Süperiletkenlik, belirli malzemelerin sıfır dirençle elektrik yapabileceği bir olgudur. Açıkçası, bu muazzam teknolojik avantajlara sahiptir, bu da süper iletkenliği dünyanın en yoğun araştırılan alanlarından biri haline getirir.
Ancak süperiletkenlik basit değildir. Örneğin, çift kabuklu etkiyi ele alalım. Bilim adamları, içinde kaç elektron olduğunu değiştirirken süperiletkenliğin malzemede göründüğünü planladıklarında, malzemenin süper iletken bölgeleri bazen bir grafikte iki ayrı “kubbe” gibi görünürler.
Başka bir deyişle, malzeme süper iletken hale gelir, sonra durur, daha sonra elektron yoğunluğunu değiştirmeye devam ederken tekrar süper iletken hale gelir.
Grafen bağlantısı
Grafen gibi bazı karmaşık malzemelerde daha önce çift dome süperiletkenliği görülmüştür. Grafen aslında bir petek deseninde birbirine bağlanmış sadece bir atom kalınlığında bir karbon atomudur. Yine de, kuantum malzeme araştırmaları alanını dönüştürdü çünkü gerçekten garip etkilere sahiptir.
Örneğin, iki grafen tabakasını istiflediğimizde ve belirli açılarda büktüğümüzde, grafendeki elektronlar yeni ve beklenmedik şekillerde davranır, manyetizma, elektrik yalıtım ve elbette süperiletkenlik gibi kuantum fazları oluşturur.
Ancak, üçüncü bir katman ekleyerek, sistemi daha da karmaşık ve ayarlanabilir hale getiren daha da karmaşık bir grafen yapısı vardır: sihir açısından bükülmüş trilayer grafen (MATTG). Mattg ile araştırmacılar artık daha önce sadece grafen sistemlerinde şüphelenilen çift kubvenin bir çift kubbeli süper iletkenlik paternini gözlemleyebilir ve kontrol edebilirler.
Bükülmüş grafende çift dome süperiletkenlik
Yayınlanan yeni bir çalışmada Doğa fiziğiEPFL’de Mitali Banerjee liderliğindeki bir ekip, İsviçre, İngiltere ve Japonya’daki ortaklarla birlikte MATTG’nin çift dosya süper iletkenlik modelinin doğrudan kontrolüne izin verdiğini göstermiştir. Katmanları dikkatlice istifleyerek ve elektrik alanını ayarlayarak, araştırmacılar sistemi ince ayarlayabilir ve süperiletkenliğin elektron sayısını değiştirdikçe göründüğünü veya kaybolduğunu izleyebilirler.
Teori tarafından desteklenen deneyleri, iki farklı süper iletken bölgenin – kubbelerin – Mattg’deki elektron sayısını yavaş yavaş değiştirdiklerini gösterdi. Çalışma, alışılmadık süper iletkenliğin 2B malzemelerde nasıl yaratılabileceğine ve kontrol edilebileceğine ışık tutuyor.
Araştırmacılar, ortada diğerlerine göre yaklaşık 1.55 derece bükülmüş olacak şekilde yığılmış üç grafen katından oluşan cihazlar inşa ettiler. Yığını yalıtım altıgen bor nitrürün ince tabakaları arasına yerleştirdiler, daha sonra elektron yoğunluğunu tam olarak kontrol etmek ve elektrikli bir “yer değiştirme alanı” uygulamak için elektrotlar ve kapılar eklediler, bu da araştırmacıların elektronların malzemede nasıl hareket ettiğini ayarladılar, bu da süper iletkenliği nasıl hareket ettirmeyi mümkün kıldı.
Bilim adamları daha sonra elektron yoğunluğunu, manyetik alanı değiştirdikçe ve mutlak sıfıra (100 Millikelvin) yakın sıcaklıklarda akımı uyguladıkça MATTG’nin direncinin nasıl değiştiğini ölçtüler. Bu, süper iletkenliğin ortaya çıktığı bölgeleri haritalamalarını sağladı.
Yer değiştirme alanını ayarlayarak, malzemenin bant yapısını (elektronların materyalin içinde nasıl hareket edebileceğini ve davranabileceğini belirleyen kurallar kümesi) daha fazla ayarlayabilir, bu da çift kubbe deseninin ortaya çıkışını ve kaybolmasını kontrol etmelerine izin verebilirler.
Ekip, bükülmüş trilayer grafendeki süperiletkenliğin tek, pürüzsüz bir bölge oluşturmadığını, bunun yerine elektron yoğunluğu ayarlandıkça iki ayrı kubbeye ayrıldığını gözlemledi. Kubbeler arasında, süperiletkenlik güçlü bir şekilde bastırılır, bu da altta yatan eşleştirme mekanizmasında olası bir rekabeti veya değişimi gösterir.
Her kubbe benzersiz özellikler gösterdi: Bir taraf, süper iletken duruma daha keskin ve daha fazla ani bir geçiş gösterdi ve ölçümler, malzemenin elektrik akımına nasıl tepki verdiği konusunda bir tür “bellek” gösterdi: artan akıma nasıl tepki verdiği, akımı azaltmaya nasıl reaksiyona girdiğiyle aynı değildi. Diğer kubbe, “hafıza” kanıtı olmadan süperiletkenliğe daha nazik, daha yavaş bir geçişe sahipti.
Araştırmacılar, deneysel bulgularını yorumlamak için teorik çalışma (Hartree-Fock hesaplamaları) geliştirdiler, bu da hem etkileşimler hem de uygulanan yer değiştirme alanı tarafından şekillendirilen elektronların kendilerini nasıl düzenlediğinde ince değişiklikler, süper iletkenliğin nerede tercih edildiğini belirlediler. Veriler, muhtemelen sistemin elektronik “sırasındaki” değişikliklerle bağlantılı iki kubbede farklı elektron eşleştirme türlerine işaret etmektedir.
Çalışma, MATTG’yi, çift kubbe süperiletkenliğinin doğrudan bir elektrik alanı tarafından kontrol edilebileceği ilk sistem olarak vurgulamaktadır. Geleneksel olmayan süperiletkenliğin nasıl ortaya çıktığını ve nasıl ayarlanabileceğini incelemek için yeni bir yol sunarak, kuantum cihazları tasarlama veya tasarlanmış malzemelerde yeni madde durumlarını keşfetme olanakları açar.
