Bazı malzemelerin dirençsiz bir şekilde elektriği nasıl iletebildiğinin sırrını çözmeye yardımcı olan ve hafızayla beynin nasıl çalıştığını anlamada öncü çalışmalara imza atan Nobel ödüllü fizikçi Leon N. Cooper çarşamba günü Rhode Island’da Providence’daki evinde, 94 yaşında ölü. Ölüm haberini kızı Coralie Cooper teyit etti.
Uzun yıllar çalıştığı Brown Üniversitesi’nden profesör olarak emekli olan Cooper 1972’de iki meslektaşıyla Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü. Daha sonra The Providence Journal’ın pazarları çıkan Rhode Islander dergisi onu yılın insanı seçti. Popüler Amerikan sitcom’u “The Big Bang Theory”de Jim Parsons’ın canlandırdığı Sheldon Cooper karakterinin soyadının Leon Cooper’dan geldiği de söyleniyor.
Ama Dr. Cooper’ın dünya üstünde bıraktığı belki de en büyük iz süperiletkenlik alanında yaptığı çalışmalardı. Süperiletkenler manyetik rezonans görüntüleme (MR) cihazlarında ve evrenin kökenini araştırmak için parçacıkların bir araya getirildiği dev hızlandırıcılarda kullanılan güçlü mıknatıslarda kullanılıyor.
Einstein’in bile açıklayamadığı bir özellik
Süperiletkenliği keşfeden Cooper değildi, Cooper’dan çok önce 1911’de Hollandalı fizikçi ve aynı zamanda Nobel ödülü sahibi Heike Kamerlingh Onnes, cıvayı eksi 268 derece, yani neredeyse mutlak sıfırın beş derece üstünde soğuttuğu sırada kazara keşfetti. Fizikçiler bu durum karşısında epey şaşkınlık geçirdi. Sanki sürekli hareket eden bir makine keşfedilmişti. Ama gerçekten de süper iletken bir malzemeden geçen akım teorik olarak hiç dağılmayacağı için bu benzetmelerinde haksız da değildiler.
Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli ve Richard Feynman gibi 20’nci yüzyılın en büyük fizikçilerinden bazıları süperiletkenliğin nasıl çalıştığını açıklamaya çalışsa da başarılı olamadı. Düğümü çözmek Cooper ve Illinois Üniversitesi’ndeki iki meslektaşına nasip oldu. Meslektaşları fizik profesörü John Bardeen ve yüksek lisans öğrencisi J. Robert Scrieffer’di. Buldukları teori de zaten isimlerinin baş harflerinden oluşacaktı: B.C.S.
Bardeen bu buluştan önce de fizik dünyasında efsane bir isimdi. Bell Laboratuvarı’nda çalıştığı sıralar, 1947’de, bilgisayar ve elektronik çağını başlatan yarı iletken transistörün icadına yardımcı olmuştu. Bu buluş sayesinde 1956’da bir Nobel kazanmıştı. Şimdiye kadar iki kez Nobel alan tek bilim insanı da Bardeen.
Kimsenin çözemediğini bilmese hiç bu yola girmezmiş
Bardeen Illinois’deyken kendini süper iletkenliği çözmeye verdi. Bunun için de öğrencisi Schrieffer’i bulmacanın parçaları üstünde çalışmaya teşvik etti. Kısa süre sonra işin içinden tek başlarına çıkamayacaklarını anlayınca Bardeen, Cooper’ı aramaya karar verdi. Yıllar sonra bu konu hakkında konuşan Cooper, süperiletkenliği ilk kez o zaman Bardeen’den duyduğunu ve eğer diğer meslektaşlarının bunda başarısız olduğunu önceden bilseydi muhtemelen Bardeen’in teklifini kabul etmeyeceğini söyledi. Ama işte başarılı olmuşlardı.
2011 yılında World Scientific Publishing’in yayınladığı “BCS: 50 Yıl” adlı kitabın editörlerinden olan Cooper kitabın bir bölümünde süperiletkenliğin atomların çekirdeklerinde dolaşan ve elektrik akımının kaynağı olan negatif yüklü elektronların kendileri arasındaki etkileşimden kaynaklandığının açık olduğunu söylüyor.
Elektronlar süperiletken durumda akımı artırmak için bir şekilde birbirlerini çekiyor olmalıydı. Ancak elektronlar birbirlerini ittiklerine göre bu nasıl mümkün olabilirdi ki? Ayrıca süperiletkenlik neden sadece düşük sıcaklıklarda ve sadece bazı metallerde ortaya çıkıyordu? Yanlış başlangıçlar ve çıkmazlarla dolu bir yılın sonunda Cooper sorularına yanıt buldu.
Cooper çifti
Süperiletkenlik belli metallerde düşük sıcaklıklarda meydana gelen bir olgu olarak ortaya çıkıyordu. Süperiletken metallerin atomlarının kristal yapısında pozitif iyonlar elektronları kendilerine çekiyor ve böylece yapının bir tarafında hafif bir pozitif yük dengesizliği oluşuyordu. Bu dengesizlik, metalden akan diğer elektronları yapıya çekiyor ve her elektron, kristaldeki bir elektronla çiftleşerek bağ oluşturuyordu.
Cooper çiftleri olarak da adlandırılan bu elektron çiftleri, aynı alanı kaplayarak elektrik direnci olmadan akım geçişi sağlıyor ve ortaya süperiletkenlik çıkıyordu. Ancak Cooper çiftleri arasındaki bağlar oldukça zayıf olduğu için sıcaklık arttığında elektronların kinetik enerjisi de artıyor, bu yüzden aradaki bağlar kopuyordu. Bu yüzden süperiletkenliğin sadece düşük sıcaklıklarda ve uygun kristal yapısına sahip metallerde gerçekleştiğini söylemek gerekiyor. Cooper ilk teorisini 1956 yılında Physical Review dergisinde yayınladı. Sonrasında Schrieffer, 1957 başlarında onun teorisinin matematiksel formülünü geliştirdi.
Şans bu ya, iki fizikçi kısa süre sonra havaalanında karşılaşıp notlarını birbiriyle karşılaştırdılar. Fark ettiler ki çoktan kritik atılımı yapmışlardı! Cooper 2010 yılında World Scientific Review’de yayınlanan makalesinde şöyle yazacaktı: “O soğuk kış akşamında havaalanındaki diğerlerinin ne düşünüyor olabileceğinden habersiz, heyecandan yerimizde duramıyorduk.”
Ayrıntılar üstünde aylar süren kafa yormaların ardından Bardeen, Cooper ve Scrieffer, makalelerini 1957’nin temmuz ayında Physical Review dergisine gönderdi. Makale aralık ayında “Süperiletkenlik teorisi” başlığıyla yayınlandı. Daha sonra yapılan deneyler BCS teorisi doğruladı.
Biraz da özel yaşam
Cooper 28 Şubat 1930’da Bronx’ta Irving ve Anna Kupçik’in çocuğu olarak dünyaya geldi. Irving Kupçik, o zamanlar Rus İmparatorluğu’nun bir parçası olan Belarus’tan geliyordu ve Bolşeviklere muhalefet eden Menşeviklerdendi. Bolşevikler 1917 devriminde zaferi göğüsleyince Kupçik’e kapı görünmüştü. ABD’ye yerleştikten sonra bir matbaada dizgici olarak çalışan Irving’in eşi Anna Polonyalıydı.
Anna, Cooper daha yedi yaşındayken öldü. Hem o hem de kız kardeşi Lorraine daha sonra birkaç yıl koruyucu ailenin yanında geçirdi. Babası daha sonra evlendi ama evlenmeden önce aile adını Cooper olarak değiştirdi. Cooper’ın bilime düşkünlüğü erken yaşlarda başladı. Öyle ki 12 yaşındayken Güney Bronx’taki dairelerinde kimyasalları karıştırayım derken ufak bir patlamaya bile neden oldu. Neyse ki kimse yaralanmamıştı.
Eğitim yıllarını önce Bronx Fen Lisesi’nde, sonra da Columbia Üniversitesi’nde geçirecekti. Fizik alanında 1951’de lisans, 1954’te de doktorasını alacaktı.
