Bulundukları 1911 yılından bu yana anlaşılamamış özellikleriyle bilim insanlarını büyüleyen malzemelerdir süperiletkenler. Bu malzemelere süperiletken adı verilmesinin nedeni, bulunduklarında bilinen tek özelliklerinin, elektrik dirençlerinin sıfır olmasıydı. Yani, süperiletken bir kablodan akım geçirdiğinizde hiç kayıp olmaksızın iletecekti. İleriki yıllarda yapılan deneyler sonucu başka bir takım “süper” özellikleri de bulundu.
Alçak sıcaklıklar fiziği, 1980 yılında, Hollandalı fizikçi Kammerlingh Onnes'in helyumu sıvılaştırmasıyla başladı. 1911'de Onnes ve yardımcısı civayı çok düşük sıcaklıklara kadar soğutup, fiziksel özelliklerini incelerken çok ilginç bir şey keşfettiler. Civa, belli bir kritik sıcaklık altında tüm direncini kaybediyordu. Daha sonra yapılan çalışmalarda, daha yüksek sıcaklıklarda çalışan süperiletkenler bulundukça, hayatımızda bazı işler giderek kolaylaşmaya başladı. Mayıs 2009'da bulunan bir seramik 254 K'de süperiletken özellik gösteriyor. Ancak, yeni bulunan süperiletkenlerin uygulamaları için çok erken. Yüksek sıcaklıklarda süperiletken özellik gösterseler de süperiletken faza geçiş için tek kritik değer sıcaklık değil. Aynı zamanda uygulanan dış manyetik alan ve akım yoğunluğu da belli kritik değerler altında olmalı. Bu yüzden süperiletkenlerin tamamen hayatımıza girmesi için biraz daha vakit geçecek.
Süperiletken Maglev Trenleri
Bir ulaşım aracının, hızlı olmasının yanında en önemli özelliği güvenli olmasıdır. Bilinen en güvenli ulaşım araçları, trenlerdir. Çünkü, sabit bir ray üzerinde ve karada giderler. Ancak, trenler de yeterli hızlara sahip değildir. Bunların nedenlerinden biri raylarla tekerlekler arasındaki sürtünme kuvveti çok fazladır. Ancak trenler biraz havada giderse neler olabilir?
İlk hız rekortmeni Maglev treni 1971'de Batı Almanya tarafından yapıldı. 90 km/s hızla gidebiliyordu. Ancak bu modelde sadece manyetik kuvvetlerin çekme ve itme kuvvetinden faydalanılıyordu. Treni hava tutmak için de aynı teknik kullanılıyordu. Ancak, 1933'teki süperiletkenlerin Meissner Etkisi keşfinden sonra Maglev trenler için yeni bir çağ başladı. İlk olarak Japonlar, bu teknolojiyi Maglev trenlere uyguladı. 2003 yılından bu yana 581 km/s ile hız rekoru Japonların elinde. Bu sistem nasıl çalışıyor? Aslında basit gibi görünse de altında yatan teknoloji çok uzun yılların araştırmaları sonucu.
Süperiletken Maglev trenleri havada tutmak için Meissner Etkisi denen bir özellikten faydalanılır. Raylardaki elektromıknatısların yarattığı manyetik alan trenin havada kalmasını sağlar. Tren 100 km/s hıza ulaşana kadar tekerlekleri üzerinde gider ve bu hızdan sonra havada gitmeye başlar. Aracın sürüşü raylardaki diğer elektromıknatıslarla sağlanır. Raylardaki ve trendeki elektromıknatıslar çekme ve itme kuvvetleriyle treni ileri doğru sürerler. Akım arttırıldığında itme ve çekme kuvvetleri de artacağından tren hızlandırılabilir. Treni kaldırmanın yanında elektromıknatısların da çok yüksek manyetik alan yaratması gerekmektedir. Bunun için de süperiletken kablolar kullanılırlar. Bir süperiletken kablodan geçirebileceğiniz akım çok yüksektir. Bilindiği gibi bir bobinle yaratacağınız akım sarım sayısına ve bobinden geçen akıma bağlıdır. Bir bobinden bakır kablolarla çok yüksek akımlar geçiremeyeceğiniz gibi geçirebileceğiniz en yüksek akımın %30 değerini kablodan geçirirsiniz. Bakırdan yüksek akım geçirmek için kalınlığı arttırmanız gerekir; bu durumda sayım sayısını arttıramazsınız. Bu trenler de güvenlik önemli olduğundan ısınma da bir sorundur. Bir süperiletken kablodan 1 milyon Amper'e kadar akım geçirebilirsiniz. Bazı kuantum mekaniksel nedenlerden dolayı süperiletken kablo hiç ısınmaz. Ayrıca Meissner Etkisi o kadar güçlü bir kuvvet uygular ki tren raydan hiç çıkmaz. Bu yüzden kara taşıtlarının(bazı kesimler Maglev trenlerinin hava aracı olduğunu düşünmektedir) en hızlısı ve en güvenlisi süperiletken Maglev trenleridir.
Süperiletken Bolometrik Sensörler
Çok uzaktaki bir yıldızın sıcaklığını nasıl ölçersiniz? Bunun için uzak kızılötesi ışımayı tespit eden bir sensöre gerek vardır. Bolometrik sensörler optik iletişim, termal kamera, biyomedikal uygulamalarda ve uzay araştırmalarında çok kullanım alanına sahiptir. Süperiletken bolometrik sensörler x-ışınlarından mm dalga boyuna kadar geniş bir spektrumu algılarlar. Süperiletken bolometrik sensörler, radyasyonun soğurulmasından oluşan ısınmanın direçteki değişiminin ölçülmesiyle ışımanın şiddetini ölçer.
Süperiletkenlerde sıcaklıktaki değişim dirençte çok büyük değişikliklere neden olabilir. Süperiletkene çok küçük bir akım verilir ve süperiletken, kritik sıcaklık değerine yakın tutulursa çok zayıf bir kızılötesi radyasyon süperiletkenin sıcaklığını değiştirecek ve dirençte büyük bir değişiklik olacaktır.
Süperiletken Kuantum Girişim Aygıtları
Hareket eden bir yük çevresinde bazı değişikliklere neden olabilir. Bu değişiklikleri açıklayabilirsek bu yükün de hareketini açıklayabiliriz. Yükün yaptığı değişikliklerin kapsadığı bölgeye manyetik alan diyoruz. Çok yavaş hereket eden yüklerin yarattığı manyetik alanları ölçerek yüklerin hareketlerini açıklayabiliriz. Bu işi yapmak için de çok hassas manyetik alan sensörleri gerekir. Bu sensörlerin adı Süperiletken Kuantum Girişim Aygıtları. Kısaca bu sensörlere SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) deniyor.
Bu sensörler bu kadar hassas nasıl ölçüm yapabilir? Yine süperiletkenlerin kritik faz geçişlerinden faydalanabiliriz.