MIT Kurşun Kalemde Manyetik Süper İletken Keşfetti
MIT bilim insanları tuhaf yeni bir malzeme tanımladı: aynı zamanda mıknatıs gibi davranan bir süper iletken. Grafitten elde edilen grafen katmanlarının özel bir istiflenmesini kullanarak, şimdiye kadar imkansız olduğu düşünülen bu ikili davranışı gözlemlediler.
Yüzyılı aşkın bir süredir bilim insanları mıknatıs ve süper iletkenlerin, yağ ile suyu karıştırmak gibi temelde uyumsuz olduğuna inanıyordu. Ancak MIT fizikçilerinin çığır açan keşfi şimdi bu fikri tersine çeviriyor.
Nature dergisinde yayınlanan yeni bir çalışmada, araştırma ekibi dikkat çekici bir şey ortaya çıkardı: kiral süper iletken adı verilen yeni bir malzeme. Elektriği sıfır dirençle taşıyor ve manyetik. Bu garip kombinasyon daha önce hiç bu kadar doğrudan bir şekilde gözlemlenmemişti.
Daha da şaşırtıcı olan ne? Araştırmacılar bu egzotik davranışı çok tanıdık bir maddede buldular: kurşun kalemlerde kullanılan grafit.
Grafitin Gizli Potansiyeli Açığa Çıktı
Grafit, bal peteği şeklinde düzenlenmiş bir atom kalınlığında karbon atomları tabakası olan sayısız grafen katmanından oluşur. Normalde bu katmanlar birbiri üzerine düzgün bir şekilde istiflenir ve bir kağıda yazmak için kalemle bastırıldığında olduğu gibi basınç uygulandığında kolayca pul pul dökülebilir. Ancak bazen, istiflemenin hafifçe çarpık olduğu yerlerde küçük cepler oluşur ve merdiven benzeri bir desen oluşturur.
MIT bilim insanları, sadece dört ya da beş katman bu özel “eşkenar dörtgen” desende düzenlendiğinde, malzemenin tamamen yeni bir şekilde davranabileceğini ve normal grafitte hiç görülmeyen elektronik özelliklerin kilidini açabileceğini keşfetti.
Eşkenar Dörtgen Grafende Süperiletkenlik Yaratmak
Fizikçiler yeni çalışmalarında grafitten mikroskobik eşkenar dörtgen grafen pulları izole ettiler ve pulları bir dizi elektrik testine tabi tuttular. Pullar 300 milikelvine (yaklaşık -273 santigrat derece) soğutulduğunda, malzemenin bir süper iletkene dönüştüğünü, yani malzemeden geçen herhangi bir elektrik akımının direnç olmadan akabileceğini buldular.
Ayrıca, harici bir manyetik alanı yukarı ve aşağı kaydırdıklarında, pulların tıpkı bir mıknatıs gibi iki farklı süper iletken durum arasında geçiş yapabildiğini buldular. Bu, süper iletkenin bir miktar dahili, içsel manyetizmaya sahip olduğunu gösteriyor. Bu tür bir anahtarlama davranışı diğer süper iletkenlerde yoktur.
MIT’de fizik profesörü olan Long Ju, “Genel kanı süperiletkenlerin manyetik alanlardan hoşlanmadığı yönünde,” diyor. “Ancak biz bunun, mıknatıs gibi davranan bir süper iletkenin bu kadar doğrudan ve basit kanıtlarla ilk gözlemi olduğuna inanıyoruz. Ve bu oldukça tuhaf bir şey çünkü insanların süperiletkenlik ve manyetizma hakkındaki genel izlenimlerine aykırı.”
Ju, MIT ortak yazarları Tonghang Han, Zhengguang Lu, Zach Hadjri, Lihan Shi, Zhenghan Wu, Wei Xu, Yuxuan Yao, Jixiang Yang, Junseok Seo, Shenyong Ye, Muyang Zhou ve Liang Fu’nun yanı sıra Florida Eyalet Üniversitesi, İsviçre’deki Basel Üniversitesi ve Japonya’daki Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’nden işbirlikçilerin yer aldığı çalışmanın kıdemli yazarıdır.
Uzun Süredir Kabul Edilen Süperiletken Varsayımlarına Meydan Okuma
Günlük iletken malzemelerde, elektronlar kaotik bir karmaşa içinde akar, birbirlerinin yanından vızıldayarak geçer ve malzemenin atomik kafes örgüsünden ping atarlar. Bir elektron bir atomdan her saçıldığında, özünde bir dirençle karşılaşır ve sonuç olarak normalde ısı şeklinde bir miktar enerji kaybeder. Buna karşılık, bazı malzemeler ultra soğuk sıcaklıklara kadar soğutulduğunda süper iletken hale gelebilir, yani malzeme fizikçilerin “Cooper çiftleri” olarak adlandırdığı şekilde elektronların eşleşmesine izin verebilir. Bu elektron çiftleri dağılıp gitmek yerine malzemenin içinde dirençsiz bir şekilde süzülürler. Bir süper iletkende ise enerji kaybı yaşanmaz.
Süperiletkenlik ilk kez 1911 yılında gözlemlendiğinden beri fizikçiler sıfır elektrik direncinin bir süperiletkenin ayırt edici özelliği olduğunu defalarca göstermişlerdir. Bir diğer tanımlayıcı özellik ise ilk kez 1933 yılında fizikçi Walther Meissner’in bir süper iletkenin harici bir manyetik alanı dışarı atacağını keşfetmesiyle gözlemlenmiştir. Bu “Meissner etkisi” kısmen bir süper iletkenin elektron çiftlerinden kaynaklanır ve bu çiftler toplu olarak herhangi bir manyetik alanı itmek için hareket eder.
Fizikçiler tüm süper iletken malzemelerin hem sıfır elektrik direnci hem de doğal bir manyetik itme sergilemesi gerektiğini varsaymışlardır. Aslında bu iki özellik, süper iletken bir rayın mıknatıslanmış bir aracı iterek havaya kaldırdığı Maglev ya da “manyetik kaldırma” trenlerini mümkün kılabilir.
Garip Bir Bükülme Süperiletkenliği Kıvılcımlandırıyor
Ju ve meslektaşları MIT’de deneylerini gerçekleştirirken bu varsayımı sorgulamak için hiçbir nedenleri yoktu. Ekip son birkaç yıldır beş katmanlı eşkenar dörtgen grafenin elektriksel özelliklerini araştırıyor. Araştırmacılar, beş katmanlı, merdiven benzeri grafen yapısında şaşırtıcı özellikler gözlemlediler, en son olarak da elektronların kendi parçalarına ayrılmasını sağladı. Bu olgu, beş katmanlı yapı bir altıgen bor nitrür tabakasının (grafene benzer bir malzeme) üzerine yerleştirildiğinde ve belirli bir açı ya da bükülme ile hafifçe kaydırıldığında ortaya çıkıyor.
Elektron fraksiyonlarının değişen koşullarla nasıl değişebileceğini merak eden araştırmacılar, ilk keşiflerini benzer testlerle, bu kez grafen ve altıgen bor nitrür yapılarını yanlış hizalayarak takip ettiler. Şaşırtıcı bir şekilde, iki malzemeyi yanlış hizaladıklarında ve 300 milikelvinden daha düşük sıcaklıklarda bir elektrik akımı gönderdiklerinde, sıfır direnç ölçtüklerini buldular. Görünüşe göre elektron kesirleri olgusu ortadan kalkmış ve bunun yerine süperiletkenlik ortaya çıkmıştı.
Tuhaf Direnç Artışları Geleneksel Fiziğe Meydan Okuyor
Araştırmacılar, bu yeni süperiletken durumun harici bir manyetik alana nasıl tepki vereceğini görmek için bir adım daha ileri gitti. Malzemeye bir voltajla birlikte bir mıknatıs uyguladılar ve malzemeden çıkan elektrik akımını ölçtüler. Manyetik alanı negatiften pozitife (kuzey ve güney kutuplarına benzer şekilde) ve tekrar geriye çevirdiklerinde, malzemenin, her iki manyetik kutupta da birer kez olmak üzere iki durum dışında süper iletken, sıfır dirençli durumunu koruduğunu gözlemlediler. Bu durumlarda direnç, sıfıra dönmeden ve süper iletken duruma geri dönmeden önce kısa bir süre yükseldi.
Grupta birinci sınıf öğrencisi olan Zach Hadjri, “Bu geleneksel bir süper iletken olsaydı, manyetik alan süper iletkenliğin öldürüleceği kritik bir noktaya ulaşana kadar sıfır dirençte kalırdı” diyor. “Bunun yerine, bu malzeme iki süper iletken durum arasında geçiş yapıyor gibi görünüyor, tıpkı yukarı doğru bakmaya başlayan ve manyetik alan uyguladığınızda aşağı doğru dönebilen bir mıknatıs gibi. Yani bu aynı zamanda bir mıknatıs gibi davranan bir süper iletken gibi görünüyor. Bu da hiç mantıklı değil!”
Eşkenar Dörtgen Grafenin Kuantum Sırları
Keşif ne kadar mantıksız görünse de, ekip aynı fenomeni altı benzer örnekte gözlemledi. Eşkenar dörtgen grafenin benzersiz konfigürasyonunun anahtar olduğundan şüpheleniyorlar. Malzeme çok basit bir karbon atomu düzenine sahip. Ultra soğuk sıcaklıklara soğutulduğunda, termal dalgalanma en aza indirgenerek malzemeden akan elektronların yavaşlamasına, birbirlerini algılamasına ve etkileşime girmesine izin veriyor.
Bu tür kuantum etkileşimleri elektronların eşleşmesine ve süper iletken olmasına yol açabilir. Bu etkileşimler elektronları koordine olmaya da teşvik edebilir. Yani, elektronlar topluca iki zıt momentum durumundan birini veya “vadileri” işgal edebilirler. Tüm elektronlar bir vadide olduğunda, ters yöne karşı etkili bir şekilde bir yönde dönerler. Geleneksel süperiletkenlerde elektronlar her iki vadide de bulunabilir ve herhangi bir elektron çifti tipik olarak birbirini iptal eden zıt vadilerdeki elektronlardan oluşur. Bu durumda çift genel olarak sıfır momentuma sahiptir ve dönmez.
Ancak ekibin malzeme yapısında, tüm elektronların aynı vadiyi veya momentum durumunu paylaşacak şekilde etkileşime girdiğinden şüpheleniyorlar. Elektronlar daha sonra eşleştiğinde, süper iletken çift genel olarak “sıfır olmayan” bir momentuma sahip olur ve diğer birçok çift ile birlikte içsel, süper iletken bir manyetizma anlamına gelebilecek şekilde döner.
Teorik Çıkarımlar ve Kuantum Hesaplama Potansiyeli
Grupta beşinci sınıf öğrencisi olan Tonghang Han, “Bir çiftteki iki elektronun saat yönünde veya saat yönünün tersine döndüğünü düşünebilirsiniz, bu da yukarı veya aşağı bakan bir mıknatısa karşılık gelir” diye açıklıyor. “Dolayısıyla bunun, kiral süper iletken olarak bilinen elektronların yörünge hareketi nedeniyle mıknatıs gibi davranan bir süper iletkenin ilk gözlemi olduğunu düşünüyoruz. Bu türünün tek örneği. Aynı zamanda sağlam kuantum hesaplamayı mümkün kılabilecek bir topolojik süper iletken adayıdır.”
Grupta eski bir postdoc olan ve şimdi Florida Eyalet Üniversitesi’nde yardımcı doçent olan Zhengguang Lu, “Bu malzemede keşfettiğimiz her şey tamamen mavinin dışındaydı” diyor. “Ancak bu basit bir sistem olduğu için, neler olup bittiğini anlamak için iyi bir şansımız olduğunu ve bazı çok derin ve derin fizik ilkelerini gösterebileceğimizi düşünüyoruz.”
MIT’de fizik profesörü olan Liang Fu, “Böylesine egzotik bir kiral süper iletkenin bu kadar basit bileşenlerden ortaya çıkması gerçekten dikkat çekici” diye ekliyor. “Eşkenar dörtgen grafende süperiletkenlik kesinlikle çok şey sunacaktır.”
Kaynak: https://scitechdaily.com
Maddenin 5. Hali Kullanılarak Yeni Nesil Bir Süper İletken Üretildi