Fizikçiler Süperakışkanın Donuşunu İzledi: Yeni Bir Kuantum Madde Hali Ortaya Çıktı
Fizikçiler, grafen tabanlı bir sistemde, süperakışkanın katı benzeri bir duruma donduğu garip yeni bir kuantum fazı gözlemlediler.
Soğutma genellikle maddeyi basit bir dizi işlemden geçirir. Bir gaz sıvıya yoğunlaşır ve daha fazla soğutmayla sıvı katı hale gelir. Helyum, kuantum dünyasının çok farklı bir yol izleyebileceğini ortaya koymaya yardımcı oldu. 20. yüzyılın başlarında araştırmacılar, helyumun aşırı sıcaklıklara soğutulduğunda süperakışkan bir duruma girebileceğini keşfettiler. Bu formda, enerji kaybetmeden hareket edebilir ve kaplardan yukarı ve dışarı doğru sürünme de dahil olmak üzere diğer sezgisel olmayan davranışlar sergileyebilir.
Bu keşif, fizikçileri daha da ilgi çekici bir bilmeceyle baş başa bıraktı: Bir süperakışkan daha da soğutulursa, yeni bir faza mı geçer, yoksa “sürtünmesiz hareket” hikayenin sonu mu olur? Bilim insanları yaklaşık elli yıldır bu cevabı arıyorlar.
Hareket Etmeyi Durduran Bir Süperakışkan
Nature’da yayınlanan bir rapor şimdi çarpıcı bir sonuca işaret ediyor. Columbia Üniversitesi’nden Cory Dean ve Austin’deki Texas Üniversitesi’nden Jia Li liderliğindeki bir ekip, en basit haliyle yapmaması gereken bir şeyi yapan bir süperakışkan gözlemledi: durdu.
Dean, “İlk kez, bir süperakışkanın faz geçişi geçirerek süperkatı gibi görünen bir şeye dönüştüğünü gördük,” dedi. Bu, suyun buza dönüşmesi gibi, ancak kuantum düzeyinde.
Süperkatı fikri, iki kimliği birleştirdiği için çelişkili gibi geliyor. Klasik bir katı, sabit, tekrarlayan bir kristal kafeste düzenlenmiş atomlarla tanımlanır. Buna karşılık, bir süperakışkan, dirençsiz akma yeteneğiyle bilinir. Süperkatıların her iki özelliği de birleştireceği tahmin ediliyor; yani malzeme, iç düzeninde kristal benzeri olurken, süperakışkanlıkla ilişkili karakteristik sürtünmesiz akışı da koruyacak.
Çift katmanlı grafende eksitonların katı bir düzen oluşturacak şekilde düzenlenmesinin illüstrasyonu. Kaynak: Cory Dean, Columbia Üniversitesi.
Süper Katıların Uzun Arayışı
Tüm teori ve tartışmalara rağmen, en ünlü aday olan helyum, süper akışkanın süper katıya dönüşmesinin kesin ve doğal bir örneğini sunamamıştır. Araştırmacılar, fiziğin atomik, moleküler ve optik (AMO) alt dalında süper katı benzeri sistemler inşa etmişlerdir, ancak bu gösterimler genellikle tekrarlayan bir yapı oluşturmak için lazerlere ve optik bileşenlere dayanmaktadır. Bu, sıvıyı kristal benzeri bir desene teşvik eden periyodik bir tuzak oluşturur; tıpkı bir buz kalıbı tepsisine hapsedilmiş jöle gibi.
Eksik olan şey, bu tür dışarıdan dayatılan bir desen olmadan süper katının ortaya çıktığı bir durumdu; bu boşluk, yoğun madde fiziğindeki en büyük tartışmalardan birini sürdürmeye yardımcı oldu. Dean’in grubu, helyumdan kendi başına zaten bir kristal olan bir malzeme olan grafene geçerek bu zorluğun üstesinden geldi; bu malzeme sadece bir atom kalınlığında bir karbon atomu tabakasıdır. Ekipte, Columbia’da doktora sonrası araştırmacı olarak çalıştığı dönemde Li ve eski doktora öğrencisi Yihang Zeng (şu anda Purdue Üniversitesi’nde yardımcı doçent) yer alıyordu.
Grafen, eksiton olarak bilinen parçacıklara ev sahipliği yapabilir. Bu yarı parçacıklar, iki atom kalınlığındaki grafen tabakaları üst üste yerleştirildiğinde ve bir tabakada fazladan elektron, diğerinde ise fazladan boşluk (elektronlar ışığa tepki olarak tabakayı terk ettiğinde geride kalan boşluklar) olacak şekilde manipüle edildiğinde oluşur. Negatif yüklü elektronlar ve pozitif yüklü boşluklar eksitonlar oluşturmak üzere birleşebilir. Güçlü bir manyetik alan eklendiğinde, eksitonlar süperakışkan oluşturabilir.
Tersine Bir Faz Geçişi
Grafen gibi 2 boyutlu malzemeler, süperakışkanlık ve süperiletkenlik gibi olguları keşfetmek ve manipüle etmek için umut vadeden platformlar olarak ortaya çıktı. Bunun nedeni, araştırmacıların özelliklerini ince ayar yapmak için sıcaklık, elektromanyetik alanlar ve hatta katmanlar arasındaki mesafe gibi birçok farklı “düğme”yi ayarlayabilmeleridir.
Dean’in ekibi, örneklerindeki eksitonları kontrol etmek için düğmeleri çevirmeye başladığında, kuazi parçacıkların yoğunluğu ile sıcaklık arasında beklenmedik bir ilişki gördüler. Yüksek yoğunlukta, eksitonları süperakışkan gibi davrandı, ancak yoğunlukları azaldıkça hareket etmeyi bıraktılar ve yalıtkan oldular. Ekip sıcaklığı artırdığında, süperakışkanlık geri döndü.
Li, “Süperakışkanlık genellikle düşük sıcaklık temel durumu olarak kabul edilir,” dedi. “Süperakışkan bir fazın eridiğini gözlemlemek emsalsizdir. Bu, düşük sıcaklık fazının son derece sıra dışı bir eksiton katısı olduğunu güçlü bir şekilde düşündürmektedir.”
Gerçekten Bir Süper Katı mı?
Peki, bu bir süperkatı mı? Dean, “İzolatörleri inceleme yeteneğimiz biraz sınırlı olduğu için bazı konularda spekülasyon yapmak zorundayız,” diye açıkladı; uzmanlık alanları taşıma ölçümleri ve izolatörler akım iletmez. “Şimdilik, bu yalıtkan durumun sınırlarını araştırırken, onu doğrudan ölçmek için yeni araçlar geliştiriyoruz.”
Ayrıca diğer katmanlı malzemeleri de inceliyorlar. Çift katmanlı grafende oluşan eksitonik süperakışkan ve muhtemelen süperkatı, ancak güçlü bir manyetik alanın yardımıyla oluşur. Alternatiflerin gerekli düzenlemelere dönüştürülmesi biraz daha zor olsa da, kuazi parçacıkları daha yüksek sıcaklıklarda ve mıknatısa ihtiyaç duymadan stabilize edebilirler.
İki boyutlu bir malzemede süperakışkanlığı kontrol etmek heyecan verici bir olasılıktır; örneğin, helyuma kıyasla eksitonlar binlerce kat daha hafiftir, bu nedenle çok daha yüksek sıcaklıklarda süperakışkanlar ve süperkatılar gibi kuantum durumları oluşturma potansiyeline sahiptirler. Süperkatıların geleceği henüz gerçekleşmedi, ancak iki boyutlu malzemelerin araştırmacıların bu gizemli kuantum fazını anlamalarına yardımcı olacağına dair sağlam kanıtlar mevcut.
Kaynak: https://scitechdaily.com