Fizik dünyası, bugünlerde malzemelerin doğasını değiştiren ve “Kutsal Kase” olarak adlandırılan o büyük hedefe bir adım daha yaklaştı. Columbia Üniversitesi’nden Itai Keren, Tatiana Webb ve Dmitri Basov’un da dahil olduğu uluslararası ekip, dışarıdan ışık kullanmadan bir süperiletkeni manipüle etmeyi başardı. Üstelik araştırmacılar, bu işlem için malzemeyi sadece bir karanlık optik boşluk içine hapsettiler. Böylece bilim insanları, sadece elektromanyetik çevreyi mühendislik yöntemleriyle değiştirerek karmaşık malzemeleri manipüle etmeyi başardılar.
Karanlık Optik Boşluk ve Kuantum Vakum Dalgalanmaları ile Madde Değişimi
Geleneksel fizik yöntemleri, malzemeyi etkilemek için genellikle lazerler veya güçlü manyetik alanlar kullanır. Buna karşın bu yeni deneyde bilim insanları, doğrudan kuantum vakum dalgalanmalarına odaklandılar. Kuantum fiziğine göre boş bir alan aslında tam anlamıyla boş değildir. Aksine bu alan, sürekli var olup yok olan elektromanyetik çalkalanmalarla doludur.
Bu nedenle araştırmacılar, süperiletken bir malzemeyi bu dalgalanmalarla etkileşime sokan özel bir düzenek kurdular. Dahası işlem sırasında dışarıdan tek bir foton bile göndermediler. Sonuç olarak sistemi tamamen “karanlık” bıraktılar ve karanlık optik boşluk içindeki kuantum etkilerini doğrudan gözlemlediler.
Karanlık Optik Boşluk Mimarisinde hBN ve κ-ET Kristal Etkileşimi
Araştırma ekibi, optik boşluk oluşturmak için altıgen bor nitür (hBN) malzemesini tercih etti. Çünkü hBN, “hiperbolik van der Waals malzemesi” olarak bilinen özel bir yapı sunar. Bu malzemeler, atomik incelikteki katmanların üst üste dizilmesiyle oluşur. Katmanlar içindeki atomlar birbirine sıkıca bağlanır; ancak katmanlar sadece zayıf van der Waals kuvvetleri ile tutunur.
Katmanlar arasındaki bu boşluklar, birer dalga kılavuzu gibi davranarak ışığı hapseder. Neticede hBN levhası, momentum uzayında “hiperboloid” bir yüzey oluşturan bir optik boşluk gibi çalışır. Ekip, bu hBN aynasını organik bir süperiletken olan κ-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Br (kısaca κ-ET) ile birleştirdi. Özellikle araştırmacılar bu boşluğu, κ-ET içindeki karbon bağlarının titreşimleriyle tam rezonansa girecek şekilde tasarladılar.
Karanlık Optik Boşluk İçinde Süperakışkan Yoğunluğu Analizi
Ekip, bu hBN levhasını organik bir süperiletken olan κ-ET ile birleştirdi. Deney sırasında araştırmacılar, süperiletken içindeki yüklü parçacıkların oluşturduğu süperakışkan yoğunluğunu haritalandırdılar. Bunu yaparken manyetik kuvvet mikroskobu (MFM) tekniğinden yararlandılar.
Özellikle süperiletkenin yüzeyine çok yakın küçük bir manyetik uç yerleştirdiler. Meissner Etkisi nedeniyle bu manyetik alan süperiletkenin içine nüfuz edemez. Dolayısıyla bu fiziksel engel, manyetik uç üzerinde bir kuvvet oluşturur. İşte bu kuvvet, araştırmacılara süperakışkan yoğunluğunu doğrudan ölçme imkanı tanıdı. Neticede bilim insanları, boşluk arayüzüne yakın bölgelerde yoğunluğun yüzde 50 oranında düştüğünü saptadılar.
Karanlık Optik Boşluk ve s-SNOM ile Karbon Bağlarının Analizi
Öte yandan ekip, boşluğun optik özelliklerini incelemek için s-SNOM teknolojisini kullandı. Bu yöntemde, bir atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ucuna odaklanmış lazer ışığı gönderdiler. Ayrıca bu titreşen uç, boşluk içinde fonon polaritonları oluşturdu.
Yapılan analizler, κ-ET içindeki karbon bağlarının gerilme modunun boşlukla eşleştiğini kanıtladı. Dahası ekip, yaptıkları hesaplamalarla boşluk etkileşiminin bu karbon bağlarının titreşim genliğini azalttığını gösterdi. Bilindiği gibi süperiletkenlik, elektronlar ve fononlar arasındaki etkileşimden doğar. Bu sebeple araştırmacılar, süperakışkan yoğunluğundaki azalmayı bu titreşimlerin bastırılmasına bağlıyorlar.
Bilim İnsanlarından Kritik Alıntılar ve Gelecek
κ-ET, mekanizması tam anlaşılamayan “egzotik” bir süperiletkendir. Bu nedenle deney, bu gizemli malzemelerin sırlarını çözmek için yeni bir ışık tutuyor. Araştırma ekibi, Physics World‘e yaptıkları açıklamada heyecanlarını şu sözlerle paylaşıyor:
“Deneylerimizin yeni teorik çalışmaları tetikleyeceğinden eminiz. Çalışmamız, süperiletken özellikleri manipüle etmek için tamamen yeni bir yol gösteriyor.”
Sonuç olarak bu keşif, oda sıcaklığında süperiletkenlik arayışından kuantum bilgisayarlara kadar pek çok alanı kökten etkileyebilir. Artık bilim dünyası, bir malzemenin performansını değiştirmek için sadece doğru tasarlanmış bir “kutu” kullanabilir. Özetle Nature dergisinde yayımlanan bu çalışma, kuantum mühendisliğinde yeni bir milat sayılıyor.
Haberi Derleyen: Dilara SİPAHİ
KAYNAKÇA:
Dark optical cavity alters superconductivity