıfır olacağı bellfdir. Çok daha temel bir özellik, yani manyetik alanın da sıfır olduğu, 1933'te Meissner tarafından gösterildi. Şekil 1.b'ye dönersek, T < Tk için manyetik alan silindirin ortasına ve dışına itilmiştir. Silindirin içinden geçen manyetik alan, 1 0 " s sm kalınlığında bir yaprakta akan yüzey akımının yarattığı karşı manyetik alanla yok edilmektedir. Süperiletkenlik durumu kararlı bir termodinamik fazı temsil ettiğinden, normal iletkenlik fazına göre daha düşük serbest enerjiye sahiptir, ö t e yandan, manyetik alan içine konduğunda, bu alanın dışarlanması serbest enerjiyi artırdığından, H > Hk durumunda süperiletken maddenin toplam ser best enerjisi normal iletkeninkinden daha fazla olur ve süperiletken normal iletkene dönüşür. Meissner etkisinin tam olmadığı ikinci tip süperiletkenlerde, H k ı ve Hk kritik alan değerleri arasında kalan manyetik alanlar ince iplikler halinde süperiletkenin içine sızmaktadırlar .(iplik ler, çevrelerinde dolaşan yüzey akımları tarafından oluş turuluyor). Günümüz yüksek alanlı süpermıknatısları, işte yüksek H ^ ' y e sahip bu ikinci tip süperiletkenlerden imal edilmektedir.

Süperiletkenliğin ilk başarılı modellemeleri 1935'te Lon don kardeşler, 1950'de ise W.L. Ginsburg ve L.D. Lan dan tarafından önerilmiştir. 1957'de J.Bardeen, L.Cooper ve J .R. Schrieffer süperiletken yük taşıyıcılarının tek elek tron yerine, zıt momentumlu ve zıt spinli elektron çiftle rinden oluştuğunu gösterdiler ve BSC adı ile anılan bu teori ile 1972 Nobel Fizik ödülü'nü aldılar. Akım geçti ğinde, çarpışmalar sonucu bir çift bozulsa bile hemen ar dından tekrar birleşerek eski konumlarına dönmektedir ler. Elektron çiftlerinin karakterize ettiği bu uzun erimli süperiletken düzen en azından düşük sıcaklıklarda süper iletkenlik olayını çok başarılı bir şekilde açıklamıştır.

Standard teoriye son önemli bir katkı, Josephson'un iki süperiletken arasında sandviçlenmiş ince bir yalıtkan ta bakadan süperakımların geçeceğini bulması olmuştur. Böyle bir sisteme dış voltaj kaynağı uygulandığında ise mikrodalga frekanslarında alternatif süperakımlar oluş maktadır. Paralel bağlanmış iki Josephson ekleminden (süperiletken yalıtkan süperiletken) geçen akımın özel liklerinden yararlanılarak, son derece duyarlı manyetik ölçümler (ve akım voltaj ölçümleri) yapılabilmektedir. SÇUID (süperilekten kuantum girişimi aygıtı) adi verilen bu aygıtlar bilinen en hassas magnetodedektörler arasın dadır.

1960'larda J. Kunzler Nb3SN alaşımının tel süperilet ken haline getirilebileceğini göstererek yüksek güç elek trik makinalarında süperiletkenlerin kullanılmasına öncü lük etti. 20 x 10? gauss'luk alanlarda süperiletken özelli ğini koruyabilen bu malzeme, aynı zamanda göreli ola rak yüksek Tk'lara sahip bir süperiletken sınıfından gel mektedir. Bu sınıfın en yüksek Tk'sı ise 23°K ile NbjGe'a aittir.

İlk süperiletkenli elektrik motoru (3000 hp) 1960'larda İngiltere'de ilk jeneratör (5 megawatt) ise 1970'lerin ba şında VVestinghouse tarafından A.B.D.'de yapıldı. Nor mal iletkenli birkaç yüz megawatt'lık jeneratörlerde eski bilinen süperiletkenler kullanılması halinde bile güçleri nin birkaç kat artacağını hatırlarsak, yüksek sıcaklıklarda işlevini sürdürecek yeni süperiletkenlerden elde edilecek verim hakkında bir fikir sahibi olabiliriz.

1986 87 ARASI SÜPERİLETKENLİK

1970lerle 1986 arasında kalan sessiz dönem, bazı bakır oksitli seramiklerin yüksek T k süperiletkenler oldukla rının keşfi ile hummalı bir araştırma periyoduna dönüşü verdi, ilk buluş 1986'da Zürih IBM Uboratuvan'ndan geldi; K.A. Müller Ba La Cu 0 sisteminin 35°K'de sü periletken olduğunu gördü. Bu sonucun 1986'da yayın lanmasını izleyen bir yıl içinde yer alan gelişmeler ise başdöndürücüdür. Bu sonucun Japonya, Çin ve A.B.D.'de tekrar edilip onaylanmasından sonra Bell Laboratuvaria n'nda 32° K; Houston Onıversitesi'nde 52°K ve nihayet Wu (Alabama Oniv.), Chu (Houston Onhr.) ve M.Cohen (Kaliforniya Onhr. Berkeley) tarafından Y (yttrium) Ba Cu 0 sisteminde 93°K ve 98°K'ya erişildi. Artık sıvı helyum gibi çok pahalı ve dikkat isteyen bir soğutucu (4.2°K) yerine sıvı azot gibi sütten ucuz bir soğutucu (77° K) kullanabilecek süperiletken teknolojileri gündeme geliyordu. (Bu arada 200°K'den yüksek sıcaklarda süper iletkenlik benzeri olayların da rapor edildiğini belirtme liyiz.) Yüksek Tk ve yüksek Hk değerlerine karşın sera

Z 1/2

Süperiletken bilgisayar elemanları sayesinde şimdikinden yüzlerce kat hızlı bilgisayarların yapımının mümkün ol duğu uzun süredir bilinmektedir. Hız kadar önemli bir başka avantaj da ısınma sorununun kalkması ile makina ların çok daha küçük boyutlarda tasarımlanabilmesidir.

ŞEKİL 2. La Ba Cu O iristal yapın

Sıcaklık f K)

ŞEKİL 3. Y Ba Cu O için direnç değişmesi (süperiletkenlik 93 °K'da başlıyor)

miklerin kırılgan oldukları ve yüksek akım yoğunlukla rında Süperiletkenliklerini kaybettikleri biliniyor. Ne varki birkaç ay içinde IBM, Bell, Toshiba, Argonne gibi büyük laboratuvarlarda tek, halka veya yumuşak şerit (ribon) haline getirilmiş süperiletkenler imal ediliyordu. Nisan ayında I BM'de yeni malzemeden ilk SÇUID yapıldı. SÇUlD'ler manyetik detektörler olarak malzeme bilimin de ve tıpta iç yapıyı görüntülemekte kullanılmaktadır.

Yüksek Tk süperiletkenlerin, dev parçacık hızlandırıcıla rından manyetik itme ilkesine göre çalışan trenlere, yük sek verimli elektrik cihazlarına kadar teknolojinin yüzünü değiştirecek uygulamaları bulunmaktadır. Gene, fiizyon için gerekli yüksek manyetik alanların çok daha ekono mik olarak elde edilmeleri ve fuzyon enerjisinin pratik hale gelmesi mümkün olabilecektir. Şu anda daha yüksek Tfc'lerin elde edileceğinden herkes emin görünüyor; asıl amaç ise oda sıcaklığında süperiletkenlik. Eğer bu düş gerçekleşirse, yepyeni bir teknoloji çağına gireceğimiz den emin olabilirsiniz.

Bu vesileyle mühendislik ve temel bilimler arasındaki alış verişin artık onyıllar değil, yıl ve ay ile ölçüldüğü bir ça ğın başladığı gerçeğini vurgulamak isterim. Modern tek nolojik bilginin şimdiye kadar zannettiğimiz gibi bir fin can yağ misali ödünç alınamıyacak kadar pahalı ve kar maşık olduğunu göremeyen ve bu bilgiyi üretemeyen toplumlar, onun ürünleri karşısında ilkel tüketiciler ola rak yabancılaşmaya mahkumdurlar. Hiç unutmamalı ki, evrensel katkıları kalmayan toplumlar, gün gelir ne ol duklarını anlamadan eleniverirler, tıpkı türlerin elendiği gibi...

TMMOB ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI TARAFINDAN ODTÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ELEKTRİK VE ELEKTRONİK BÖLÜMÜ, TÜRKİYE BİLİMSEL VE TEKNİK ARAŞTIRMA KURUMU'NUN KATKI LARIYLA DÜZENLENEN ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ II. ULUSAL KONGRESİ, ELEKTRİK, ELEKTROMEKANİK VE BİLGİSAYAR / 87 SERGİSİTVE TÜM ÜYELERİMİZİN KATILIMINI BEKLİYORUZ.

2 3 2 5 Eylül 1987 tarihleri arasında ODTÜ Mühendislik Fakültesi Elektrik ve Elektronik Bölümü Anfilerinde yapılacak olan Kongre ile birlikte açılacak Sergi 28 Eylül 1987 akşamına kadar açık tutulacaktır.