Fransa’daki École Normale Supérieure’de süper iletkenliğin temel teorilerinden Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) teorisinin öngörüleriyle çelişen deneysel gözlemler yapıldı. Araştırmacılar, sürekli akışlı kuantum gaz mikroskobu adı verilen yeni bir teknikle, süperiletken elektronları taklit eden soğuk atomlardaki uzaysal korelasyonları doğrudan görüntüledi. Yüksek hassasiyetli ölçümler, zıt spine sahip atomlar arasında beklenmeyen bir antikorelasyon ortaya çıkararak BCS teorisinin eksikliklerine işaret etti.
Geleneksel olarak süperiletkenlik, akım ve voltaj ölçümleriyle inceleniyordu. BCS teorisi, sıfır dirençli akışın elektronların Cooper çiftleri oluşturmasından kaynaklandığını başarıyla açıklasa da yeni gözlemler bu teorinin özellikle orta kuvvette etkileşimli bölgelerde yetersiz kaldığını gösteriyor.
Soğuk Atomlar, Süperiletkenliğin Laboratuvar Dostu İkizleri
Elektronlar gibi fermiyonik parçacıkların dalga fonksiyonu, parçacık değişimi sırasında işaret değiştirir. Bu antisimetrik davranış, Pauli dışarlama ilkesine yol açar ve fermiyonik çok-cisim sistemlerinin modellenmesini son derece zorlaştırır. BCS teorisi, bu karmaşık problemi ortalama-alan yaklaşımıyla basitleştirerek çözen önemli bir başarıdır.
Son yirmi yıldır lityum-6 gibi fermiyonik atomik izotoplar, etkileşen Fermi gazlarının doğrudan deneysel olarak incelenmesine olanak tanıyor. Soğuk atom sistemlerinin en büyük avantajı, mikroskobik düzeyde iyi anlaşılmaları ve az sayıda modelleme varsayımı gerektirmeleridir.
Zayıf Bağdan Güçlü Bağa: Atom Etkileşimleri Nasıl Ayarlanıyor?
Bu ayarlanabilirlik, araştırmacıların zayıf etkileşimli BCS durumundan sıkı bağlı dimerlerin Bose-Einstein yoğuşmasına (BEC) kadar tüm durumları keşfetmesine olanak tanıyor.
Dimer için kısa bilgi:
Ultra soğuk atomlarda dimer, nanokelvin (nK) veya mikrokelvin (µK) sıcaklıklarda, iki atomun birbirine çok zayıf kuantum bağlarıyla bağlanarak oluşturduğu moleküler yapıdır. Normal şartlarda atomlar termal hareketleri nedeniyle bir arada duramazken, ultra soğuk rejimde kuantum etkileri baskın hale gelir ve bu tür geçici veya kararlı dimerler oluşabilir.
BCS ile BEC arasındaki geçiş, kuantum çok-cisim fiziğinin “mihenk taşı” olarak kabul ediliyor. Geçişin iki tarafındaki niteliksel farklı davranışlar, iki rejimin modellerini birleştirmeye çalışan teoriler için zorluk oluşturuyor.
Sıcaklık ise soğuk atom sistemlerinin ana sınırlamalarından biri. Nanokelvin sıcaklıklar mutlak ölçekte çok soğuk olsa da, bu seyreltik gazların içsel enerji ölçekleri o kadar düşüktür ki göreli sıcaklık (Fermi sıcaklığına kıyasla) yoğun madde sistemlerindekinden önemli ölçüde yüksek kalır. Buna rağmen son deneyler, BEC-BCS geçişinde uyarılma spektrumları, Cooper çifti görüntüleri ve alışılmadık ısı makineleri gibi ilginç olguları gözlemlemeyi başardı.
Tek Tek Atomların Spinleri Nasıl Tespit Ediliyor?
Önceki çalışmalar, toplu Fermi gazlarının ortalama yoğunluk görüntülerine dayanıyordu. Sürekli akışlı kuantum gaz mikroskobu ise büyük 2D örneklerdeki bireysel atomları çözümleyebiliyor. Yöntem, “don” komutuyla atomları lazer ışınlarıyla sabitleyip ardından floresan görüntüleme ile konumlarını tespit ediyor. Spin-yukarı ve spin-aşağı atomlar farklı lazer frekanslarında floresans yaydığı için bireysel spin bilgisi de elde edilebiliyor.
Araştırma ekibi, sürekli akışlı kuantum gaz mikroskobunun yüksek uzaysal çözünürlüğünü kullanarak korelasyon ölçümlerinde benzeri görülmemiş bir sinyal-gürültü oranına ulaştı.
Keşfettikleri şey, spin-yukarı ile spin-aşağı atomlar arasındaki korelasyon fonksiyonunda beklenmeyen bir “dip” yani yüksek oranda nonlokal bir antikorelasyon oldu (Grafikteki aşağı yönlü çukur, değerin 1’in altına düştüğü bölge). Bu bulgu şaşırtıcıydı çünkü ortalama-alan BCS teorisi böyle bir dip öngörmüyor; aksine bu korelasyon fonksiyonunun bire eşit veya büyük olmasını gerektiriyor.
Fermi Boşluğu Küçülmedi: BCS’nin İkinci Tahmini de Tutmadı
Araştırmacılar yardımcı-alan kuantum Monte Carlo hesaplamaları gerçekleştirerek bu dipin birin altına düştüğünü doğruladı. Ayrıca Fermi boşluğunun (Pauli deliği) BCS teorisinin öngördüğü gibi geçiş bölgesinde küçülmediğini, aksine etkileşimsiz ideal bir Fermi gazındakine benzer kaldığını gözlemlediler.
Bu sonuçlar, BCS teorisindeki ortalama-alan varsayımlarının yalnızca güçlü korelasyonlu geçiş bölgesinde değil, zayıf etkileşimli tarafta da ciddi şekilde yetersiz olduğunu açıkça göstermektedir. Bulgular, ortalama-alan ötesi etkilerin yeniden teorik olarak incelenmesini zorunlu kılıyor.
Deneyciler önemli bir adım attı. Şimdi sıra teorisyenlerde: Süperiletkenliğin temel teorilerini rafine etmek ve yeni kavramlar geliştirmek.
Bu çalışma, gelişen deneysel tekniklerin —bu durumda yüksek hassasiyetli sürekli akışlı kuantum gaz mikroskobunun— uzun süredir kabul gören teorik modelleri nasıl sorgulatabildiğini bir kez daha gösteriyor.
Kaynakça: physics.aps.org/articles/v19/54
Haberi Derleyen ve Sunan: Hasan Ongan
