Katı Hal Fiziği ve Enerji

Katı hal fiziği katıların özellikleri üzerine yoğunlaşan fizik alt dalıdır. Diğer fizik dallarının çoğunluğuna göre genç bir bilim dalıdır. İnsanlar tarih boyunca katı maddeler üzerine araştırma yapmış olsalar da katı hal fiziği adı altında bir çalışma alanı 1940 ‘lı yıllarda ortaya çıkmıştır. Bu fizik dalı katıların elektriksel,mekanik,optik,termal, manyetik vb özelliklerini ele almış ve önemli buluşları insanlığa kazandırmıştır.

Aslında günümüz yaşantı ve teknolojisini en çok etkileyen fizik dalıdır dersek çok da yanlış olmaz. Örneğin elektronik teknolojisi katı hal fiziği ile şekillenmiştir.

Katı maddelerde enerji konusu pek çok makalede ortaya konsa da “katı hal fiziği ve enerji” şeklinde bir internet aramasında çok da derli toplu sonuçlar karşımıza çıkmamaktadır. Bu konu çok geniş olsa da burada özet şeklinde konuya açıklama getirmeye çalışıyorum.

İlk olarak katı maddeler de enerji söz konusu olduğunda, katıyı oluşturan atomların(veya moleküllerin)toplam enerjisinden ötesi durumlar vardır. Bu atom veya moleküller birbirleriyle etkileşime girerek oluşturdukları durumlardır. Band teorisi katıların bu elektronik yapısını açıklayan önemli bir teoridir.

Katı hal fiziği ve enerji deyince üç durumu düşünebiliriz.

Birincisi katı hal fiziği bize enerjiyi(özellikle elektrik)kullanmayı öğretmiştir. Yarı iletkenler bir devrimdir. Sayısal elektroniği bu sayede kurmuş insanlık..Bilgisayarlar,mobil telefonlar, internet,……… Yine katı hal fiziğinin süper iletkenlik çalışmaları insanlığı farklı boyutlara doğru götürüyor.

Enerjinin üretimi denilince ilk olarak fotovoltaik paneller gelmeli aklımıza. Bunlar doğrudan ışığı elektrik enerjisine çeviren sistemlerdir. Arkasında gelişmiş bir yarı iletken teknolojisi vardır.

Yine yakıt hücreleri bir başka enerji üretim örneğidir. Bunlar ara reaksiyonlar olmadan(yanma ) doğrudan yakıttan elektro-kimyasal yolla enerji üreten sistemlerdir. Geleceğin araçlarında oldukça önemlidir.

Enerjinin depolanması konusunda en zor depolanan enerjinin elektrik olduğunu söyleyebiliriz. Piller vb. sistemler enerji depolamayı mümkün kılsa da kapasiteleri sınırlıdır. Katı hal pilleri yüksek miktarda enerji depolayabilen sistemlerdir. Ve kuşkusuz otomotiv sektörü(elektrikli araçlar) başta olmak üzere geniş kullanım alanları bulunmaktadır.

Katı hal fiziği sürdürdüğü araştırmalarla da yenilikleri hayatımıza sokmaktadır ve sokacaktır. Bunlar arasında spintronik ve oda sıcaklığında süper iletkenlik sağlanması — eğer başarılırsa — bizleri çok farklı yerlere taşıyacaktır.