Normal bir metal ile süperiletken arasındaki bağlantı, tek bir molekül aracılığıyla kontrol edilebilir. Bilim insanları, bir süperiletken malzemenin özelliğini, yakındaki geleneksel bir metale tek bir molekül üzerinden iletmeyi başardı. Araştırmacılar, bu etkinin nasıl kontrol altına alınabileceğini göstererek, gelecekte kuantum bilgisayarlarda kullanılması hedeflenen ve pek çok araştırma grubunun potansiyel bir kuantum biti (kübit) adayı olarak incelediği Majorana kuasipartiküllerinin geliştirilmesi yönünde önemli bir adım attıklarını ifade ediyorlar.
Uzun yıllardır bilim insanları, süperiletkenliğin süperiletken bir malzeme ile temas ettiğinde normal metallere nasıl yayıldığını araştırıyor. Bu süreçte genellikle ince film yapıdaki malzemeler kullanılıyor. Süperiletkenliğin yayılma etkisinin kontrolü, bu olgunun teknolojik uygulamaları için oldukça önemli. Ancak bu sürecin altında yatan mikroskobik mekanizma olan, normal elektrik akımının süperakıma dönüşmesini sağlayan Andreev yansıması olarak bilinen fenomeni doğrudan yönetmek oldukça zor bir iş.
Almanya’daki Ilmenau Teknoloji Üniversitesi’nden Lorenz Meyer’e göre, bu etkinin potansiyel kullanım alanlarından biri, süperiletkenlik taşıyan elektron çiftlerinin –Cooper çiftleri olarak bilinirler– ferromanyetik nanoyapılara aktarılmasıdır. Teorisyenler, bu tür bir aktarım sayesinde, Majorana kuasipartikülleri olarak adlandırılan ve yeni kuantum durumlarını temsil eden özel durumların oluşabileceğini öngörüyor. Bu özel kuantum durumları, mevcut kuantum işlemcilerde kullanılanlara göre çok daha kararlı kübitler olarak kullanılabilir. Bu nedenle bilim insanları, bu tür durumları yaratabilmek adına yoğun bir şekilde çalışıyor.
Süperiletkenlik ile Tek Molekül Köprüsü ile Mümkün
Meyer ve ekibi, süreci kontrol altına almak için süperiletken bir kurşun yüzey üzerine ftalosiyanin adı verilen bir tür boya molekülünün tekil örneklerini yerleştirdi. Ardından, geleneksel bir metalden yapılmış bir taramalı tünelleme mikroskobu (STM) ucu, bu moleküllerden birine dikkatlice yaklaştırıldı ve en sonunda temas ettirildi. Meyer, bu durumu şu sözlerle açıklıyor: “Bu, benzersiz bir deney çünkü normal metal ile süperiletken arasındaki temas noktası yalnızca tek bir molekülden oluşuyor.”
Araştırma ekibi, STM ucunun yüksekliğini ve uç ile yüzey arasındaki voltajı değiştirerek, bu moleküler arayüzeyden geçen akımı ölçtü. Elde edilen veriler, STM ucu moleküle yaklaştıkça ftalosiyanin molekülünün elektron orbitallerinin yer değiştirdiğini ortaya koydu. Bu orbitalin enerjisi, bir elektronun mutlak sıfır sıcaklıkta işgal edebileceği en yüksek enerji düzeyi olan Fermi seviyesine doğru hareket etti. Fermi seviyesindeki elektronlar için Andreev yansıması ile normal akımın süper akıma dönüşmesi beklenir. Ekip, moleküler orbital bu seviyeyi geçtiğinde bağlantı noktasındaki Andreev yansımasının belirgin şekilde güçlendiğini gözlemledi.
Meyer ve meslektaşlarına göre, bu orbital kaymasına neden olan unsur, ftalosiyanin ile STM ucu arasında gerçekleşen kimyasal bir tepkimedir. Molekül ile ucun elektron orbitalleri, fiziksel yakınlık nedeniyle birbirleriyle örtüşür. Bu da molekülün en düşük boş kimyasal orbitalinin kısmen dolmasına yol açar. Bu doluluk, orbitalin enerji seviyesinin Fermi seviyesine yaklaşmasına neden olur.
Andreev yansıması ilk olarak süperiletkenlerle normal metaller arasında yer alan karmaşık, makroskobik düzeydeki arayüzeyleri açıklamak amacıyla geliştirilmişti. Ancak Meyer, artık atomik ve moleküler düzeyde açık şekilde tanımlanmış bir arayüzeyin, normal metal-süperiletken hibrit yapılarının karmaşıklığını oluşturduğunu belirtiyor. Bu kadar sadeleştirilmiş bir model sistem, ileri düzey simülasyonlarla daha kolay entegre edilebiliyor. Bu da bilim insanlarına yeni fiziksel bilgiler öğrenme konusunda avantaj sağlıyor.
Araştırma yalnızca Andreev yansımasını ortaya koymakla kalmadı; aynı zamanda molekülün STM ucuyla temas ettiğinde manyetik özellik kazandığını da gösterdi. Ekip, ftalosiyaninin değiştirilmiş ve elektron orbitalinde kayma meydana getirmeyen başka bir versiyonunu da inceledi. Bu molekül kullanıldığında ne Andreev yansıması ne de manyetik etki gözlemlendi. Japonya’daki Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’nde kuantum malzemeleri araştırmacısı olarak görev yapan Takashi Uchihashi, iki benzer molekülün ortaya koyduğu sonuçlar arasındaki farkın çarpıcı olduğuna dikkat çekiyor: “İki molekül yalnızca birinin üzerinde hidrojen atomu bulunmasıyla birbirinden ayrılıyor.” Uchihashi’ye göre bu durum, süperiletken hetero-arayüzeyin işlevselliğini tasarlamak ve kontrol edebilmek için moleküler düzeyde hassasiyet gerektiğini açıkça ortaya koyuyor.
Florida Eyalet Üniversitesi’nde egzotik özelliklere sahip malzemeleri araştıran He Zhao ise bu çalışmanın yalnızca uç-numune arasındaki mesafeyi ayarlayarak süperiletkenlik ve manyetizma arasındaki ilişkiyi düzenlemenin yeni bir yolunu sunduğunu ifade ediyor. Zhao, çoğu zaman birbiriyle çelişen süperiletkenlik ve manyetizmanın etkileşiminin anlaşılmasının, alışılmadık süperiletken durumların araştırılmasında kritik önem taşıdığını vurguluyor.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v18/79
