Araştırmacılar, süper iletkenlerin tek bir foton tarafından tetiklenebilecek sinyalleri kullanarak nanometre çözünürlükte süper iletkenlik haritaları oluşturmayı başardılar. Bu yöntem, kuantum teknolojilerinde yararlı olabilecek polaritonları da daha yüksek çözünürlükle tespit edebiliyor. Stony Brook Üniversitesi’nden Mengkun Liu ve ekibi, bu hassasiyeti kullanarak süper iletken numunelerin özelliklerini daha ayrıntılı bir şekilde haritalamak istediler. “Uzaysal varyasyonlar genellikle süper iletkenliğin gücünü ve uyumunu etkiler, bu nedenle bu özellikleri yerel olarak görüntülemek değerli bilgiler sağlayacaktır,” diyor ekip üyesi Ran Jing. Araştırma “Süperiletkenlerle Ultra Çözünürlüklü Görüntüleme” fenomenini ortaya çıkarıyor.
Mevcut mikroskopi yöntemleri, bir metalik prob ucundan saçılan elektromanyetik dalgaları kullanarak bir numunede yerel elektromanyetik tepkiler oluşturur. Araştırmacılar, bu tepkileri kullanarak özellikle yarı iletkenlerde malzeme özelliklerini ayrıntılı bir şekilde haritalayabilirler. Ancak bu yöntem, süper iletkenlerdeki veya diğer malzemelerdeki uzaysal değişiklikleri tespit edebilecek hassasiyetten yoksundur çünkü bu malzemeler genellikle yarı iletkenlere göre daha az tepki verir.
Liu ve ekibi, süper iletkenler için özel bir tarama-probu tabanlı mikroskopi yöntemi geliştirdiler. Sistemlerinde, bir metal ucu üzerinden saçılan kızılötesi bir ışın numune yüzeyinde dolaşır. Eğer ışık emilirse, uca yakın süper iletkenlik baskılanır. Bu baskılama, yakındaki elektrotlarda ölçülebilir bir voltaj veya akım oluşturur. Kritik sıcaklık, kristal kusurları, numune geometrisi gibi nedenlerden dolayı yerden yere hafifçe farklılık gösterir. Araştırmacılar, süper iletkenliğin kaybını gösteren sinyali izleyerek çeşitli sıcaklıklarda tekrar tekrar tarama yapar. Sonuçlar, direnç veya yerel kuantum uyumu gibi özelliklerin haritasını çıkarabilir.
Kristal Kusurları Nasıl Tespit Ederiz?
Liu ve ekibi, süper iletkenler için özel bir tarama probu mikroskopisi tekniği geliştirdiler. Sistemlerinde, numune yüzeyinin hemen üzerinde duran metal bir uçtan saçılan kızılötesi ışık kullanılıyor. Işık emilirse, uç çevresindeki süper iletkenlik baskılanıyor. Bu baskılama, yakındaki elektrotlarda ölçülebilir bir voltaj veya akım oluşturuyor. Bu süreç, kristal kusurları ve numune geometrisi gibi faktörlerle kritik sıcaklığın yer yer değişiklik göstermesi sayesinde hassas bir şekilde çalışıyor. Araştırmacılar, süper iletkenliğin kaybını gösteren sinyali izlemek için çeşitli sıcaklıklarda taramayı tekrarlıyorlar. Sonuçlar, direniş veya yerel kuantum uyumu gibi özelliklerin uzaysal haritasını çıkarabiliyor.
Ekip, bu tekniği, ortasında 200 nm genişliğinde bir şerit veya “nanoköprü” bulunan papyon şeklindeki niyobyum bir süper iletken örnek üzerinde gösterdi. Sonuçlar, nanoköprünün diğer bölgelere göre daha düşük bir sıcaklıkta süper iletkenliğini kaybettiğini gösterdi; muhtemelen bu, daha yüksek akım yoğunluğundan kaynaklanıyordu.
Deneyin odak noktası nanoköprü özellikleriydi, ancak Jing, tekniğin başka şekillerde de faydalı olabileceğini belirtti. “İncelenen malzeme, süper iletkenin kendisi veya nanoköprünün üzerinde veya yakınında yer alan başka bir malzeme olabilir.”
Hexagonal Boron Nitrür (Altıgen Boron Nitrür) Kullanımı
Liu ve ekibi, tekniklerini başka bir şekilde de kullanarak polaritoların tespitini gerçekleştirdi. Polaritolar, ışık ve elektrik dipol salınımlarının birleşimi olan parçacıklardır ve küçük ve yüzeye hapsolmuş oldukları için tespiti zordur. Araştırmacılar, yüzey boyunca hareket eden polaritonları destekleyen bir malzeme olan altıgen bor nitrür (h-BN) üzerine orta kızılötesi lazer ışığı yönlendirdiler. Nanoköprüyü ince h-BN filminin altına yerleştirdiler. Polaritolar köprüden geçerken, onların neden olduğu küçük elektrik alan değişiklikleri süper iletkenlikteki ısı veya akım akışını değiştirerek polaritonların geçişini yansıtan ölçülebilir bir elektrik sinyali üretti. Bu yöntem, önceki tekniklerden 10,000 kat daha az güç gerektiriyor ve daha yüksek çözünürlükle görüntülemeye olanak tanıyor.
Bu çalışma, “çok zayıf ışınlama kullanarak hassas cihazlar veya malzemelerin uzaysal olarak çözülmüş görüntülerini üretme olanağını açıyor” diyor, Singapur’daki Nanyang Teknolojik Üniversitesi’nden kuantum madde uzmanı Justin Song. “Özellikle çok fazla ışığın düzeni yok edebileceği kırılgan düzenlere sahip süper iletkenleri ve diğer sistemleri araştırmada çok kullanışlı olabilir.”
Araştırmacılar, nihayetinde daha geniş bir malzeme ve cihaz grubunu görüntülemeyi ve çeşitli polaritonik uyarılmaları incelemeyi umuyorlar. Bu sistemler, bükülmüş grafen cihazları ve bazı yeni süper iletkenleri içerebilir, diyor Jing. Teknik, mikroskobik yüzey kusurları veya oksidasyon bölgeleri süper iletkenlik özelliklerini değiştirebilen kübitlerdeki süper iletken cihazların karakterize edilmesinde de faydalı olabilir. Polaritonları tespit etme yeteneği, bu parçacıklara dayalı kuantum cihazlarının mühendisliğinde de yardımcı olacaktır, diyor.
Kaynaklar:
- physics.aps.org/articles/v18/138
- journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/f13d-dpdn
