Süperiletkenlik tarihi

Ultra-soğuk olgunun keşfi (1908’e kadar)

Düşük sıcaklıklarda elektrik direnci hakkındaki araştırmaları James Dewar başlatmıştır. Zygmunt Florenty Wroblewski düşük sıcaklıklarda elektriksel özellikler konusunda araştırma yapmış, ancak kaza sonucu ölmesi nedeniyle araştırması sona ermiştir. 1864 yılında, Karol Olszewski ve Wroblewski ultra-soğuk sıcaklıklarda direnç seviyelerinin düşmesi hakkındaki elektrik olgusunu öngörmüştür. Olszewski ve Wroblewski bu olguya ilişkin kanıtları 1880’de ortaya çıkarmıştır.
Dewar ve John Ambrose Fleming  saf metallerin mutlak sıfırda mükemmel elektromanyetik iletkenler haline geldiklerini öngörmüştür (daha sonra, Dewar, her zaman bir parça iletkenliğin var olacağına inanarak, direncin kaybolması hakkındaki fikrini değiştirmiştir). Walther Hermann Nernst, termodinamiğin üçüncü yasasını geliştirmiş ve mutlak sıfırın erişilmez olduğunu ifade etmiştir.  Her ikisi de ticari araştırmacılar olan Carl von Linde ve William Hampson,  hemen hemen aynı zamanda gazların sıvılaşmasında Joule-Thompson etkisi için patent başvurusunda bulunmuşlardır. Linde’nin patenti rejeneratif ters akış kullanılarak, kanıtlanmış olguların 20 yıllık sistematik araştırılmasının dönüm noktası olmuştur. Hampson’un tasarımları da bir rejeneratif yöntemdi. Birleşik süreç Hampson-Linde sıvılaştırma yöntemi olarak bilinmektedir.
Onnes araştırması için bir Linde makinesi satın almıştı. 21 Mart 1900’de, daha önce Olszewski ve Wroblewski tarafından gözlemlenen bir olgu olan düşük direncin neden olduğu, sıcaklığın düşürülmesiyle elektrik salınımlarının yoğunluğunun artırılması yöntemi için Nikola Tesla’ya bir ABD patenti verilmiştir. Bu patentte düşük sıcaklıklı bir rezonans devresinin elektrik salınımlarının artan yoğunluk ve süresi tarif edilmektedir. Tesla’nın Linde’nin makinesini soğutucu maddeyi elde etmek için kullanma niyetinde olduğuna inanılır.
10 Temmuz 1908’de Heike Kamerlingh Onnes’in ilk kez Hollanda Leiden Üniversitesinde atmosferik basınçta 4.2 kelvin kaynama noktası olan sıvılaştırılmış helyum üretmesi bir kilometretaşı olmuştur.

Ani ve sürekli kayboluş

Heike Kamerlingh Onnes ve Jacob Clay, Dewar’ın düşük sıcaklıklarda direncin azalmasına ilişkin daha önceki deneylerini tekrar incelediler. Onnes incelemeye platinyum ve altınla başladı, sonra bunları cıvayla değiştirdi (daha kolaylıkla arıtılabilen bir madde). Onnes’in, kriyojenik sıcaklıklarda katı cıvanın direnci hakkındaki araştırması sıvı helyumun soğutucu olarak kullanılmasıyla başarıldı. 08 Nisan 1911, saat 16:00’da Onnes “cıvanın direnci hemen hemen sıfır” olarak tercüme edilebilecek “Kwik nagenoeg nul” notunu düştü. Onnes, 4.19 K sıcaklıkta direncin birdenbire kaybolduğunu gözlemledi (Onnes’in kullandığı ölçüm aleti herhangi bir direnç kaydetmemişti). Onnes araştırmasını 1911 yılında “Cıvanın direncinin kaybolduğu ani hız hakkında” başlıklı makalesinde ortaya çıkardı. Onnes bu makalesinde “özdirencin” olağan sıcaklıkta en iyi iletkene göre miktar olarak binlerce kat daha düşük olduğunu söyledi. Onnes daha sonra süreci tersine çevirdi ve 4.2 K’da direncin maddeye geri  döndüğünü buldu. Ertesi yıl, Onnes bu olgu hakkında daha çok makale yayınladı. Başlangıçta, Onnes bu olguya “suprailetkenlik” (1913) adını verdi ve ancak daha sonra, “süperiletkenlik” terimini benimsedi. Onnes bu araştırması için 1913 yılında Nobel Fizik Ödülünü aldı.
Onnes, 1912’de süperiletkenliğin kullanılabilirliği üzerine bir deney yaptı. Onnes bir süperiletken halkaya elektrik akımı verdi ve bunu üreten pili çıkardı. Onnes elektrik akımını ölçtüğünde, yoğunluğunun zamanla kaybolmadığını buldu.. Akım, iletken ortamın süperiletken hali nedeniyle devamlılık göstermişti.  Daha sonraki yıllarda, birçok diğer maddede de süperiletkenlik bulundu. 1913'te kurşunun 7 K’da süperiletken olduğu ve 1941’de de niyobyum nitrürün 16 K’da süperiletken olduğu bulundu.

Enigmalar ve çözümler (1933-)

Süperiletkenliğin kavranmasında ikinci önemli basamak, 1933'te Walther Meissner ve Robert Ochsenfeld’in, Meissner Etkisi olarak bilinen bir olgu olan süper iletkenlerin uygulanan manyetik alanları dışarı ittiğini keşfettiklerinde meydana gelmiştir. 1935'te Fritz London ile Heinz London kardeşler Meissner etkisinin süperiletken akım tarafından taşınan elektromanyetik serbest enerjinin minimizasyonunun bir sonucu olduğunu gösterdiler. 1950’de süperiletkenliğin fenomenolojik Ginzburg-Landau teorisi, Lev Landau ve Vitaly Ginzburg tarafından tasarlandı.
Landau’nun ikinci derece evre teorisini, Schrödinger-benzeri dalga denklemiyle birleştiren Ginzburg-Landau teorisi, süperiletkenlerin makroskopik özelliklerini açıklamada çok büyük bir başarı gösterdi. Özellikle, Alexei Abrikosov, Ginzburg-Landau teorisinin süperiletkenlerin şimdi Tip I ve Tip II olarak refere edilen iki kategoriye bölünmesini öngördüğünü göstermiştir. Abrikosov ve Ginzburg bu çalışmaları nedeniyle 2003 Nobel Fizik ödülünü almışlardır (Landau 1968’de ölmüştür). 1950’de de Emanuel Maxwell ile, neredeyse hemen hemen aynı anda, C.A.Reynolds et.al, süperiletkenliğin kritik sıcaklığının kurucu elementin izotopik kütlesine bağlı olduğunu bulmuşlardır. Bu önemli keşif, elektron-fonon etkileşiminin süperiletkenlikten sorumlu olan mikroskopik mekanizma olduğunu göstermiştir.

BCS Teorisi

Eksiksiz süperiletkenliğin mikroskobik teorisi nihayet 1957’de John Bardeen, Leon N. Cooper ve Robert Schrieffer tarafından önerilmiştir. Bu BCS teorisi süperiletken akımı, fononların değişimi yoluyla etkileşen elektron çifti olan  Cooper Çiftinin süper sıvısı olarak açıklamıştır. Yazarlar bu çalışma için 1972’de Nobel Fizik ödülünü kazanmışlardır. 1958’de Nikolai Nikolaevich Bogolyubov, aslında bir varyasyonal argümandan elde edilen BCS dalga fonksiyonunun elektronik Hamiltonian’ın kanonik dönüşümü kullanılarak elde edilebileceğini gösterdiği zaman BCS teorisi daha sağlam bir temele oturtulmuştur. 1959’da Lev Gor’kov BCS teorisinin, kritik sıcaklık civarında Ginzburg-Landau teorisi ile uyumlu olduğunu göstermiştir. Gorkov,süperiletkenlik aşaması evrim denklemini ilk türeten kişidir. .

Little-Parks Etkisi

Little-Parks etkisi 1962’de paralel manyetik alana maruz boş ve ince duvarlı süper iletken silindirlerle yapılan deneylerde keşfedildi. Bu çeşit silindirlerin elektrik direnci silindirin içinden mıknatıssal akıyla periyodik bir salınım gösterir ve süre h/2e = 2.07x10-15V.s olur. William Little ve Ronald Parks direnç salınımının süperiletken kritik sıcaklığın (Tc) periyodik salınımı gibi daha temel bir olguyu yansıttığı açıklamasını yapmışlardır. Bu sıcaklıkta örnek süperiletken hale gelir. Little-Parks etkisi süperiletken elektronların toplu kuantum davranışının bir sonucudur. Bu, süperiletkenlerin içinde nicemlenenin akı değil akı kuantumu olduğu genel gerçeğini yansıtır. Little-Parks etkisi, vektör potansiyelinin gözlemlenebilir fiziksel miktara, yani süperiletken kritik sıcaklığa doğru ikiye katlandığını gösterir.