06-08-2023
İsmet Berkan

Oda sıcaklığında süper iletkenlik için bir kez daha heyecanlandık ama…

Oda sıcaklığında süper iletkenlik için bir kez daha heyecanlandık ama…

Biz onlara sinir olsak da, maalesef hepimizi sınırlayan bazı fizik kanunları var. Bu kanunlardan biri, gündelik hayatımızın ayrılmaz bir parçası olan, bize modern hayatı veren elektrikle ilgili. Elektrik, onu ileten iletken malzemelerin içinden geçerken dirençle karşılaşır.

Bu direnç, elektriğin kaynağından tüketildiği noktaya, mesela evinizdeki ampule gelene kadar ciddi bir kayba uğramasına neden olur. Hepimiz lise fizik derslerinde ‘Ohm Kanunu’nu okuduk, burada teknik ayrıntısına girmeyeceğim ama dediğim gibi direnç hayatın sevimsiz gerçeklerinden biri.

Peki dirençten kurtulmak mümkün mü? Evet, mümkün. Teoride ‘süper iletkenlik’ diye bir hal var; bu hal 70’li yıllarda başarıldı.

Yalnız bir sorun vardı: Süper iletkenliği başarmak için çok özel şartlar gerekiyordu: Çok düşük sıcaklıklar, çok yüksek basınç… Bu da tabii süper iletkenliğin hem yaygın kullanımına ciddi bir kısıt getiriyor hem de bu özelliği çok pahalı yapıyordu.

O yüzden süper iletkenlik özelliğini son derece sınırlı alanlarda kullanabiliyoruz. Örneğin süper iletkenler sayesinde süper mıknatıslar yapabiliyoruz. Bu mıknatıslar sayesinde artık devasa manyetik alanlar yaratmak. Bu manyetik alanların bize en büyük faydası ise tıbbi görüntülemede kullanılan MRI cihazları. (Bu cihazın adı, Türkiye’de yaygın kullanıldığı gibi EmAr -MR- değil, kısaltma Magnetic Ressonance Imaging, yani manyetik titreşim görüntülemesi anlamına geliyor.)

Oradaki süper mıknatıs yüzünden MRI’ınız çekileceği zaman üzerinizdeki metalleri çıkarmanız isteniyor. Bir MRI cihazında bu süper iletkenliği ve süper mıknatısı, ortamı sıvı helyumla çok soğutarak elde ediyoruz. Helyum evrende en çok bulunan atomlardan biri olmasına rağmen dünyamızda büyük zorlukla elde edilen ve sahiden çok ama çok pahalı bir şey. Çünkü sıvı helyum kolayca gaza dönüşüyor ve sonra da uçup gidiyor, tekrar yakalayabilirsen yakala.

Peki ama süperiletkenliği oda sıcaklığında ve normal basınçta elde edemez miyiz?

Son 40 yıldır dünyanın dört bir yanında fizikçilerin cevabını aradığı soru bu. Hayır, henüz insanlık bunu başaramadı.

Öyle ya, bunu başarsak inanılmaz faydalar elde edebileceğiz. Bir kere kullanabileceğimiz elektrik miktarı birden on kata yakın artacak, çünkü o elektriği yolda kaybetmeyeceğiz. Süper mıknatıslar sayesinde Japonların ve Almanların ‘Bullet Train’i hepimizin şehir içi dahil standart taşıma aracına dönüşebilecek vs vs. Saymakla bitmeyecek ve muhtemelen yeni icatların ekleneceği çok sayıda fayda…

İnsanlık 40 yıldır oda sıcaklığında süper iletkenliği aradığı için ve bu konu aşırı popüler bir konu olduğu için, hepimiz sık sık ‘Oda sıcaklığında süper iletkenlik bulundu’ haberlerine maruz kalıyoruz.

Örneğin en son Mart ayında, dünyaca ünlü Nature dergisinin bile ‘Ümitler yükseldi’ başlığıyla verdiği bir süper iletken bulundu haberi vardı, ben de burada yazmıştım. Sonra ses kesildi.

Derken geçen hafta, bu kez iki Güney Koreli bilimcinin LK-99 adını verdikleri yeni bir materyal yarattıkları ve bu materyalin oda sıcaklığında, ayrıca normal basınç altında süper iletkenliği sağladığı haberleri ortayı kapladı.

Peki bulundu mu süper iletkenlik. Biraz tartışmalı. Ama gelin o tartışmayı alttaki yazıda aktarayım.

3. nesil kahve dükkanında buzlu kahve yapan bir fizik mezunu dünyayı karıştırdı

3. nesil kahve dükkanında buzlu kahve yapan bir fizik mezunu dünyayı karıştırdı

Ben ağzımın payını fazlasıyla aldığım için çok uzun zamandır Twitter’da (Artık X mi demek lazım acaba?) yokum; sadece haber takibi için bir gizli hesabım var ama epeydir ona da neredeyse hiç bakmıyorum.

Fakat Alex Kaplan’ın Twitter’da yayınladığı bir dizi mesajdan kaçmaya imkan yoktu; ben bile yakalandım, eminim siz de bu Tweetleri gördünüz.

Bilimle olan ilgim de bilindiği için dört bir yandan Princeton Üniversitesinde fizik okumuş ama bugün bir 3. nesil kahve dükkanında kahve yapan Alex Kaplan’ın mesajları bana da gönderildi, hep de ‘Ne diyorsun?’ sorusuyla beraber.

Alex Kaplan, diyorum ya aslında kendi halinde bir genç. Twitter’de 40 binden biraz fazla takipçisi var. 26 Temmuzda ‘Hayatımın en önemli fizik keşfini görmüş olabilirim’ diyerek Güney Kore merkezli küçük bir start-up şirketinde araştırmacı olarak çalışan iki Koreli’nin hakemli bir bilim dergisine göndermek üzere yazdığı ama bu arada henüz hakem denetiminden geçmemiş makalelerin yayınlandığı Arxiv adlı siteye de yüklediği bir makalesini paylaşmaya başladı. Tabii araya süper iletkenliğin müthiş faydalarını da sıkıştırdı.

Alex Kaplan’ın bu Tweet serisi, 30 milyondan fazla kez görüntülendi, 130 binden fazla beğeni aldı, 24 bine yakın kez Re-Tweet edildi. Nitekim bu yaygın gösterim ve paylaşım etkileşimleri yüzünden ben bile gördüm bu Tweetleri. (Dikkatime farklı insanlar tarafından 5 kez getirildi.)

Alex Kaplan, konuyu güzel özetlemiş bile olsa en fazla eğitimli bir amatör. Oysa iki Koreli araştırmacının makalesinin daha profesyonel kişilerce, bilim insanlarınca laboratuvarda kontrol edilip doğrulanması lazım.

Nitekim korelilerin yayınladığı iki ayrı makalede (Biri burada, diğeri burada.) LK-99 adı verilen yeni materyalin nasıl üretildiği de kaçınılmaz biçimde anlatıldığı için, bu maddeyi laboratuvarda üretmeye ve süper iletkenliğini denemeye kalkanlar hemen sökün etti. 

Ama o arada bir başka fizikçi, California’daki ünlü Lawrence Berkeley Lab’den Sinead Griffin’in bu konuyla ilgili makalesini Twitter’da Başkan Obama’nın meşhur mikrofon bırakma sahnesinin bir GIF’iyle paylaşması, ortalığı yeniden karıştırdı. Pek çok kişiye göre Griffin’in makalesi, Korelilerin LK-99 adlı materyalinin süper iletken olduğunu kanıtlıyordu.

Oysa hayır, Griffin’in makalesi tamamen teori düzeyindeydi; oysa artık laboratuvarlardaki malzeme bilimcilerin işiydi Korelilerin iddiasını doğrulamak veya yanlışlamak.

Nitekim ilk denemeler Çin’den ve Amerika’dan geldi. Henüz kimse süper iletkenliği kanıtlamış değil.

Geriye bir tek, iki Koreli araştırmacının makalelerine ekledikleri minik bir video kaldı. Videoda LK-99 olduğu söylenen bir malzeme, bir mıknatısın üzerinde havada duruyordu.

(Bu konuda The New York Times’ın haberi çok eğlenceli yazılmış. Nature dergisi ise her zamanki ciddiyetiyle konuya eğilmiş.)

Havada uçarak giden trenler…

Havada uçarak giden trenler…

Mıknatısta biliyorsunuz ters kutuplar birbirini çekerken aynı kutup iter.

Bu özellik, yani aynı kutbun birbirini itmesi bizim ayağımızın yerden kesilmesine, havada durmamıza yardımcı olabilir mi?

Elbette. Bu tamamen sizin ağırlığınıza ve sizi havaya yükseltmesini istediğiniz mıknatısın gücüne bağlı bir şey.

Peki aynı özellik, yüzlerce, belki binlerce ton ağırlığındaki bir treni havaya kaldırabilir mi? Evet, bu tamamen kullanacağınız mıknatısın gücüne bağlı bir şey.

Yerden havalanan tren ileri doğru gidebilir mi? Evet, bir dizi farklı mıknatısla trenin ileri veya geriye doğru gitmesi de sağlanabilir.

Bu yapılıyor mu dünyada? Evet, bu teknoloji mevcut ve siz şu an bu yazıyı okurken bile binlerce kişi havada süzülen ve müthiş bir hızla hareket eden bu trenlerde yolculuk halinde.

Bu trene ben de bindim, Japonya’da Tokyo’dan Kyoto’ya gittim. ‘MagLev’ (Magnetic Levitation) adı verilen bu trenler yapması da, işletmesi de, binmesi de çok pahalı araçlar. Ama varlar. Japonya’da var; Çin’de var. Başka ülkeler de yapmak istiyor.

Koca treni havaya kaldıran, sonra da ileri doğru götüren mıknatıslar süper iletkenlik sayesinde elde ediliyor. Oda sıcaklığında süper iletkenliğimiz hala olmadığı için eksi 270 dereceye kadar soğutulmuş alanlarda duruyor bu mıknatıslar.

Oda sıcaklığında süper iletkenlik sağlansa, bu trenlerin yapım ve işletme maliyeti birden bire çok düşecek.

Ortam çok soğuduğunda neler oluyor?

Ortam çok soğuduğunda neler oluyor?

Zamanında İngiltere’de Lord Kelvin ölçmüş; doğada olabilecek en düşük ısı eksi 273,15 derece Celcius. Buna ‘Mutlak sıfır’ adı veriliyor ve 0 K (Sıfır Kelvin) olarak biliniyor.

Maddenin veya atomun hallerini hepimiz biliyoruz: Katı-Sıvı-Gaz ve Plazma.

Bu sıralama atomun soğukluğundan sıcaklığına doğru yapılmıştır. Ortama ısı enerjisi verdiğinizde, atomlar hızlanırlar ve aralarındaki mesafe açılır. Katı halde önce sıvı hale, ondan gaz haline, ondan da bazı durumlarda plazma haline geçerler.

Tam tersi olduğunda, yani ortam soğumaya başladığında gazlar sıvıya, sıvılar katıya doğru dönüşür. Burada da ortam soğudukça (ısı enerjisi azaldıkça) atomların hareketleri yavaşlama başlar, atomlar birbirlerine yaklaşırlar. Termodinamik kanunlarıyla söyleyecek olursak ortamdaki entropi azalır. Sizin buzdolabınızın içinde de bu olur.

Peki mutlak sıfıra yaklaşıldığında ne olur?

Bu kural işler. Ortam soğuduğu için atomun içindeki elektronların hareketleri yavaşlar, hatta durma noktasına kadar gelir. Nitekim süper iletkenliği sağlayan da budur zaten, atomlar arası elektron transferi çok daha az dirençle karşılaşarak gerçekleşir, yani elektrik akımı akar gider.

Mutlak sıfıra ulaştığınızda teorik olarak atomun içindeki bütün hareketlerin durması gerekir. Hareket durunca, ‘zaman’ da durur.

Dünyadaki bazı laboratuvarlarda birkaç kez mutlak sıfırın altındaki sıcaklıklara kadar inildi. Bazı spekülatif gözlemler yapıldı. Ama tabii orada uzun süre durmak mümkün olmadı.

Basit ve temel fizik kanunlarını bilmek hepimize faydalı

Basit ve temel fizik kanunlarını bilmek hepimize faydalı

Ortam sıcaklığı arttığında atomların ve moleküllerin birbirinden uzaklaştığını bilmek, çok temel bir fizik bilgisi.

Nobel ödüllü fizikçi Richard Feynmann’ın sık sık verdiği bir örnek var: Buzda ayağımız neden kayar? Çünkü ayağımızla yaptığımız baskı bu tabakasının üzerine ısı enerjisi olarak yansır, tabakanın minik bir bölümü erir ve suya dönüşür, ayağımız da ondan kayar.

Uçaklar neden türbülansa girer? Isınan hava yükselir, bu yükselen hava bazen havada bir yerde hapis kalır. Oraya giren uçak, o havanın kaldırma gücünün az olması (çünkü sıcak, yani moleküller birbirinden uzaklaştı) nedeniyle irtifa kaybeder, havada tutunmakta zorlanır.

Isı, her zaman sıcaktan soğuğa doğru akma eğilimindedir. Isı transferi de denen bu akış hep bir ‘denge sıcaklığı’ bulma eğilimindedir, yani ortam sıcaklığını eşitleme yönündedir. Yazın evleri serin tutmak, kışın ise sıcak tutmak bu sebeple zordur.

Deniz suyu sıcaklığı 20-22 dereceyken bu suyun içinde 30 dakika yüzdüğünüzde yakacağınız kalori miktarı, aynı sürede karada yapacağınız bir yürüyüştekinin iki katına yakın olacaktır; çünkü vücudunuz yüzme için harcadığınız enerjiye ek olarak bir yandan da kendi 36,6 derecelik sıcaklığını korumaya çalışırken enerji harcayacaktır.