konulan London teorisidir. Denklemlerinin en büyük başarısı, Meissner efektini açıklayabilmesidir.

London denklemleri;

formula_2 formula_3

Bu teoriler arasında Ginzburg-Landau teorisi ve BCS teorisi gösterilebilir.

Ginzburg-Landau teorisi, Landau’nun ikinci tür hal değişimleri teorisini Schrödinger’inkine benzeyen bir dalga denklemiyle birleştirdi ve süperiletkenlerin makroskobik özelliklerini açıklamada büyük rol oynadı. Abrikosov, Ginzburg-Landau teorisinin sonradan 1. Tip ve 2. Tip olarak adlandırılacak iki çeşidi belirttiğini kanıtladı. Abrikosov ve Ginzburg 2003 Nobel Ödülü’nü kazandı. Ginzburg-Landau teorisinin dört boyutlu versiyonu olan Coleman-Weinberg modeli de kuantum alanı teorisi ve kozmolojiye katkı sağladı.

1950’de Maxwell ve Reynolds süperiletkenin kritik sıcaklığının, bileşen elementinin izotopik kütlesine bağlı olduğunu kanıtladı. Bu önemli keşif elektron-fonon etkileşimini süperiletkenliğe sebep olan mikroskobik mekanizma olarak gösterdi.

Süperiletkenliğin tamamlanmış mikroskobik teorisi 1957’de Bardeen, Cooper ve Schrieffer tarafından öne sürüldü. BCS teorisi, süperiletken akımının, süperakışkan Cooper eşlerinden oluştuğunu gösterdi. Teorinin sahipleri 1972 Nobel Ödülü’nü aldı.

1958’de Bogulyubov’un, BCS dalga fonksiyonunun, Hamiltonian elektroniğinin benzer bir dönüşümüyle açıklanabildiğini göstermesiyle BCS teorisi sağlamlaştı.

Süperakışkanlığı anlamanın temelinde BCS teorisinin perspektifinden bakmak vardır.

1954’te kriyotronun icadıyla süperiletkenlerin pratik bir biçimde uygulanması sağlandı. Kritik manyetik alan değerleri farklı olan iki süperiletken birleştirilerek birkaç bilgisayar parçası geliştirilmiş oldu.

Süperiletkenliği keşfinden hemen sonra Onnes, süperiletkenlerle bir mıknatıs yapmak istedi ancak manyetik alanların, kullandığı maddelerdeki süperiletkenliği yok ettiğini gördü. Bu düşünceyi 1955’te Yntema gerçekleştirdi. 1961’de Kunzler, Buehler, Hsu ve Wernick 4,2 Kelvin ve 8.8 Tesla’da üç kısmı niyobyum, bir kısmı kalaydan oluşan bir bileşiğin 100,000 amper/m elektrik akımını kaldırabileceğini keşfetti. Sonrasında ise niyobyum-kalay ve niyobyum-titanyum bileşiklerinin sırasıyla 20 ve 10 Tesla büyüklüklerinde manyetik alan oluşturabileceği keşfedildi ve bu bileşikler süpermıknatıslarda kullanılmaya başlandı. Günümüzde de MR sistemlerinde bu bileşikler kullanılmaktadır.

1962’de Josephson’ın teorisine göre bir süperakım, ince bir yalıtkan katmanıyla ayrılan iki süperiletken arasında akabilirdi. Josephson etkisi, süperiletken kuantum müdahale aygıtlarında kullanılmaktadır. Aynı zamanda manyetik akım kuantumunu hesaplamak için kullanılmaktadır. Josephson’a 1973’te Nobel Ödülü verilmiştir.

2008’de, süperiletkenliğe sebep olan mekanizmanın, süperyalıtkanlığa da sebep olabileceği ileri sürülmüştür.

1986’ya kadar fizikçiler BCS teorisinin, 30 Kelvin’den yukarıda süperiletkenliğe olanak vermediğine inandılar. O yıl Bednorz ve Müller lantan bazlı bir cuprate perovskite maddede süperiletkenliği keşfettiler. Bu maddenin hal değiştirme sıcaklığı 35 Kelvin’di. İkisi 1987 Nobel Ödülü’nü aldılar. Sonrasında ise lantanı itriyumla değiştirmenin, kritik sıcaklığı 92 Kelvin’e yükselttiği keşfedildi.

Bu sıçrayış, soğutucu olarak sıvı helyum yerine sıvı azotun kullanılmasını sağlar. Sıvı azotu bulmak, sıvı helyum bulmaya göre çok daha kolaydır.

Birçok cuprate süperiletken keşfedilmiştir ve bu maddelerin süperiletkenlik teorilerini bulmak, yoğun madde fiziğinin en zorlu görevlerinden biri olmuştur. Günümüzde iki teori mevcuttur: rezonans üreten değerlik bağı teorisi ve dönüş dalgalanması teorisi.

1933’ten beri en yüksek ısılı süperiletken; cıva, baryum, kalsiyum, bakır ve oksijen içeren seramik bir metaldir. Kritik sıcaklığı 133 – 138 Kelvin arasında olarak düşünülmektedir ancak 138 Kelvin’in doğruluğu henüz deneysel onay almamıştır.

Şubat 2008’de demir bazlı süperiletkenler bulunmuştur. 2015’te de hidrojen sülfürün 203 Kelvin’den aşağıda süperiletkenlik gösterdiği keşfedildi ancak bu durum yalnızca yüksek basınçta gerçekleşiyordu.

Süperiletken mıknatıslar, bilinen en güçlü elektromıknatıslardandır. MR makinelerinde, kütle spektrometrelerinde, parçacık hızlandırıcılarındaki ışın yöneten mıknatıslarda ve bazı tokamaklarda kullanılmaktadırlar. Ayrıca manyetik ayrım için de kullanılabilirler.

1950’ler ve 1960’larda süperiletkenler kriyotron anahtarlı deneysel dijital bilgisayar yapımında kullanıldı. Daha yakın zamanda ise hızlı tekil akım kuantumu teknolojisini baz alarak dijital çevrimler yapmak için kullanılmıştır.

Süperiletkenler Josephson bağlantıları kurmak için kullanılmaktadır. Normal halden süperiletkenliğe geçişteki direnç değişimi dondurucu mikro-kalorimetre foton dedektörlerindeki termometreleri yapmak için kullanılmaktadır. Aynı efekt hassas bolometreler yapmak için de kullanılmaktadır.

Yüksek ısılı süperiletkenlerdeki boyut ve maliyet avantajı birkaç pazarlama alanında kullanılmaya başlanmıştır. Örneğin bir rüzgar tribününün süperiletken maddelerle yapılması daha ucuzdur.

İleride gelebilecek kullanım alanları arasında elektrik gücü iletimi, güç depolama aygıtları, elektrik motorlar, manyetik yükseltim araçları ve süperiletken manyetik dondurma yer almaktadır. Ancak süperiletkenlik hareket eden manyetik alanlara duyarlıdır, bu yüzden hareket eden manyetizmalı teknolojilerin geliştirilmesi, sabit manyetizmalı teknolojilere göre daha uzun sürecektir. Günümüzdeki elektrik kablolarına kıyasla, süperiletken kablolar daha verimlidir ve daha az yer kaplar.

Heike Kamerlingh Onnes (1913)

Bardeen, Cooper, Schrieffer (1972)

Esaki, Giaever, Josephson (1973)

Bednorz, Müller (1987)

Abrikosov, Ginzburg, Leggett (2003)

Kosterlitz, Haldane, Thouless (2016)

Cooper çiftleri negatif elektrik yüklü elektron atom örgüsün içinden geçerken pozitif yüklü iyonlarla elektromanyetik etkileşime geçerse Cooper çifti oluşup atom örgüsünün şekli bozulur. Cooper çiftleri süperiletkendeki akımın taşıyıcılarıdır fonon alışverişi ile bağlı kalırlar. Fonon kristal titreşim kuantumudur. Parçalayıcısı düzen parametresiyken adını Leon Neil Cooper'dan alır.

Öncelikle, Cooper çiftlerini oluşturan elektronlar tek bir atoma bağlı değildir. Bunlar, aynen metallerdeki gibi malzeme içinde serbestçe dolaşan elektronlardan oluşuyor. Bazı atomların (metal atomları) en dış kabuklarındaki elektronlar atomlara diğerlerinden çok daha zayıf bağlanmıştır. Atomları bir araya koyarak malzemeyi oluşturduğunuzda, bu elektronlar bir atomdan diğerine rahatça geçerek, malzeme içinde serbestçe dolaşmaya başlarlar. Küçük bazı farklar dışında bu hareket parçacıkların boş uzaydaki hareketine oldukça benziyor. Biz bu tip malzemelere “metal” diyoruz. Süperiletkenlikte metallerde, bu serbest elektronların birbirleriyle “bir şekilde” etkileşerek Cooper çiftleri oluşturmasıyla oluşuyor. Etkileşme BCS tipi dediğimiz süperiletkenlerde, atomların titreşmesi aracılığıyla gerçekleşiyor. Yani, bir elektron çevresindeki atomların titreşmesine neden oluyor, bu titreşimler uzağa yayılıyor ve başka bir elektronun hareketini etkiliyor. Fakat elektronların etkileşmesi için bu tek bir olası mekanizma değil. Özellikle seramik süperiletkenlerde başka etkileşme mekanizmalarının olduğu düşünülüyor.

Önemli olan bir nokta bu etkileşmenin çok zayıf olması. Bunun bir sonucu, elektronların birbirlerine bağlanması için sıcaklığın çok düşürülmesi gerekiyor. Bu da, belli bir kritik sıcaklığın altında gerçekleşiyor. Kritik sıcaklık her malzeme için farklı. O malzemedeki elektronların ne kadar büyük titreşim yaratabildiklerine (BCS mekanizması için), elektron yoğunluğuna vb. birçok faktöre bağlı. Birçok malzeme için bu 1 Kelvinin bile altında, kurşun için 7K, magnezyum diborid için 39K, seramikler için daha yüksek. Şu andaki dünya rekoruna 138K ile bir seramik sahip. Ama, bütün malzemeler süperiletken olamıyor. Bunun nedeni bu malzemelerde Cooper çifti oluşturacak derecede yeterince güçlü bir etkileşmenin olmaması olabilir ya da deneysel olarak yeterince düşük sıcaklıkları henüz elde edemediğimizden de olabilir. Bazı metallerse, normal basınç altında hiçbir zaman süperiletken olamadığı halde, yüksek basınç altında ve uygun sıcaklık altında süperiletken olabiliyor (örneğin demir). Şu anda, hangi malzemenin hangi sıcaklık (ve basınç) altında süperiletken olacağını güvenilir bir şekilde söyleyebilen bir kuram yok. Süperiletkenlik alanındaki en büyük sorun, kuramların bu anlamdaki yetersizliği. Gelecekte oda sıcaklığında süperiletken olan malzemeler bulunacağı umuluyor. Ama o zamana kadar, bilim adamları güçlü soğutucularla çalışmak zorunda. Kritik sıcaklığın üzerinde bir süperiletkenin metale dönüşmesi, bu malzemelerin normalde metal olmasından kaynaklanıyor, başka bir şey değil.
Elektronlar arasındaki etkileşmenin zayıf olmasının ikinci bir sonucu, bu elektronlar bağlanıp bir Cooper çifti oluşturduklarında aralarındaki uzaklığın oldukça büyük olması. (Zayıf etkileşme => büyük uzaklık, düşük kritik sıcaklık). Diğer bir takım nedenlerden dolayı bu uzaklığa “uyum uzaklığı” deniyor ve değeri 1000 Angstrom ile bazı seramiklerde 30 Angstrom arasında değişiyor. Atomların çapının birkaç Angstrom olduğunu hatırlarsanız, bir Cooper çiftindeki iki elektron arasında yüzlerce başka elektron olduğunu görebilirsiniz. Bunun bir anlamı, bir çiftteki elektronlardan birinin rahatlıkla bağdan kurtulup başka bir çifte bağlanabilmesi olasılığı. Yani, malzeme içinde bir kere birbirlerine bağlandı mı artık ayrılmayan çiftler yerine çok daha karmaşık bir durum söz konusu. Bu nedenle süperiletkenlerin kuramsal tasviri oldukça karmaşık ve yine bu nedenle süperiletkenlikle Bose-Einstein yoğuşması arasında birebir ilişki kuramıyoruz. (Halbuki iki olay birbirine çok benziyor). Bir çifti oluşturan elektronların enerjileri aynı da olabilir, farklı da. Bağlanmayı sağlayan etkileşme çok zayıf olduğundan, çiftin bağlanma enerjisi çok düşük. Bu nedenle elektronların enerjileri de aşağı yukarı aynı olmalı; enerjileri arasında çok büyük farklar olmamalı. Elbette bu elektronlar birbirleri arası