Bu yazımızda ilk olarak 1908 yılına doğru yolculuk etmek zorunda kalıyoruz. Çünkü 1908 yılında Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes çalışmalarını soğutma teknikleri ve malzemelerin bu koşullar altında nasıl davranacağı konusuna yoğunlaşırken, ilk kez helyum gazını sıvılaştırılmış helyuma nasıl dönüştüreceğini keşfetti.
Bu çok başarılı bir operasyondu, çünkü sıvı helyum mutlak sıcaklığın sadece 4 derece üstündedir (-2690C). Ardından Hollandalı fizikçi civayı bu sıcaklık değerine soğutmayı ve içinden elektrik geçirmeyi denedi. Bu durum onu şok içinde bırakırken, bizleri ise bambaşka bir dünyaya itmeye başladı. Onu şok içinde bırakan konu ise, geçirdiği elektrik enerjisine karşı civa üzerinde hiçbir enerji kaybının oluşmamasıydı. Bu çalışma ona 1913 yılında bir nobel ödülü kazandırdı, ve bu fenomeni süperiletken olarak adlandırdı.
Gelelim bu durumun oluşumuna ve iletkenliğin sıcaklıkla nasıl bir ilişkisi olduğuna, normal koşullar altında herhangi bir malzemeden elektrik geçirmek, o malzemenin ısıl enerjesini arttırmak demektir. Bu durum elektronların akışı esnasında olur, basitçe akış sırasında elektronların atomlara çarparak belirli bir miktarda enerjiyi sisteme vermesi ile açıklanabilir. Fakat, bu durum süperiletkenlik durumunda ki malzemelerde gözlemlenmez. Süperiletken malzemelerden elektrik geçirmeye çalıştığınızda, elektronlar nehirde bulunan bir kayık gibi hiçbir atoma çarpmadan ilerlemeye başlar. Sistemde bir kayıp olmamasından kaynaklı, döngü sonsuza kadar devam eder. Dahası, süperiletkenler etkileyici bir biçimde, dışarıdan kaynaklı her türlü manyetik alanı dışlayacaktır. Yani, bir süperiletkenin üzerine bir mıknatıs koyarsanız, mıknatıs havaya kalkacaktır. Bu , 1908 yılından bu güne kadar güzel bir araştırma konusu olmuş olup, her geçen gün üzerine yeni şeyler ekliyerek devam etmektedir. Gelelim bu durumu nasıl açıklayacağımıza, öncelikle manyetik alan konusunda bir takım keşifler gelmeye başladı. Tarihler 1933 yılını gösterdiğinde, Walther Meissner ve Robert Ochsenfeld, manyetik alanın içinde bir süperiletkeni soğutmaya başladıklarında akının kendiliğinden dışlandığını buldurlar, ve bu etkiye Meissener Etkisi adını verdiler. Bu etki kısaca şu şekilde özetlenebilir, süperiletkenlik durumundaki bir metal, içinde herhangi bir manyetik akı oluşmasına asla izin vermez. buna göre diyebiliriz ki; süperiletken bir metal içinde b = 0 ‘dır.
Süperiletkenler içerisinde neden herhangi bir direncin olmadığı konusunda ilk mikroskobik teoriyi bulmamız ise, Onnes’in keşfinde 46 yıl sonra, tarihler 1957 yılını gösterdiğinde John Barden, Leon Cooper ve John Robert Schreiffer isimlerinin baş harflerine hitaben BCS diye adlandırılacak olan teoriyi öne sürdüler.
Bu teori sol tarafta görünen büyük beyinlere 1972 yılında nobel fizik ödülü kazandırdı. Bu teori için en önemli şey direncin nasıl yok olduğunu anlatmaktı, onlar ise direncin neden olduğunu keşfedip, ondan sonra direncin yok olması ile ilgili görüşlerini sunacaktı.
Normal koşullar altında bakır bir telden akım geçirdiğimizi varsayalım. Bakır elementi son yörüngesinde 1 tane bağ yapan elektron barındırır, ve bu elektron serbest hareket etmeye son derece müsait bir konumdadır. Bakır telden elektrik akımı geçirmeye başladığımız andan itibaren, elektronlar potansiyelin az bulunduğu tarafa doğru geçmeye başlarlar. Böylece bağ yapan elektronundan kurtulan bakır, kısmi pozitif konuma geçerek, elektron tutma isteğini arttırır. Durum böyle olunca, elektronlar akış sırasında atomlara tâbiri caizse çarpmaya başlarlar, ve akım akmaya devam ettikçe elektronlar sürekli bir kaos içinde atomlara çarpar. Böylece, elektronlar atomlara belirli miktarda enerji aktarırlar. Bunun sonucunda ise titreşim gibi hareketler ile telin ısı enerjisi artmaya başlar. Bu sebepledir ki telin sıcaklığı arttıkça gösterdiği direnç de artar. Ayrıca, kafes sisteminde oluşan kusurlar ve bir kafes sisteminde bulunan atomların ortak titreşim hareketi yani fononda bu konuda etkilidir. Peki, süperiletkenlerde neden böyle bir durum söz konusu değildir? Bu durum için parçacık fiziğini ziyaret etmekte fayda var, maddenin parçacıklardan oluştuğunu biliyoruz ( Protonlar, nötronlar, elektronlar vs.). Bu parçacıkların her birinin, spin adı verilen momentuma ilişkin belirli özelliği vardır. Bu spin değerleri, bir fotonun taşıyabileceği enerji frekansıyla ilişkilendirilen, evrenin temel sabitlerinden biri olan Planck sabitinin katlarıdır. Spin değerleri, Planck sabitinin tam sayı katları veya yarım tam sayı katlarıdır. Yarım tam sayı spinli bir parçacığa Fermiyon denir. Tam sayı dönüşüne sahip bir parçacığa ise Bozon denir. Örnek verilmesi gerekirse, elektron +12 ve -12 spine sahip bir fermiyonken, foton -1 ve +1 spine sahip bir bozondur. Fermiyonlar ve bozonlar atom altı seviyede birbirinden farklı davranma eğilimindedir. Aynı bozonlar herhangi bir spin değerinde aynı enerji seviyesinde durabilirken, fermiyonlar iki veya özdeş bir biçimde aynı enerji seviyesini işgal edemez. Buna Pauli’nin Dışlama İlkesi denir. Bu nedenle, bir atomun herhangi bir yörüngesinde yanlızca iki elektrona sahip olabiliyorsunuz. Fakat bozonlar bu konuda özellikle sıcaklığın azaldığı sistemlerde bir araya gelme isteğinde bulunurlar. Bizlerde, sıcaklığı azalttığımız sistemlerde, elektronların bir şekilde yoğuştuğunu ve bir çift olarak, fononun frekansına uygun bir biçimde atomların arasından aktığını gözlemleriz. Oluşan bu elektron çiftlerine Cooper Çifti adı veririz. Malzemenin sıcaklığı yeterince düşükse, Cooper Çifti bir arada kalır, çünkü parçalanmak için yeterli enerjiyi bulamazlar. İki elektron bu şekilde bir araya geldiğinde, yarım spinleri birlikte bir tam spin oluşturacak şekilde bir araya gelerek bozon gibi davranırlar. Artık Pauli’nin Dışlama İlkesine tâbi değillerdir. Bu durumun getirisi ile beraber, aynı alanda bulunmak isteyen bozonlar yani Cooper Çiftleri tek bir büyük bozon gibi akmaya başlar. Bu duruma ise Bose-Einstein Yoğunlaşması adı verilir.
Özetle, Cooper Çiftlerinin işgal edebilecek daha düşük enerjili bir sisteminin olmamasından dolayı bu çiftler herhangi bir enerji kaybına uğramaz, bu nedenle dirençsiz bir biçimde çiftler akmaya başlar. Bu konu ile ilgili hocaların hocası Richard Feynman’ın yorumlarına yer vermek isterim. Feynman bu konuyu: Örgü içindeki titreşen atomların barındığı elektronların etkileşimleri nedeniyle elektronlar arasında net, etkin bir çekim vardır. Böylece, açık konuşmak gerekirse, elektronlar çiftler halindedir, şeklinde bir yorum getirmiştir. Ayrıca, elektronun bir Fermi parçacığı olduğunu biliyoruz. Fakat bir çift elektron bir Bose parçacığı gibi davranır, çünkü bir çift içindeki elektronların yerlerini değiştirirsek, dalga fonksiyonunun işaretinin iki kez değiştirmiş oluruz, ve bu durum hiçbir şeyin değişmediği anlamına gelir. Bir çift elektron bir Bose parçacığıdır. Çiftin enerjisi -yani net çekim- çok çok zayıfır. Sadece çok küçük bir sıcaklık elektronların termal olarak harekete geçmeleri için ve “normal” elektron gibi davranmaları için yeterlidir. Fakat sıcaklığı yeterince düşürdüğünüzde, en düşük enerjili durumlarına yerleşirler, ve çiftler halinde bulunurlar, diyerek konuyu kısa ve anlaşılır biçimde açıklar. Bu durum doğrudan ve dolaylı olarak kuantum bilgisayarları ile ilgilidir, bir başka yazı olacak olan kuantum bilgisayarları ve süperiletkenlik konularında görüşmek üzere.