Süperiletkenlik tarihi

Süperiletkenlik bazı maddelerin elektrik direncinin belli bir sıcaklığın altında sıfır olması ve manyetik akıyı dışarı itmeleri olgusudur. Süperiletkenliğin tarihi Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnesin 1911de cıvada süperiletkenliği keşfetmesiyle başlamıştır. O zamandan günümüze diğer birçok süperiletken madde keşfedilerek süperiletkenlik teorisi geliştirilmiştir. Bu konular yoğun madde fiziği alanında aktif çalışma alanları olmaya devam etmektedirler.
Ultra-soğuk olgunun keşfi (1908e 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 1880de 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. Lindenin patenti rejeneratif ters akış kullanılarak, kanıtlanmış olguların 20 yıllık sistematik araştırılmasının dönüm noktası olmuştur. Hampsonun tasarımları da bir rejeneratif yöntemdi. Birleşik süreç Hampson-Linde sıvılaştırma yöntemi olarak bilinmektedir.
Onnes araştırması için bir Linde makinesi satın almıştı. 21 Mart 1900de, daha önce Olszewski ve Wroblewski tarafından gözlemlenen bir olgu olan düşük direncin neden olduğu, sıcaklığın düşürülmesiyle elektrik salınımlarının yoğunluğunun artırılması yöntemi için Nikola Teslaya bir ABD patenti verilmiştir. Bu patentte düşük sıcaklıklı bir rezonans devresinin elektrik salınımlarının artan yoğunluk ve süresi tarif edilmektedir. Teslanın Lindenin makinesini soğutucu maddeyi elde etmek için kullanma niyetinde olduğuna inanılır.
10 Temmuz 1908de Heike Kamerlingh Onnesin 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, Dewarın 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). Onnesin, kriyojenik sıcaklıklarda katı cıvanın direnci hakkındaki araştırması sıvı helyumun soğutucu olarak kullanılmasıyla başarıldı. 08 Nisan 1911, saat 16:00da Onnes cıvanın direnci hemen hemen sıfır olarak tercüme edilebilecek Kwik nagenoeg nul notunu düştü. Onnes, 4.19 K sıcaklıkta direncin birdenbire kaybolduğunu gözlemledi (Onnesin 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 Kda 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, 1912de 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 Kda süperiletken olduğu ve 1941de de niyobyum nitrürün 16 Kda süperiletken olduğu bulundu.
Enigmalar ve çözümler (1933-)
Süperiletkenliğin kavranmasında ikinci önemli basamak, 1933'te Walther Meissner ve Robert Ochsenfeldin, 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. 1950de süperiletkenliğin fenomenolojik Ginzburg-Landau teorisi, Lev Landau ve Vitaly Ginzburg tarafından tasarlandı.
Landaunun 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 1968de ölmüştür). 1950de 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 1957de 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 1972de Nobel Fizik ödülünü kazanmışlardır. 1958de Nikolai Nikolaevich Bogolyubov, aslında bir varyasyonal argümandan elde edilen BCS dalga fonksiyonunun elektronik Hamiltonianın kanonik dönüşümü kullanılarak elde edilebileceğini gösterdiği zaman BCS teorisi daha sağlam bir temele oturtulmuştur. 1959da Lev Gorkov 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 1962de 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.
Ticari faaliyet
1911 yılında süperiletkenliğin keşfinden hemen sonra, Kamerlingh Onnes, süperiletken sargılarla bir elektromıknatıs yapmaya çalıştı ancak göreceli düşük manyetik alanların keşfettiği maddelerdeki süperiletkenliği tahrip ettiğini buldu. Çok sonra, 1955'te George Yntema süperiletken niyobyum tel sargılarla küçük bir 0.7-tesla demir çekirdekli elektromıknatıs yapmayı başardı. Daha sonra, 1961de, J. E. Kunzler, E. Buehler, F. S. L. Hsu ve J. H. Wernick, üç kısım niyobyum ve bir kısım kalaydan meydana gelen bir bileşimin 4.2. kelvin derecede, bir 8.8 tesla manyetik alanında cm2 başına 100,000 amperden fazla bir akım yoğunluğunu destekleyebildiğine ilişkin şaşırtıcı keşfi yaptılar. Kırılgan ve imalatı zor olmasına rağmen niyobyum-kalayın 20 teslaya kadar manyetik alan üreten süpermıknatıslarda son derece kullanışlı olduğu kanıtlanmıştır. 1962de Ted Berlincourt ve Richard Hake, niyobyum ve titanyum alaşımlarının 10 teslaya kadar olan uygulamalar için uygun olduğunu keşfettiler. Hemen arkasından, niyobyum-titanyum süpermıknatıs telinin ticari üretimi Westinghouse Electric Corporation ile Wah Chang Corporationda başladı. Niyobyum-titanyumun, niyobyum-bakırdan daha az-etkileyici süperiletken özellikleri olmasına rağmen, niyobyum-titanyum, yine de büyük ölçüde çok yüksek süneklik ve üretim kolaylığı sonucunda en yaygın kullanılan süper mıknatıs maddesi ürünü haline geldi. Ancak, hem niyobyum-bakır hem de niyobyum-titanyum MRI tıbbi görüntülemede, çok yüksek-enerjili partikül hızlandırıcı için mıknatısların eğilme ve odaklanmasında, ve diğer uygulamalarda konukçu olarak geniş bir uygulama alanı buldu. Bir Süperiletkenlik Avrupa konsorsiyumu olan Conetcus, 2014te, süperiletkenliğin vazgeçilmez olduğu küresel ekonomik faaliyetin, MRI sistemleri toplamın %80ini oluşturmak üzere, beş milyar dolara ulaştığı tahmininde bulunmuştur.
1962de Brian Josephson, süper akımın ince bir izolatör tabakasıyla ayrılan iki süperiletken parçanın arasından akabileceğine ilişkin önemli bir teorik öngörüde bulunmuştur. Günümüzde Josephson etkisi olarak bilinen bu olgu, SQUIDler gibi süperiletken cihazlar tarafından kullanılmaktadır. Manyetik akı kuantumu h/2enin mevcut en doğru ölçümlerinde, ve dolayısıyla (Kuantum Hall dirençliği ile birleştirilmiş) Planck sabiti h için de kullanılır. Josephson 1973'te bu çalışması için Nobel Fizik ödülünü aldı.
1973'te Nb3Genin, 1986da kuprit yüksek sıcaklıklı süperiletkenlerin keşfine kadar (bakınız aşağı), en yüksek ortam basıncı Tc olarak kalmaya devam eden 23K Tc olduğu bulundu.
Yüksek sıcaklıklı süper iletkenler
1986da J. Georg Bednorz ve K. Alex Mueller, 35 K geçiş sıcaklığı bulunan ve yüksek sıcaklıklı süperiletkenlerin ilki olan lantanum esaslı kuprit perovskit maddesinde süperiletkenliği keşfetti (1987 Nobel Fizik Ödülü). Kısa bir süre sonra (Ching-Wu Chu tarafından) lantanın itriyum ile değiştirilmesinin, yani YBCO yapılmasının, kritik sıcaklığı 92 Kya çıkardığı bulundu ki bu sıvı nitrojenin soğutucu olarak kullanılabilmesi nedeniyle önemliydi (atmosferik basınçta, nitrojenin kaynama noktası 77 K). Sıvı nitrojenin ham madde kullanılmadan yerinde ucuz olarak üretilebilmesi ve borulamada helyumun bazı problemlerine (katı hava fişleri, vs.) meyilli olmaması ticari açıdan önemlidir. O zamandan günümüze kadar birçok diğer kuprit süperiletkenler keşfedilmiştir, ve bu maddelerdeki süperiletkenlik teorisi teorik yoğun madde fiziğinin en önemli sorunların birisidir.
2001 Martında 39 K kritik sıcaklıkta Magnezyum diborürün (mgB2) süperiletken olduğu bulunmuştur.
2008de, bu konuda yapılacak çalışmaların kuprit süperiletkenler teorisini sağlayacağı ümidiyle bir çalışma fırtınasına yol açan oxypnictide veya demir bazlı süperiletkenler keşfedilmiştir.
2013'te, maddenin kristal yapısını deforme etmek için kızılötesi lazer ışığının kısa darbeleri kullanılarak, piko saniyede YBCO (Itriyum baryum bakır oksit)da oda ısısında süperiletkenlik elde edilmiştir.
Tarihsel yayınlar
H. K. Onnesin makaleleri
"The resistance of pure mercury at helium temperatures". Comm. Leiden. April 28, 1911.
The disappearance of the resistivity of mercury". Comm. Leiden. May 27, 1911.
"On the sudden change in the rate at which the resistance of mercury disappears". Comm. Leiden. November 25, 1911.
"The imitation of an ampere molecular current or a permanent magnet by means of a supraconductor". Comm. Leiden. 1914.
BCS teorisi
J. Bardeen, L. N. Cooper and J. R. Schrieffer, "Theory of superconductivity," Phys. Rev. 108, 1175 (1957),
Diğer ana makaleler
W. Meissner and R. Ochsenfeld, Naturwiss. 21, 787 (1933),
F. London and H. London, "The electromagnetic equations of the supraconductor," Proc. Roy. Soc. (London) A149, 71 (1935), ISSN 0080-4630.
V. L. Ginzburg and L. D. Landau, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 20, 1064 (1950)
E. Maxwell, "Isotope effect in the superconductivity of mercury" Phys. Rev. 78, 477 (1950),
C. A. Reynolds et al., "Superconductivity of isotopes of mercury," Phys. Rev. 78, 487 (1950),
A. A. Abrikosov, "On the magnetic properties of superconductors of the second group," Soviet Physics JETP 5, 1174 (1957)
W. A. Little and R. D. Parks, "Observation of quantum periodicity in the transition temperature of a superconducting cylinder," Phys. Rev. Lett. 9, 9 (1962)
B. D. Josephson, "Possible new effects in superconductive tunnelling," Physics Letters 1, 251 (1962),
Patentler
Tesla, Nikola, "Means for Increasing the Intensity of Electrical Oscillations", March 21, 1900.