Ethan’a sorun: LK-99 Süperiletkenliğin Kutsal Kasesi mi?
Son zamanlarda LK-99’un ilk oda sıcaklığı, ortam basıncı süper iletkeni olduğuna dair iddialar ortaya atıldı. Oyun değişti mi yoksa bu sadece bir aldatmaca mı?
Süperiletkenlik, doğru fiziksel koşullar altında bir malzemeden geçen akıma karşı sıfır direncin olduğu şaşırtıcı bir olgudur. Sıfır direnç ile ısı yoluyla enerji kaybı olmaz. Bu, süperiletkenliğin ortam koşullarında kolayca gerçekleştirilebilmesi halinde kayıpsız enerji aktarımı ve diğer teknolojik atılımların mümkün olduğu anlamına gelir. Süperiletkenlik biliminin kutsal kâsesi, ortam sıcaklığı ve standart basınç koşulları altında süperiletkenler bulmaktır; LK-99 ilk olacak mı?
Modern yaşamlarımız elektronik ve elektrik enerjisi teknolojilerinin egemenliği altındadır. Büyük miktarlarda sürekli güce olan küresel ihtiyacımız, üretimden iletime ve tüketime kadar enerjinin tüm yönlerinde verimliliği artırma ihtiyacının altını çizmektedir. Bu sürecin tüm aşamalarında enerji kaybı bir sorundur. Bunun nedeni, elektriksel direnç olgusu nedeniyle elektronları akım taşıyan bir telden geçirme eyleminin enerji kaybına yol açmasıdır. Akımın direnç olmadan akabildiği tek bir fiziksel durum vardır: bir malzeme süper iletken olduğunda. Günümüzde süper iletkenler, MRI makinelerinden parçacık hızlandırıcılara ve manyetik füzyon cihazlarına kadar çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır.
Ancak şu anda, süperiletkenlik sergileyen bilinen tek malzemeler, bunu aşırı koşullar altında, yani çok düşük sıcaklıklarda yapanlardır. Süperiletkenlik araştırmalarının “kutsal kâsesi”, normal sıcaklık ve basınç koşulları altında süperiletkenlik sergileyen bir malzeme bulmaktır. Eğer bu bulunabilir ve geniş çapta ticarileştirilebilirse, tüm enerji kaybı ve kaçak ısı sorunları çözülebilir. 2023 Temmuz ayının sonlarında, LK-99 olarak bilinen yeni bir malzemenin uzun süredir aranan oda sıcaklığında süper iletken olduğu iddia edildi. Peki bu doğru mu? Rob Chapman Smith ve Clint Sears da dahil olmak üzere pek çok kişi bana bu konuda yazdı:
‘Çünkü umut ve başarısızlık arasında bir hız trenindeyiz.
Doğru olması halinde dünyayı değiştirecek bir iddia ortaya atıldığında, yalnızca şu anda ne bildiğimizi değil, neyin doğru olup olmadığını tam olarak belirlemek için ne gerektiğini de anlamak zorunludur. Gelin bilim dünyasına dalalım ve öğrenelim.
Süper iletken nedir?
Herhangi bir malzeme, içinden elektrik akımı geçirmeye çalıştığınızda (yani içindeki elektronları hareket ettirmeye çalıştığınızda) bir miktar direnç gösterir. Bunun nedeni, elbette her malzemenin direnç olarak bilinen bir özelliğe sahip olmasıdır. Bir malzemenin özdirencinin uzunluğu ile çarpılıp kesit alanına bölünmesi, geleneksel olarak direnç olarak adlandırdığımız şeye eşittir. (Ohm Kanunu’nu öğrenmiş olanlar için V = IR, burada V voltaj, I akım ve R dirençtir). Kısa, kalın bir tel yaparsanız direnç düşer; uzun, ince bir tel yaparsanız direnç artar. Ancak çoğu durumda, direnç böyle bir malzemenin mutlak bir özelliği değildir, daha ziyade o malzemenin sıcaklığına bağlıdır. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, moleküller, atomlar ve hatta atomların içindeki temel parçacıklar o kadar hızlı hareket eder ve sıcaklık ne kadar yüksek olursa, direnç de o kadar yüksek olur. Ancak bunun tersi de doğrudur: sıcaklık ne kadar düşükse, direnç de o kadar düşük olur, çünkü içerideki parçacıklar daha yavaş hareket eder, parçacık başına daha az enerjiye sahiptir ve genellikle daha az etkileşime girer.
Sıfır direnç elde etmek için, malzemenin diğer özelliklerinden bağımsız olarak, fiziksel olarak ulaşılamaz bir durum olan mutlak sıfıra ve dolayısıyla sıfır dirence ulaşmak gerekir. Ancak bazı malzemeler soğutularak ulaşılabilecek kritik bir eşiğe sahiptir ve bu eşiğe ulaşıldığında direnç ve özdirenç bir anda sıfıra indirgenir. Bu tür malzemeler süper iletkenlerdir ve özdirenç ve direncin sıfır olduğu durum süper iletkenlik durumudur.
Süper iletkenleri fiziksel açıdan özel kılan nedir? Bir süper iletkene sahip olduğumuzda neler yapabileceğimiz ya da neler yaratabileceğimizle ilgili tavşan deliğinden aşağı inmek yerine – çünkü bu olasılıkların çoğu henüz keşfedilmemiştir – fizik perspektifinden bir malzemenin süper iletken olmasını sağlayan şeyin ne olduğunu anlamanıza yardımcı olmayı tercih ederim. Normal şartlar altında, bir iletkende bile, bir malzeme süperiletken durumda olamaz çünkü yükler onun içinde hareket eder.
Bunun neden böyle olması gerektiğini düşünelim. Eğer bir yük bile hareket ediyorsa, etrafında bir manyetik alan oluşur. Bu elektromanyetizmanın temel kurallarından biridir. Elektrik akımı bir manyetik alan yaratır ve bir iletkenin içindeki manyetik alan çok az bile değişse, bu değişen alan iletken içindeki herhangi bir hareketli yükün hareketini etkileyecektir.
Başka bir deyişle, “mükemmel iletkenlik” için genel olarak anlaşılmayan bir gereklilik vardır. Eğer sadece klasik (yani Maxwellian) elektromanyetizma olsaydı, mükemmel iletkenlik fiziksel olarak imkansız olurdu. Çünkü elektrik akımları, tanımı gereği, basitçe hareket eden elektrik yükleri tarafından üretilir. Bununla birlikte, bazı malzemeler Meissner etkisi adı verilen içsel bir kuantum etkisine sahiptir. Bu, bir iletkenin içindeki manyetik alanın, içinden geçen akıma göre sıfır olmasına neden olur. Manyetik alan bir kez dışarı sürüldüğünde, iletken sıfır elektrik direncine sahip bir süper iletken gibi davranmaya başlayabilir.
Süperiletkenlik ilk ne zaman biliniyordu?
İster inanın ister inanmayın, süper iletkenlik, onu açıklayabilecek bir kuantum teorisine sahip olmadan çok önce deneysel olarak keşfedildi. Keşfi, sıvı helyumun soğutucu olarak ilk kez yaygın bir şekilde kullanıldığı 1911 yılına kadar uzanıyor. Bilim insanı Heike Onnes, cıvayı katı bir faza soğutmak ve elektrik direnci özelliklerini incelemek için sıvı helyum kullanıyordu. Beklendiği gibi, tüm iletkenlerde direnç azalan sıcaklıkla birlikte kademeli olarak azalıyordu. Aniden, 4,2 K sıcaklıkta, katı cıvanın direnci tamamen kayboldu.
Daha yakından yapılan incelemeler, bu sıcaklık eşiğinin altında katı cıvanın içinde manyetik alan olmadığını ortaya çıkardı. Daha sonra, hepsi kendi sıcaklıklarında süper iletken olan çeşitli malzemelerin bu süper iletkenlik olgusunu sergilediği gösterildi:
Kurşun için 7 K,
Niyobyum için 10 K
Niyobyum nitrür için 16K,
Daha sonra, birçok element ve bileşik süper iletken haline geldi. Teorik gelişmeler de bunlara eşlik ederek fizikçilerin malzemelerin süper iletken hale gelmesini sağlayan kuantum mekanizmasını anlamalarına yardımcı oldu. Ancak, tüm süper iletkenlerin tam olarak aynı şekilde davranmadığı ortaya çıktı.
Bir malzemeyi yüksek sıcaklıklarda süper iletken yapan nedir?
Yaratıcı bir şekilde Tip I ve Tip II süper iletkenler olarak adlandırılan iki temel süper iletken türü vardır: Tip I süper iletkenlerde, süper iletken duruma geçiş anidir ve bir kerede gerçekleşir. İç manyetik alanın %100’ü serbest kalır ve malzemenin %100’ü sıfır elektrik direncine sahiptir. Bununla birlikte, Tip II süper iletkenlerde malzeme tekdüze değildir ve harici bir manyetik alan uygulandığında, özellikle yüksek alan güçlerinde malzeme içinde manyetik alan girdapları oluşur. Manyetik alan bireysel girdapların dış bölgelerine boşaltılır, ancak manyetik alan çizgileri her bir girdap içindeki malzeme içinde “sabitlenir”. Tip I süperiletkenlik genellikle sadece saf metaller tarafından sergilenirken (bilinen tek istisnalar tantal silisit ve bor katkılı silikon karbürdür), Tip II süperiletkenlik çok çeşitli alaşımlarda ortaya çıkabilir. Periyodik tablodaki çok sayıda element, bunların birleştirilebileceği veya bağlanabileceği akıl almaz sayıda yol ve doping malzemeleri için muazzam potansiyel, yani bazı elementlerin seçici olarak diğerleriyle değiştirilmesi göz önüne alındığında, bazı Tip II süper iletkenler Tip I süper üretme potansiyeline sahip olabilir Tip II süper iletkenler 1935’te deneysel olarak keşfedildi, ancak ilk (nispeten) yüksek sıcaklık süper iletkenleri 1980’lere kadar tanımlanmadı.
En uç süperiletkenler süperiletkenlik durumlarını korurken ne kadar yüksek sıcaklıklara ulaştılar?
Her şey basit bir malzemeyle başladı: bakır oksitler. 1980’lerin ortalarında, lantan ve baryum katkılı bakır oksitler üzerinde yapılan deneyler, 30 K’nin üzerindeki sıcaklıklarda süper iletkenlik göstererek uzun süredir devam eden sıcaklık rekorunu birkaç derece kırdı: itriyum baryum bakır oksitler.
İtriyum baryum kuprat, sıvı hidrojen veya sıvı helyum gerektiren 40 K’nin altındaki sıcaklıklar yerine 77 K’nin üzerindeki sıcaklıklarda (92 K’de süperiletkenlik) süperiletkenlik sergileyen ilk malzemeydi.
Bu keşif, süperiletkenlik araştırmalarında bir patlamaya yol açmış, çeşitli malzemeler tanıtılmış ve araştırılmış ve bu sistemlere aşırı sıcaklıkların yanı sıra aşırı basınçlar da eklenmiştir. Ancak 1990’ların ortalarında zirve yaptıktan sonra, 2015 yılına kadar yüksek sıcaklıkta süper iletkenler bulunamadı. Bir Alman araştırma ekibi, eski hidrojen sülfürün (H2S, bir su molekülü gibi, ancak oksijen yerine sülfür içeriyor) 150 GPa’nın üzerinde yüksek basınç altına yerleştirildiğinde 203 K’de süper iletken hale geldiğini duyurdu.
Oda sıcaklığında, oda basıncında süper iletkenlerin “Kutsal Kase “sini gerçekleştirmek için beklentiler nelerdir?
2015’teki atılımdan bu yana süperiletkenlik araştırmaları inişli çıkışlı bir seyir izledi. Lantan hidrürler ve süperhidrürler olarak bilinen bir malzeme sınıfının 250-260K gibi ultra yüksek basınçlarda süperiletkenlik sergilediği gösterilmiştir. Bu, süper iletkenliğin geleneksel bir dondurucuya atılarak veya kışın Alaska’ya götürülerek (yüksek basınç altında) gözlemlenebileceği anlamına gelir. Bu malzemelerle ilgili dikkat çekici olan şey, teorik çalışmaların onlara olan ilginin arkasındaki itici güç olması ve bu yeni süper iletken sıcaklık kayıtlarının bu teorik tahminlerin deneysel incelemelerinin bir sonucu olmasıdır. Malzemeyi oluşturan atomların bir kafes düzeninde nasıl bir araya getirildiği incelenerek ve ardından malzeme içindeki elektronik bant yapısının nasıl davrandığı hesaplanarak, malzemenin ilginç davranışlar sergileyebileceği öne sürülmüştür: “Evet, bu malzeme yüksek sıcaklıklarda tip II süper iletken gibi davranıyor.
Ancak her şey yolunda gitmiyor. Elektronik bant yapısı hesaplanıp tahmin edilebilirken, süper iletken hale gelip gelmediği ve hangi hassas sıcaklık koşulları altında olduğu ancak deneysel olarak ölçülebilir ve doğrulanabilir. Buna ek olarak, Rochester Üniversitesi’nde Ranga Diaz tarafından yapılan süperiletkenlik çalışması, son birkaç yıldır sahtekarlık, intihal, tekrar üretilemezlik ve aldatma kanıtları ortaya çıktıkça geri çekilen veya reddedilen bir dizi bitişik iddiaya konu olmuştur.
LK-99 nedir, neden ilginçtir, süperiletkenlik sergiler mi ve oda sıcaklığında ve ortam basıncında süperiletkenlik sergiler mi? 1990’larda Kore Üniversitesi’nden Profesör Tong-Sik Choi süperiletkenliği teorik bir perspektiften inceledi ve malzemelerdeki elektronik bant seviyelerini hesaplamak için yeni bir yaklaşım ortaya koydu. Profesör Choi’nin o zamanki öğrencileri Profesör Suk-Bae Lee ve Ji-Hoon Kim, kurşun apatit (kurşun, fosfor ve oksijen atomlarının bir karışımı) adı verilen bileşik bir malzemeye bakır katkılayarak (apatit yapısındaki kurşun iyonlarının bir kısmını bakırla değiştirerek) Profesör Choi’nin çalışmasını genişlettiler ve ilginç bir elektronik bant yapısına sahip bir malzeme elde edilebileceğini öne sürdüler.
Lee ve Kim sanayiye geçti; Lee Qcenter adlı bir şirket kurdu ve Kim Qcenter’da Lee’ye katılmadan önce bir pil malzemeleri şirketinde çalıştı. 2017’de Choi, öğrencilerin teorisinin öngördüğü yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin var olabileceğini bulmalarını umduğunu ifade ederek ayrıldı. Bakır katkılı kurşun apatite şimdi LK-99 diyorlar. Bunun bir süper iletken olduğunu ve ünlü kuantum kaldırma fenomenini sergilediğini iddia eden biri üç, diğeri altı yazarlı iki makale yayınladılar. Ve her zaman olduğu gibi, eğer doğruysa dünyayı gerçekten değiştirecek bir şey duyurulduğunda, bu teknolojinin gerçek ve bilimin sağlam olduğuna dair umudumuzu yansıtan büyük bir tantana ile karşılandı.
Malzemenin, bakır katkılı kurşun apatitin, yapımı nispeten kolay ve altta yatan teorik yaklaşımın yeni olması nedeniyle birçok ekip bu keşfi tekrarlamak için yarışıyor. Makalelerin yüklendiği ön baskı sunucusu arxiv’in açık kaynak niteliği, akran değerlendirmesini beklemeye gerek kalmadan her şeyin anında halka açık olduğu anlamına geliyor; LK-99 Wikipedia sayfası çoğaltma deneylerini takip ediyor (ve takip etmeye devam edecek) ve şimdiden çok ilginç sonuçlar birbiri ardına ortaya çıkıyor.
Teorik açıdan bakıldığında, öngörülen elektron bantları gerçekten de var olmalıdır. Ancak deneysel olarak, bu örneklerin yapılmasının süperiletkenlik sağlamadığı ve birçok çalışmanın Lee ve Kim’in gördüğünü iddia ettiği şeyi yeniden üretemediği görülmektedir.
Lee ve Kim’in çalışmasında bazı sorunlar da göze çarpmaktadır:
Örneklerine yalnızca çok küçük akımlar ve gerilimler uygulamışlardır,
Örneklerine yalnızca çok küçük akımlar ve gerilimler uyguladılar, iddia ettikleri sıfır direnç durumuna geçişi incelemek için çok az veriye sahipler,
Ve gözlemledikleri “manyetik kaldırma”, süper iletkenler ve Meissner etkisi ile ilişkili geleneksel akı sabitleme kaldırma yerine, sıkıcı eski antimanyetik itme ile (aşağıdaki videoda gösterilen süper iletken olmayan kurbağa gibi) çok daha tutarlıdır.
Olağanüstü iddialar olağanüstü kanıtlar gerektirir derler ve öyle görünüyor ki Lee ve Kim tarafından yapılan çalışma, teorik açıdan sağlam olsa da, gerçekten önemli olan tek açıdan, yani deneysel açıdan özensizdi. Şu ana kadar gördüğümüz kadarıyla, bu Ranga Diaz gibi bir sahtekarlık vakası değil, daha ziyade hüsnükuruntu ve yetersiz verilerin lehimize çalıştığı bir vaka gibi görünüyor. Bu malzemenin oda sıcaklığında süper iletken olduğuna dair kesinlikle hiçbir kanıt yok. Bu daha çok soğuk füzyon araştırmasına benziyor. Doğru olmayan varsayımlarda bulunursanız, fenomenin gerçekleşmesi gerekir, ancak yaptığınız “ilginç” tahminler aslında doğanın kanıtlamasını beklediğiniz şeylere karşılık gelmez.
Şu anda daha ileri tekrarlama deneyleri devam ediyor ve yakında LK-99’un süper iletkenlik sergileyip sergilemediğini ortaya çıkaracak:
Hiç süper iletkenlik yok,
Oda sıcaklığında süperiletkenlik
Gözlemlenen “havalanmanın” antimanyetizma, Meissner etkisi veya diğer manyetik olaylardan mı kaynaklandığı yoksa deneysel bir hata mı olduğu,
Ve bu fenomeni öngörmek için kullanılan (tartışmalı) süperiletkenlik teorisinin geçerli olup olmadığı ya da sadece deneyle çelişen yanlış bir tahmin olup olmadığı.
Bilimde, istediğiniz kadar teori ve hesaplama yapabilirsiniz, ancak sonuçta neyin doğru neyin yanlış olduğunu belirleyen deneydir. Ancak bu doğrulama elde edilene kadar, bu hayal gücümüzü yakalayan olağanüstü bir iddiadır ve sorumlu bir bilim insanının kabul etmesi gereken “olağanüstü kanıt” kriterlerini henüz karşılamamaktadır.
Derleyen: Deniz KAFKAS
Kaynak: Ethan’a sorun: LK-99 Süperiletkenliğin Kutsal Kasesi mi?
Alzheimer’a Karşı En Savunmasız Beyin Hücreleri İlk Kez ‘Kutsal Kase’de Tespit Edildi