Çift yoğunluğu dalgalarında süperiletken kritik sıcaklığın üzerinde bulunan Cooper çiftleri

Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign Grainger Mühendislik Koleji’nden fizikçiler, süperiletken davranışın yeni bir biçimini belirlediler. Metal uranyum ditelürid üzerinde yapılan deneyler, süperiletkenlikten sorumlu kompozit elektron birimleri olan Cooper çiftlerinin, ana süperiletken faz olmadığında bile var olan tekdüze olmayan desenler halinde organize olabildiklerini ortaya koyuyor.

Çift yoğunluğu dalgaları (PDW’ler) olarak bilinen bu desenler ilk olarak 20 yıl önce tahmin edildi ve diğer metallerdeki süperiletkenlikle örtüştüğü bulundu. Ancak dergide yayınlanan yeni araştırma Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri Bu sadece PDW’lerin uranyum ditellüridde var olduğunu göstermekle kalmıyor, aynı zamanda süperiletkenlik ortadan kalktığında “sıradan” aşamada kalabileceklerine dair ilk doğrudan kanıtı da sağlıyor.

Illinois Grainger Mühendisliği fizik profesörü ve proje eşbaşkanı Eduardo Fradkin, “Çift yoğunluğu dalgaları Cheshire Kedisi’nin süperiletkenlik sırıtışıdır” dedi. “Bunlar, fazın kendisi ortadan kaybolduğunda kalan kalıntılardır. Geleneksel süper iletkenlerde, Cooper çiftleri tam faz geçişi gerçekleştiğinde oluşur, ancak bu sistemde bunların geçiş noktasının üzerindeki PDW’lerde gözlemlenmesi bunların önceden farklı bir durumda oluştuklarını gösterir.”

Illinois Grainger Mühendisliği fizik profesörü ve diğer projenin ortak lideri Vidya Madhavan, “Daha yüksek kaliteli numunelerin yetiştirilmesine yönelik yeni yöntemler sayesinde, sıcaklığa ve manyetik alanlara tam olarak çift yoğunluklu dalgaların vermesi gerektiği gibi yanıt veren spektral imzaları gözlemleyebildik” dedi. “Hatta modların, süperiletkenliğin ortadan kalktığı sıcaklığın üzerinde devam ettiğini bile gösterdik; bu, şimdiye kadar ikna edici bir şekilde gözlemlenmemiş, teorik bir tahmindir.”

Alışılmadık süper iletkenler

Metallerin elektriği sıfır dirençle ilettiği süper iletkenlik olgusu, metalin serbest elektronlarının kritik bir sıcaklığın altına soğutulduğunda düşük enerjili kuantum durumuna yoğunlaşması nedeniyle ortaya çıkar. Ancak elektronlar, fermiyon adı verilen bir parçacık sınıfına aittir; bu, kuantum fiziği yasalarının onların aynı duruma birleşmelerini yasakladığı anlamına gelir. Süperiletkenlikte yoğunlaşmalarına izin veren mekanizma karmaşık ve inceliklidir.

Bu karmaşıklık ilk olarak 1957’de Illinois’li fizikçiler John Bardeen, Leon Cooper ve Robert Schrieffer tarafından şu anda BCS teorisi olarak bilinen bir modelle açıklandı. Elektronların öncelikle metalin altındaki kafes aracılığıyla korelasyon kurarak yoğunlaştığını öne sürdüler. Her elektron başka bir elektrona bağlanarak Cooper çiftleri adı verilen birimleri oluşturur. Tek elektronların aksine, Cooper çiftleri bozon adı verilen bir parçacık sınıfına aittir, dolayısıyla kuantum itmesi olmadan aynı durumda bir arada var olabilirler. Çiftler daha sonra süperiletken duruma yoğunlaşmakta özgürdür.

BCS teorisi, 1986’da “geleneksel olmayan” süper iletkenler tanımlanana kadar gözlemlenen tüm süper iletken davranışları başarıyla açıkladı. Bunların yapıları BCS teorisinin varsayımlarıyla uyumlu değil, ancak elektronlar hala Cooper çiftleri oluşturuyor ve yoğunlaşıyor. Geleneksel olmayan süperiletkenlerin özelliklerinin anlaşılması aktif bir araştırma alanı olmaya devam etmektedir.

Çift yoğunluğu dalgaları

Geleneksel olmayan süperiletkenlerin ortak özelliği, süperiletkenlik için kritik sıcaklığın altında diğer fazların birlikte ortaya çıkmasıdır. Bir örnek, elektronların bir kısmının tekdüze olmayan desenler halinde organize edildiği yük yoğunluğu dalgalarıdır (CDW’ler). Yük yoğunluğu uzayda periyodik olarak modüle edildiğinden, elektrik yükü daha fazla olan bölgeler ve daha az elektrik yükü olan bölgeler vardır.

2007’de Fradkin ve meslektaşları, birlikte meydana gelen bir aşamanın başka bir örneğini önerdiler: çift yoğunluğu dalgaları. Normalde, süperiletken Cooper çiftleri metalde düzgün bir şekilde dağılır, ancak Illinois teorisyenleri bunların aynı zamanda desenler halinde de organize edilebileceğini öne sürdüler. Teorilerinin en çarpıcı tahminlerinden biri, PDW’lerin kritik sıcaklığın üzerinde var olabileceğidir; bu, metal süperiletken fazda olmadığında bile Cooper çiftlerinin oluşabileceği anlamına gelir.

Fradkin, “Bunu ilk önerdiğimizde zor durumdaydık” dedi. “Bu çok tuhaf bir durum ve deneysel ipuçları olmasına rağmen, bu aşamanın varlığına dair doğrudan bir onay yok.”

Çalışmanın teorik analizi üzerinde çalışan eski bir Illinois Grainger Mühendisliği yüksek lisans öğrencisi olan Julian May-Mann, “PDW’lerin gerçek malzemelerde analiz edilmesi zordur çünkü bazı deneylerde geleneksel süper iletkenler gibi, diğerlerinde ise CDW’ler gibi davranırlar” dedi. “Bir PDW’nin varlığının doğrulanması, hem yüksek kaliteli deneysel veriler hem de dikkatli teorik analiz gerektirir.”

Uranyum ditellürid: tuhaf metal çıkışı

2019 yılına kadar uranyum ditellüridin sıradan bir metal olduğu düşünülüyordu, bu nedenle araştırmacılar, 2 kelvin’in altında bir süper iletken faz keşfedildiğinde bunu dikkate aldılar. Üzerinde çalışıldıkça fizikçiler bunun bulunması zor bir üçlü çift süperiletken olduğuna inanmaya başladılar. BCS süper iletkenlerindeki çiftlerin aksine, üçlü elektron çiftleri manyetik momentlere sahiptir. Üçlü çift “süper fazın” doğrulanmış tek örneği süperakışkan helyum-3’tür. Bu sistem, bu çalışmasıyla Nobel Ödülü’ne layık görülen merhum Illinoisli fizikçi Anthony Leggett tarafından kapsamlı bir şekilde incelenmiştir.

Fradkin, “Süper akışkan helyum-3’e benzer özelliklere sahip üçlü çift süper iletkenlerin var olduğu tahmin ediliyor ve bu tür örnekler olduğuna inanılan birkaç süper iletken var” dedi. “Sorunun tamamen çözüldüğünü söyleyemem, ancak uranyum ditelüürün üçlü çift bir süper iletken olduğu konusunda fikir birliği var.”

Metal, taramalı tünelleme mikroskobu deneylerini kullanarak CDW’leri tanımlayan Madhavan’ın deneysel araştırma grubunun dikkatini çekti. Ancak araştırmacılar tuhaf bir şeyin farkına vardı: Dalgalar manyetik alanlar kullanılarak yok edilebiliyordu.

Madhavan, “Bir yük yoğunluğu dalgası, uzayda modüle edilen kolektif bir elektronik durumdur, bu nedenle bırakın manyetik alanlar tarafından yok edilmesi bir yana, onlara yanıt vermesi için de hiçbir neden yoktur.” dedi. “Verilerimizi Profesör Fradkin ve öğrencilerine götürdük ve sistemde bir çift yoğunluk dalgası da varsa bunun olabileceğini tahmin ettik. Bunun gibi bir şey için çok fazla olası açıklama yok ve çift yoğunluk dalgaları aklıma gelen en iyi açıklama.”

Kaybolan modlar

Araştırmak için Madhavan’ın grubunun öncelikle daha yüksek kalitede uranyum ditellurür örnekleri elde etmesi gerekiyordu. PDW’ler çok hassastır ve yalnızca oldukça düzenli kristallerde oluşabilir. Araştırmacılar, yeni bir erimiş akış yöntemi kullanılarak yetiştirilen yüksek kaliteli numuneler sağlamak için işbirlikçilere yöneldi. Bu numuneler, malzeme yüzeylerinin manyetik alanlara rastgele yönlerdeki tepkilerini araştıran bir alet olan vektör manyetik alan taramalı tünelleme mikroskobu (STM) kullanılarak incelendi.

Madhavan, “Verilerimizi gizleyen maddi yabancı maddeler nedeniyle önceki verilerimizde çift yoğunluğu dalgalarını göremiyorduk” dedi. “Bu, bir sis bulutu içindeki ışığı tespit etmeye benziyordu. Ancak yeni vektör manyetik alan ekipmanımız sayesinde daha iyi örnekler elde etmeyi başardık. İkincisi özellikle önemliydi çünkü uranyum ditelürid anizotropikti, dolayısıyla kristalleri birçok yönden inceleme yeteneğine ihtiyacımız vardı.”

Deneyleri yürüten Illinois Grainger Mühendisliği fizik doktora sonrası araştırma görevlisi Zhen Zhu, “Deneyimizin önemli bir avantajı, birden fazla yönde alışılmadık derecede geniş bir manyetik alan aralığı sağlayan yeni geliştirilen vektör mıknatıs ekipmanıydı” dedi. “Bu yetenek özellikle süperiletken üst kritik alanı oldukça anizotropik olan uranyum ditelürid için çok uygundur. Alanın hem büyüklüğünü hem de yönünü sıcaklıkla birlikte sistematik olarak değiştirerek, bu modların nasıl geliştiğini izleyebildik ve gözlemlediğimiz davranışın içsel olduğuna dair güven inşa edebildik.”

CDW’lerdeki veriler, sıcaklık ve manyetik alanlara, manyetik alanlar tarafından yok edilmeleri de dahil olmak üzere, PDW’lerin yapması gerektiği gibi tepki veren modları ortaya çıkardı. Ancak en anlamlı olanı, ana süperiletken faz artık mevcut olmadığında kritik sıcaklığın üzerinde var olmaya devam eden modlar vardı.

May-Mann, “Yoğun madde fiziğinde, sıcaklık değiştiğinde veya manyetik alan uygulandığında farklı fazların nasıl görünüp kaybolabileceğini sınırlayan temel ilkeler vardır.” dedi. “Deneysel verilere ilişkin yalnızca CDW’ye dayanan herhangi bir açıklama bu ilkelere aykırıdır. Öte yandan PDW’ye dayalı açıklama tatmin edici ve tutarlı bir açıklama sağlar.”

STM görüntüleme yalnızca yüzey etkilerini karakterize edebilse de, araştırmacılar bulgularından cesaret alıyor ve sonuçların yeni araştırma yönlerine işaret ettiği konusunda iyimser.

Fradkin, “Bir malzemenin iç kısmının yüzeyden farklı davranması mümkündür, ancak bu deneysel sonuçlar bize hala içeride neler olduğuna dair çok güçlü bir ipucu veriyor” dedi.

Zhu, “Bir deneyci olarak en tatmin edici şeylerden biri, birçok bağımsız ölçümün aynı hikayeyi anlatmaya başlamasıdır” dedi. “Burada, sıcaklık ve manyetik alan bağımlılığı, iyileştirilmiş örnek kalitesiyle birlikte, çift yoğunluğu dalga durumunun dikkate değer derecede tutarlı bir resmini ortaya çıkarmak için bir araya geldi.”