Süper iletkenler enerji verimliliğinin "kutsal kâse"si durumundadırlar. Bu kafa karıştırıcı malzemeler, elektrik akımının dirençle karşılaşmadan özgürce hareket etmesine olanak sağlar. Fakat bu durum genellikle mutlak sıfır noktasının (-273.15 °C) birkaç derece üzerindeki sıcaklıklarda gerçekleşir ve bu nedenle günümüzde uygulanmalarını zorlaştırır. Ama yine de, süper iletkenlerin gücünden oda sıcaklıklarında da faydalanabilmenin bir yolunu bulursak, enerjinin dünya genelinde üretim, depolama, dağıtım ve kullanım şekillerini değiştirebiliriz.

Yapılan yeni bir çalışmada, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı Enerji Bölümü’ndeki bilim insanları, bunu nasıl mümkün kılacaklarını anlamaya bir adım daha yaklaştılar. Fizikçi Ivan Bozovic’in önderliğinde yürütülen çalışmada, bakır ve oksijen atomlarından oluşan katmanlar içeren küprat (İngilizce: cuprate) adındaki bileşikler kullanıldı.

Uygun koşullar altında (yani şu an için aşırı soğuk sıcaklıklarda), elektrik akımı bu küprat süper iletkenleri üzerinde, yol boyunca hiçbir engelle karşılaşmadan serbestçe dolaşabilir. Bunun anlamı, taşıdıkları enerjinin hiçbir kısmının ısıya dönüştürülmediğidir. Dizüstü bilgisayarınızı dizinizin üstünde kullandıysanız, süper iletken olmayan malzemeler tarafından kaybedilen ısıyı hissetmişsinizdir.

Küprat için oluşturulabilecek uygun koşullar arasında, bileşiğe stronsiyum gibi başka kimyasal elementler eklemek de var. Bu atomları malzemeye eklemek ve malzemeyi soğutmak, normalde birbirlerini iten elektronların, bir şekilde çift oluşturarak materyal içerisinde çaba harcamadan birlikte hareket etmelerine neden oluyor. Küpratı bu kadar özel kılan şey ise, standart süper iletkenlerin gerek duyduğu sıcaklığın yüzlerce derece üzerinde, maddenin bu “sihirli” haline ulaşabilmesi. Bu da onları gerçek dünyada enerji tasarrufu uygulamaları için oldukça cazip kılıyor.

Bu malzemeler soğutma gerektirmiyor, böylece günlük hayatta kullanımları görece olarak daha kolay ve ucuz hale gelebiliyor. Asla enerji kaybetmeyen elektrik şebekelerini, kolayca uygulanabilir mag-lev tren sistemlerini, daha ucuz tıbbi görüntüleme cihazlarını, ayrıca daha küçük olmasına rağmen daha güçlü süper bilgisayarları hayal edebilirsiniz.

Küpratlardaki “yüksek sıcaklıkta” süper iletkenliğin gizemini çözebilmek için, bilim insanları öncelikle elektronların bu malzemelerde nasıl davrandığını anlamak zorunda. Bozovic’in ekibi küpratların süper iletken olduğu sıcaklıkları tam olarak neyin kontrol ettiğini belirleyerek, gizemin bir kısmını çözmeyi başardı.

Standart süper iletkenlik teorisine göre, bu sıcaklık elektron çiftlenme etkileşiminin kuvvetiyle kontrol ediliyor, fakat Bozovic’in ekibi bunun tam tersini buldu. Stronsiyumun değişik miktarlarıyla oluşturulan 2000’den fazla küprat örneğinin hazırlanması ve analiz edilmesiyle geçen 10 yılın ardından, verilen bir bölgedeki elektron çifti sayısının (santimetreküp başına) veya elektron yoğunluğunun, süper iletken geçiş sıcaklığını kontrol ettiğini buldular. Diğer bir deyişle burada söz konusu olan nesneler arasındaki kuvvet değil, nesnelerin, bizim durumumuzda elektron çiftlerinin yoğunluğu.

Bilim insanları bu sonuca, her bir örnekte manyetik alanın ne kadar uzağa erişebildiğini ölçerek ulaştılar. Mesafe, elektron çiftlerinin yoğunluğuyla doğrudan bağlantılı ve bu mesafe malzemenin özelliklerine bağlı olarak değişiyor. Süper iletkenlerde manyetik alan neredeyse tamamıyla dışarıda bırakılıyor, metallerde ise malzemenin içerisinde yayılıyor. Daha fazla miktarda stronsiyum eklendiğinde, küprat daha fazla iletken hale geliyor çünkü taşınabilir elektron çiftlerinin sayısı artıyor. Fakat buna rağmen, daha fazla stronsiyum eklediklerinde, elektron çiftlerinin sayısının tamamıyla hiç elektron çiftinin oluşmadığı noktaya kadar düşüyor. Aynı anda süper iletkenlik geçiş sıcaklığı ise sıfıra (mutlak sıfır) kadar düştü. Bozovic ve ekibi elektronların hepsinin çift oluşturması gerektiği halde, sadece bir kesiminin çift oluşturduğunu keşfettiklerinde şaşırdılar.

Bunu şu şekilde hayal edin: Bir dans salonundasınız ve bir noktadan sonra normalde kol kola girmeyecek olan siz ve diğer insanlar eşleşmeye ve birlikte hareket etmeye başlıyor. Bazı yeni gelenler oluyor, onlar da birileriyle eşleşiyor ve kendilerini dansın harmonisine kaptırıyor. Fakat sonra tuhaf bir şey meydana geliyor. Daha kaç kişinin dans pistine doğru yol almasının bir önemi olmaksızın, hepsinin yapabilmeleri önünde bir engel olmamasına rağmen, bunların sadece bir kısmı eşleşiyor. En sonunda da hiç kimse eşleşmemeye başlıyor.

Peki, dansçılar (veya elektronlar) neden ilk başta çift oluşturuyor? Bu sorunun cevabını bulmak, fizikçileri 30 yıldan uzun bir süredir uğraştıran bir gizem olan, küpratlarda yüksek sıcaklıklarda süper iletkenliğin mekanizmasını açıklama yolunda atılacak bir sonraki adım.

 

Kaynak:

Room-temp superconductors could be possible

http://phys.org/news/2016-09-room-temp-superconductors.html