SÜPERİLETKENLİK HAKKINDA

Tarihçe
Süperiletkenlikle ilgili ilk deneysel çalışmalar 1911 yılında Kamerling Onnes’in metalik cıva da 4,2 K (-269ºC)’de süperiletkenliği keşfetmesi ile başlamıştır. Elementel olarak başlayan bu çalışmalar 1960’lı yıllara doğru hızlanmaya başlamış ve metal alaşımları da kapsamıştır. 4.2 K olan ilk süperiletkenliğe geçiş sıcaklığı (Tc) 1960’lı yılların başında 23 K’nin üzerine çıkmıştır. Bu durum bilim insanları tarafından heyecanla karşılanmış ve süperiletkenlik konusundaki çalışmalar hem yeni malzemelerin bulunması ve teknolojik uygulamaların araştırılması hem de teorik altyapının kurulması ve anlaşılabilmesi üzerine hızla devam etmiştir. Malzeme konusunda en önemli kırılma noktası 1986 yılını işaret etmektedir. Bilim insanlarının büyük çoğunluğu metal alaşımlarla bir sıçrama beklerken ilk bakır oksit düzlemine sahip LaBaCuO seramik malzemesinde 30 K’ lik Tc değeri elde edilmiştir. Kısa süre içerisinde birçok araştırma grubu ve bilim insanı bu kez seramik malzemeler üzerinde yoğun çalışmalar içerisine girmişler ve 1987 yılının son günlerinde Lantan’nın Yttrium ile yer değiştirmesi sonucu bulunan YBa2Cu3Ox seramik sisteminde o günler için inanılması güç bir sıcaklık olan Tc=92 K değerine ulaşılmıştır.
Bu durum tüm dünyada bilim insanlarının ve teknoloji firmalarının ilgisini bir anda süperiletkenlik üzerine çekmiştir. Sadece fizikçiler, kimyacılar değil neredeyse tüm mühendislik ve malzeme bilim dallarından araştırmacılar süperiletken malzemeler üzerine yoğunlaşmışlardır, bu durum o yıllar itibari ile uluslararası indekse giren çalışmalardan da açıkça görülmektedir, Şekil-1.


Şekil 1 – 1945 yılından itibaren dünyada süperiletkenlik konusunda yapılan akademik çalışmaların sayısal değerleri, Web of Science verilerinden derlenmiştir.

Bunun sonucunda 1988 yılında 3 farklı süperiletken faza sahip olan BSCCO sistemi ve hemen sonra da TlBa2Can-1CunO2n+3 sistemi (122 K) bulunmuştur. 1993 yılında da Hg tabanlı malzemelerde 134 K’de süperiletkenlik bulunmuştur. Aynı yıl yüksek basınç altında bu malzemenin 164 K de süperiletken faza geçmesinin keşfi ile bilinen en yüksek geçiş sıcaklığı böylece 164 K olmuş ve bu değer henüz geçilememiştir. Bu buluşlardan sonra süperiletken malzemeler iki temel gruba ayrılmış ve sadece saf metal ve metal alaşımları kapsayan birinci nesil malzemeler düşük sıcaklık süperiletkenler (LTS) veya 1. tip süperiletkenler ve 1986 yılından itibaren üretilen seramik (bakır oksit) süperiletkenlerde yüksek sıcaklık süperiletkenler (HTS) veya 2. tip süperiletkenler olarak adlandırılmışlardır.

2001 yılının başında ise bilim dünyası seramik süperiletkenlerden önemli sonuçlar beklerken bu kez metal alaşım MgB2 süperiletken sisteminin ~39 K’de süperiletken faza geçtiği bulunmuştur. Aslında 1950’li yıllardan beri iyi bilinen ve metaller için uygun bir katalizör olan MgB2 malzemesi çok sayıda metal alaşımlamada kullanılan bir malzeme olmasına rağmen 2001 yılına kadar bu özelliği bilinmemekteydi. 2000’li yılların başında bir diğer önemli buluş ise Ru tabanlı (RuGdSrCuO) manyetik süperiletken seramik sistemin ~55 K civarında süperiletken faza geçmesi olmuştur. Ancak çok kararlı özellikler göstermeyen bu malzemeye olan ilgi kısa sürede kayıp olmuştur. 2009 yılında ise FeAs-tabanlı (FBS, pnictides) süperiletkenlerde 56 K da süperiletkenliğe geçiş gözlenmiştir. Bu malzeme üzerinde yapılan çalışmalardan elde edilen ilk verilere göre HTS malzemelerin seramik karakterinin aksine bu malzeme daha ziyade metalik özellik göstermektedir.

Mekanik ve mikro-yapısal özellikleri de daha önceki HTS malzemelere göre farklılıklar göstermektedir. Süperiletken sistemler ile ilgili tarihsel gelişim Şekil 2 de grafiksel olarak verilmiştir. Genel olarak LTS ve HTS süperiletken malzemelerin teknolojik uygulamaları için homojen ve polikristal formda olmaları gerekir ve bunun için de tanecikler arası ve taneciklerin içerisindeki etkileşimleri ve özelliklerin kontrol edilebilmesi çok önemli bir yer tutmaktadır. Polikristal süperiletken malzemelerin temel özellikleri mikroyapısal değişimlerinden doğrudan etkilenmektedir. Öyle ki, tanecik sınırlarında meydana gelecek 3-5 derecelik eğilmeler veya hatalı yönlenmeler HTS süperiletkenlerin kritik akım yoğunlukları üzerinde negatif etki yapabilmektedir. Örneğin LTS malzemeler için tanecik sınırlarının çok fazla bir önemi yokken HTS malzemeler tanecik sınırlarında meydana gelecek hizalanma veya yanlış yönlenmelere karşı hassas davranmaktadır.


Şekil 2 – Süperiletken malzemelerin tarihsel gelişimi

Bütün bunlar göz önüne alındığında uzman kişi yetiştirmekten amaca uygun süperiletken malzeme hazırlama ve uygulamalarına kadar çok önemli basamaklardan geçilecek olması ortaya hatayı kabul etmeyen bir tablo çıkarmaktadır. Bunun için de malzemelerin fiziksel ve mühendislik özelliklerini çok iyi irdeleyebilen, konunun hakimi olan yüksek düzeyli araştırmacıların bir araya getirilmesi ile süperiletken malzemelerin geliştirilmesi ve teknolojik uygulamaların ortaya çıkarılmaları mümkün olabilecektir.