Süperiletkenler ve onların gizemli atomik özellikleri, keşfedilmelerinden bu yana geçen yüzyıl boyunca araştırmacıları şaşırttı. Bu özel malzemeler, enerji kaybı olmadan elektriğin içlerinden akmasına izin verir. Hatta trenlerin havada durmasını bile sağlarlar.
Bununla birlikte, süperiletkenler tipik olarak yalnızca aşırı soğuk sıcaklıklarda çalışırlar. Bu malzemeler ısıtıldığında ya elektrik iletmeyen yalıtkanlara ya da elektriğin akmasına izin veren sıradan iletkenlere dönüşürler.
Araştırmacılar, daha yüksek sıcaklıklarda (belki bir gün oda sıcaklığında bile) sihrini gerçekleştirebilecek süperiletken malzemeler bulmaya çalışıyor. Bu tür bir maddenin ortaya çıkması veya geliştirilmesi, bilgisayar ve cep telefonlarından elektrik şebekesi ve ulaşıma kadar çağdaş teknolojiyi değiştirebilecek bir gelişme olabilir. Ek olarak, süperiletkenler kuantum durumu nedeniyle kuantum bilgisayarlar için mükemmel bir temel oluşturuyorlar.
Bir süper iletkenin önemli bir özelliği olan elektron eşleşmesinin, daha önce inanılandan çok daha yüksek sıcaklıklarda ve beklenmedik bir malzeme olan antiferromanyetik bir yalıtkanda gerçekleştiği keşfedildi. Bu sonuçlar, malzemenin sıfır dirence sahip olmasına rağmen, araştırmacıların benzer malzemeleri daha yüksek sıcaklıklarda çalışan süper iletkenler haline getirmenin yollarını keşfetmelerine yardımcı olabilir. Stanford Üniversitesi, SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ve diğer kurumlardan oluşan araştırma ekibi 15 Ağustos’ta Science dergisinde sonuçlarını yayınladı.
Stanford Üniversitesi uygulamalı fizik alanında yüksek lisans öğrencisi ve makalenin ortak yazarı Ke-Jun Xu, “Elektron çiftleri bize süperiletken olmaya hazır olduklarını söylüyor, ancak bir şey onları durduruyor” dedi. Çiftleri senkronize etmek için yeni bir yöntem bulabilirsek, bunu muhtemelen daha yüksek sıcaklıkta süperiletkenler oluşturmak için kullanabiliriz.”
Senkronize olmayan elektronlar
Bilim insanları geçtiğimiz yüzyılda süperiletkenlerin hassas işleyişleri hakkında çok şey keşfettiler. Örneğin, bir malzemenin süperiletken olabilmesi için elektronların eşleşmesi ve bu eşlerin birlikte ya da tutarlı bir şekilde hareket etmesi gerektiğini biliyoruz. Yalıtkan bir malzeme, eşleşmiş ancak tutarsız elektronlardan meydana gelebilir.
Süperiletkenlerdeki elektronlar, bir dans etkinliğinde yalnız başlarına duran iki ayrı konuk gibi davranırlar. Başlangıçta hiçbiri diğerinin yanında dans etmek istemez. Ancak, DJ daha sonra her ikisinin de hoşuna giden bir şarkı çalar ve bu da gevşemelerini sağlar. Birbirlerinin şarkıdan keyif aldıklarını fark ederler ve uzaktan etkilenmeye başlarlar- eşleşmişlerdir ancak henüz tutarlı hale gelmemişlerdir.
Ardından DJ tarafından her ikisinin de sevdiği yeni bir şarkı çalınır. Çift aniden bir araya gelir ve dans etmeye başlar. Dans partisindeki herkes kısa sürede birleşir ve onları örnek alarak yeni şarkıyla dans etmeye başlar. Parti bu noktada süperiletken bir durumdadır ve tutarlı hale gelmeye başlar.
En son çalışmada araştırmacılar, gözleri birbirine kilitlenmiş ancak dans etmeye başlamayan geçiş halindeki elektronları izlediler.
Kupratlar garip davranıyor
Süperiletkenlerin keşfinden kısa bir süre sonra bilim insanları, elektronların eşleşip dans etmesine neden olan şeyin altta yatan malzemedeki titreşimler olduğunu keşfetti. Stanford profesörü ve SLAC’taki Stanford Malzeme ve Enerji Bilimleri Enstitüsü’nde (SIMES) araştırmacı olan Zhi-Xun Shen’in yönetiminde gerçekleştirilen çalışma için Zhi-Xun Shen, bu tür elektron eşleşmesi, geleneksel süperiletkenler olarak bilinen ve iyi anlaşılmış bir malzeme sınıfında meydana gelmekte olduğunu söyledi. Geleneksel süperiletkenler ortam basıncında ve tipik olarak mutlak sıfıra yakın veya 25 Kelvin’in altındaki sıcaklıklarda çalışır.
Geleneksel olmayan süperiletkenler çok daha yüksek sıcaklıklarda, bazen 130 Kelvin’e kadar çıkabilmektedir. Bu tür bir malzemenin bir örneği, bu çalışmadaki bakır oksit malzeme veya kuprattır. Kupratlardaki elektron eşleşmesinin örgü titreşimleri dışındaki faktörler tarafından kolaylaştırıldığı yaygın olarak kabul edilmektedir. En olası açıklama, elektronların daha yüksek bir açısal momentumla eşleşmesine ve dans etmesine neden olan dalgalanan elektron spinleridir, ancak araştırmacılar bunun arkasında ne olduğundan tam olarak emin değiller. Bu olguya dalga kanalı (wave channel) deniyor; yaklaşık otuz yıl önce SSRL’de yapılan bir deney bu yeni durumun ilk izlerini ortaya çıkardı. Kupratlarda elektron eşleşmesinin altında yatan mekanizmaların anlaşılması, yüksek sıcaklıklara sahip süperiletkenlerin geliştirilmesine yardımcı olabilir.
Bu kuprat grubunun maksimum süperiletkenlik sıcaklığı diğer kupratlara kıyasla nispeten düşük (25 Kelvin) olduğundan, araştırmacılar bu proje için daha önce kapsamlı bir şekilde çalışılmamış olmasına rağmen bu grubu seçtiler. Daha da kötüsü, bu grubun üyelerinin çoğunluğu etkili yalıtkanlardır. Araştırmacılar, kupratın atomik ayrıntılarını görüntülemek için malzeme örneklerini, malzemenin elektronları dışarı atmasına neden olan ultraviyole ışığa maruz bıraktı. Elektronlar bağlandığında bir “enerji boşluğu” oluşur, çünkü serbest bırakılmaya karşı oldukça dirençlidirler. Enerji boşluğu 150 Kelvin’e kadar sabit kalır, bu da elektronların yaklaşık 25 Kelvin’de meydana gelen sıfır direnç durumundan önemli ölçüde daha yüksek sıcaklıklarda eşleştiğini gösterir. Eşleşme en yalıtkan örneklerde en güçlü şekilde gerçekleşiyor ki bu da çalışmanın en beklenmedik bulgusu.
Shen’e göre, çalışmada kullanılan kuprat oda sıcaklığında veya yaklaşık 300 Kelvin’de süper iletkenliğe ulaşamayabilir ve “Ancak belki de başka bir süperiletken malzeme grubunda, bu bilgiyi oda sıcaklığına yaklaşmak için ipuçları şeklinde kullanabiliriz” dedi.
Shen, “Bulgularımız ileriye dönük potansiyel olarak zengin yeni bir yol açıyor” diye konuştu. “Bu eşleşme boşluğu üzerine gelecekte yapılacak araştırmalar, yeni süper iletken mühendislik tekniklerinin geliştirilmesine yardımcı olmak için yapılacaktır. Bir yandan, bu tutarsız eşleşme durumu hakkında daha fazla bilgi edinmek için SSRL’de karşılaştırılabilir deneysel teknikler uygulamayı amaçlıyoruz. Bununla birlikte, bu tutarsız çiftleri belki de senkronize olmaya zorlamak için bu malzemelerle nasıl çalışacağımızı da bulmak istiyoruz.”
Daha fazla bilgi için makalenin kaynağı : Ke-Jun Xu et al., Anomalous normal-state gap in an electron-doped cuprate.Science385,796-800(2024).DOI:10.1126/science.adk4792
Haberin kaynağı: DOE/SLAC National Accelerator Laboratory. “Researchers observe ‘locked’ electron pairs in a superconductor cuprate.” ScienceDaily. ScienceDaily, 15 August 2024. <www.sciencedaily.com
Derleyen: Fatma Nida Ocak – Üsküdar Üniversitesi Adli Bilimler Yüksek Lisans Öğrencisi
