COOPER, Leon N. (1930)
ABDTi fizikçi. Ustüniletkenliğin açıklanmasına yaptığı kuramsal katkıyla 1972’de Nobel Fizik Ödülü’nü almıştır.
28 Şubat 1930’da New York’ta doğdu. Columbia Üniversitesi’nden 1951’de lisans, İ953’te yüksek lisans ve 1954’te de doktora derecelerini aldı. 1954-1955 arasında Princeton Üniversitesi’ndeki Institute of Advanced Studies’de araştırma yaptı. 1955-1957 arasında Illinois Universitesi’nde araştırma görevlisi olarak bulundu. 1958’de Ohio Eyalet Üniversitesi’nde öğretim görevliliği yapmaya başladı. 1962’de Brown Üniversitesi’ne geçti. Halen görev yapmakta olduğu Bu kurumda, 1966’da “Henry L. Goddard Üniversite Profesörlüğü”ne, 1974’te de “Thomas J. Watson Profesörlüğü”ne atandı. 1968’de ABD Ulusal Bilimler Akademisi’nin Ödülü’nü, 1972’de de Bardeen ve Schrieffer ile birlikte Nobel Fizik Ödülü’nü aldı.
Cooper’m en önemli çalışması üstüniletkenlik alanına kuramsal katkısıdır. Üstüniletkenlik, elektrik akımı geçiren iletken maddelerin bazılarında direncin çok düşük sıcaklıklarda (mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda) yaklaşık 1014 mertebesinde azalmasına denir. Cooper, elektriklerin bu durumdaki davranışlarına ilişkin olarak geliştirdiği kendi adıyla anılan “Cooper çift’leri kavramıyla, Bardeen ve Scrieffer’in bu alandaki çalışmalarına ışık tuttu. Bu üç kuramcının adlarının baş harflerinden oluşturulan “BCS” kuramı da üstüniletkenliğin başarıyla açıklanmasını sağladı.
Üstüniletkeniiğin anlaşılabilmesi, iletken kristallerde elektrik akımının nasıl oluştuğunun başarılı bir biçimde açıklanmasına bağlıdır. Bir elektriksel potansiyel farkı (gerilim) uygulandığında, içindeki yüklerin kolaylıkla harekete geçerek elektrik akımı oluşturduğu maddelerin (genellikle metaller), “iletkenlik” özelliği atomlarının yapısından ileri gelir. Atomlarda, içiçe aralıklarla yerleştirilmiş kabuklar şeklindeki bölgelerde bulundukları düşünülebilen elektronlar, her kabukta en çok belli birer sayıda bulunabilir. Sayı sığasım tamamlayan kabuğa, kapalı kabuk denilir. Kapalı kabuklara Pauli “dışarma ilkesi” yüzünden elektron eklemek olanaksız, kabuktan elektron çıkartmak ise güçtür. Kabuk kapalı olmasa bile çekirdeğe yaklaşıldıkça bu güçlük artar. En dış kabuğun kapalı ya da açık oluşu ile elektronlarının sayısı, atomun kimyasal özelliklerini ve elektriksel davranışını belirler. Eğer bu kabukta alabileceğinin yarısından az elektron bulunuyorsa bu “değerlilik” (valency) elektronlarını koparmak çok kolaydır. Böyle atomlar, metal kristali içinde yan yana dizildiklerinde her atoma ait değerlilik elektronları komşu atomların çekirdeklerine de “kendi” çekirdeklerine olduğu kadar yakındır. Dolayısıyla elektronlar Heisenberg “belirsizlik ilkesi” nedeniyle hangi atoma bağlı olduklarını “şaşırırlar”. Böylece tüm değerlilik elektronları kristal içinde serbestçe dolaşır. Serbest dolaşma sırasında elektronların hızlarının değerleri ve yönleri gelişigüzel dağılmış olduğundan, bu hareket net bir elektrik akımı doğurmaz. Eğer bu kristalin iki yanma bir elektriksel potansiyel farkı uygulanırsa, bundan kaynaklanan kuvvetin etkisiyle serbest elektronların tümü aynı yönde yeni bir hız kazanmaya başlar. Buna “sürüklenme hızı” denir. Sürüklenme hızıyla, potansiyel farkı uygulamasından önceki “doğal” hareketleri değişen elektronlar, kristal içinde yerleşmiş bulunan atomlarla çarpışmaya başlar. Bu çarpışmalardaki etkenlerden en önemlisi, atomların, kristalin sıcaklığını yaratan titreşimleri yüzünden yerleşme noktalarından uzaklaşarak elektronların hareketlerine engel oluşturmalarıdır. İletkenlerde direncin nedeni elektronların bu çarpışmalarda enerji yitirmesidir. Sıcaklığın artması,titreşen atomların yerlerinden uzaklaşmalarını (genlik) artırdığından, çarpışma sayısı ve dolayısıyla da direnç artar. Öte yandan, sıcaklık azaltılıp “mutlak sıfıri’a yaklaşılırken, hemen her iletkenin direnci sonlu bir en küçük değere yaklaşır. Bu olgu üzerinde araştırma yapan Kamerlingh Onnes 1911 ’de cıvanın elektriksel direncinin çok düşük sıcaklıklarda birdenbire ortadan kalktığını gözledi. Sonraları üstüniletkenlik adıverilenve başka birçok maddede görülen bu olgunun temel nedeni, 1956-1957 yıllarında Cooper’ m elektron çiftleri kavramını ileri sürmesi ve bu kavramın ışığında Bardeen ve Schrieffer’in de katkılarıyla BCS kuramının geliştirilmesiyle anlaşıldı.
Elektronların, enerji ve momentum gibi hareketlerine bağlı fiziksel özelliklerinden bağımsız olarak elektrik yükleri ve kütleleri gibi bir de “iç açısal momentum”ları vardır. “Spin” adıyla anılan ve vektör karakteri gösteren bu büyüklük, kuvantum mekaniği ilkeleri çerçevesinde elektron için ancak iki zıt yönde bulunabilir. Spinle elektriksel yükü bir arada bulunduran elektron bilinen en küçük bir mıknatıs olarak davranır. Bir manyetik alan uygulandığında, spin yönelişinin manyetik alan yönüyle aynı ya da zıt olmasına göre, elektronun enerjisinde küçük bir değişme görülür. Tüm özellikleri aynı fakat spin yönelişleri zıt olan ikişer elektrondan fazlası, dışarma ilkesinin gerektirdiği gibi birlikte bulunamaz. Dolayısıyla kristal içindeki serbest elektronlar ancak çiftler halinde aynı enerji ve momentuma sahip olabilir. Atomlarda Cooper çiftleri olarak bilinen bu tür çiftler, zayıf bir bağla bağlanarak sistemin toplam enerjisini biraz azaltır. Bu azaltma, kristaldeki atomların sıcaklıkla ilgili titreşim enerjilerinden çok daha az olduğundan, serbest elektronların böyle çiftler oluşturacak şekilde “bağlanması” ancak çok düşük sıcaklıklarda olanaklıdır. İşte Cooper’ın 1956 yılında düşündüğü bu olgu, 1957’de üstüniletkenliğin açıklanabilmesini sağlamıştır. Cooper elektron çiftlerinin, birer “bozon” oluşturduklarından, tek başına “fermi-yon” olan elektronun aksine dışarma ilkesine uymak zorunlulukları yoktur. Ayrıca bozonlarm temel bir özelliği her türlü fiziksel büyüklükleri aynı olan bozonların bir araya yığılması olduğundan, bütün Cooper çiftleri hep birlikte aynı biçimde davranmaya başlar. Kristal ortamdaki titreşim enerjisi, üstüniletkenliğin gözlendiği sıcaklıkta kuvantum mekaniğinin gerektirdiği şekilde çiftlerin alıp veremeyeceği büyüklükte olduğundan, Cooper çiftleri atomlarla çarpışa-maz (ya da çarpışsalar bile bu enerji ve momentumla-rım değiştiremez), dolayısıyla kristaldeki direnç ortadan kalkar.
Sıcaklık azalırken üstüniletkenliğin oluştuğu, ya da yükselirken yokolduğu sıcaklığa “kritik sıcaklık” denilir. Üstüniletkenlik ayrıca manyetik alan etkisiyle de bozulur; manyetik alanın bu değerine, “kritik alan” denir. Alan uygulandığında, çiftteki elektronlardan birisi alanla aynı, diğeri ise zıt yönlü olacağından bir enerji farkı oluşur. Kritik alan değerinde bu fark, çifti bozacak düzeye çıkmış olmaktadır. Üstüni-letkenden geçen akım da her elektrik akımı gibi manyetik alan doğurur. Dolayısıyla şiddetli bir akımın yaratacağı manyetik alan da üstüniletkenliği bozabilir. Cooper çiftlerinin oluşmasında kristali oluşturan atomların doğal titreşim frekansları da etkili olduğundan, bu atomların kütleleri üstüniletkenliğin kritik değerlerini de etkiler, böylece değişik element ve alaşımların, değişik kritik değerler göstermesine yol açar. Bu değerlerin yüksek olması da üstünilet-kenlerin pratik kullanımım kolaylaştıracağından, kitle taşımacılığından bilgisayar tasarımına değin üstüniletkenliği uygulamaya yönelik araştırmalar bu yönde yoğunlaşmıştır.
L. Cooper, fiziğin hep güncel alanlarında kuramsal araştırmalar yapmış, çekirdek fiziği, zayıf etkileşmeler kuramı, çok cisim kuramı, buna bağlı olarak üstüniletkenlikve alanlar kuramı üzerinde çalışmıştır. Fiziği, asıl ilgi alanı fen olmayanlara tanıtıcı özgün dersler vermiş ve bu amaçla bir de kitap yazmıştır.
• YAPITLAR (başlıca): An Introduction to the Meaning and Structure of Physics, 1968, (“Fiziğin Anlam ve Yapısına Giriş”).
Türk ve Dünya Ünlüleri Ansiklopedisi