‘Duman tabancası’ yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin gizemini çözmeye yardımcı olabilir

Süperiletkenliğin, yüksek çözünürlüklü tıbbi taramalarda kullanılan güçlü mıknatısların oluşturulması, elektriğin verimli bir şekilde taşınması ve ultra hassas ölçüm cihazlarının oluşturulması gibi birçok önemli pratik uygulaması vardır. Şimdiye kadar, yüksek sıcaklıklardaki bu benzersiz olgunun arkasında tam olarak neyin yattığını anlamak, bilim adamlarının onlarca yıldır gözden kaçırdığı bir konuydu.

Ancak Bristol Üniversitesi’ndeki fizikçiler tarafından yürütülen ve bu hafta dergide yayınlanan araştırma Doğa Fiziğibu bakır oksit yüksek sıcaklık süper iletkenlerindeki elektronların, enerji kaybı olmadan güç iletmek için nasıl bir araya geldiğini açıklayan mekanizmayı (sonsuz elektrik iletiminin ‘süper iletken’ durumu) tanımladı.

Çalışmanın ortak yazarı, Bristol Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Nigel Hussey şunları söyledi: “Süperiletkenlik, ünlü fizikçileri uzun süredir büyüleyen ve on yıllar boyunca Nobel Ödülleriyle tanınan çeşitli buluşlarla sonuçlanan dikkat çekici, neredeyse büyülü bir olgudur.

“Ancak, yüksek sıcaklıkta süperiletkenliği kolaylaştıran süreçler bir gizem ve hayranlık kaynağı olmaya devam etti. Hollanda’daki Avrupa Manyetik Alan Laboratuvarı’nda gerçekleştirilen ölçümler ve ardından gelen dikkatli analizler sayesinde, denklemin bir kısmını çözen ve bu kafa karıştırıcı duruma neyin sebep olduğunu açıklayan dumanı tüten silahı bulduk.”

Elektron spinlerinin rolünün izlenmesi

Geleneksel, düşük sıcaklıktaki süperiletkenlerde, elektronların süperiletkenliğe maruz kaldığı mekanizma, malzemenin kristal kafesini oluşturan iyonların titreşimlerini içerir. Bilim insanları uzun yıllardır yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik için, muhtemelen iyonların kendisinden daha yüksek frekanslarda titreşen varlıkları içeren yeni bir mekanizma arıyorlar. Elektronlar, hem küçük bir manyetik alan üreten topaç gibi bir dönüşe hem de uzayda ve zamanda dalgalanabilecek bir akım üreten bir yüke sahip oldukları için birincil adaydı.

Her ne kadar bu bakır oksit malzemelerde spin ve yük dalgalanmaları ayrıntılı olarak haritalandırılmış olsa da, büyük ölçüde Profesör Stephen Hayden ve Bristol’deki grubunun çabaları sayesinde, iletim elektronları ile bu dalgalanmalar arasındaki etkileşimin gücünü birbirine bağlayan kanıtlar, T_C-malzemenin süperiletken hale geldiği kritik sıcaklık- eksikti.

Bununla birlikte, geleneksel süperiletkenlerde olduğu gibi, bu bilgi malzemenin direncinde kodlanmıştır ve bu bilginin direncin kendisinden çıkarılmasının, ilgili etkileşimi tanımlamanın anahtarını tuttuğuna inanılmıştır.

İnce bir film etkileşimi ortaya koyuyor

Bristol, Hollanda, Çin ve ABD’den uluslararası bilim adamlarından oluşan ekip, özel bir ince film kuprat örneği (bu durumda lantan seryum bakır oksit) oluşturdu ve bunu düzgün bir bakır oksit gradyanı oluşturmak için katman katman atomik katmana yerleştirdi. T_C—maksimum değerinden sıfıra—tüm uzunluğu boyunca.

Araştırmacılar daha sonra litografi kullanarak, direncin ince aralıklı değerlerin bir fonksiyonu olarak ölçülmesini sağlamak için film boyunca bir dizi elektrik kontağı oluşturdular. T_C film boyunca düzensizlik düzeyini aynı tutarken. Dirençteki değişimi sıcaklığın, manyetik alan kuvvetinin ve manyetik alan kuvvetinin bir fonksiyonu olarak ortaya çıkarmak için yüksek manyetik alan tesisinde bir dizi deney yapıldı. T_C.

Çalışmanın öncü deneycisi Dr. Caitlin Duffy, Fransız Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi’nde doktora sonrası araştırmacı ve eski doktora sahibi. Hussey’in öğrencisi şöyle açıkladı: “Yüksek manyetik alanlarda elde edilen veriler üzerinde bazı analitik hileler uygulayarak, bu malzemedeki baskın direnç kaynağının dalgalanan dönüşlerin saçılması olduğunu tespit edebildik.

“Bu etkileşimin gücü ile arasındaki korelasyon T_C daha sonra bu malzemedeki süperiletkenliğin kökeninin gerçekten de iletim elektronları ile spin dalgalanmaları arasındaki etkileşim olduğu doğrulandı.”

Daha yüksek sıcaklıklar için eksik bir bileşen

Bu başlı başına büyük bir atılım oluştursa da, ana bakır oksitte süperiletkenliği tetiklemenin iki yolu olduğundan araştırmacılar süperiletkenlik bilmecesinin yalnızca yarısını çözebildiler. Birincisi, burada lantanı seryumla değiştirerek yaptıkları gibi elektronları dahil etmektir; diğeri ise diğer kimyasal ikameler yoluyla elektronları uzaklaştırmak veya sisteme “delikler” adı verilen şeyleri eklemektir.

“Olduğu gibi, gerçekten yüksek T_C değerler yalnızca delik katkılı tarafta bulunur. Çalışmamızın, elektronlar sisteme katkılandığında süperiletkenliğin nasıl ortaya çıktığını saptadığı göz önüne alındığında, bunu arttırmak için bunu varsaymak cazip geliyor. T_C Delik katkılı tarafta, bu dalgalanan dönüşlere bağlanmanın gücünü artırmamız veya bunların daha yüksek bir frekansta dalgalanmasını sağlamamız gerekiyor.” diye ekledi Hussey.

“Fakat işler o kadar basit değil. Elektron ve delik katkılı kupratlar aynı kumaştan yapılmış olsalar da, farklı desenlerde birbirine dikiliyorlar. Gerçekten de, bu sonuçları delik katkılı muadilleri üzerinde daha önce yaptığımız yüksek alan çalışmaları ile karşılaştırmak bize, daha yüksek orandan sorumlu olan ikinci bir eksik bileşenin olması gerektiği konusunda bilgi veriyor.” T_C delik katkılı taraftaki değerler.

“İlk temel bileşeni bulmuş olsak da, şimdi görev gidip ikinciyi bulmaktır. Ancak o zaman teorisyenler yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin tüm öyküsünü geliştirebilirler. Bana göre, bu arayışta başarılı olan kişi kesinlikle gelecekteki Nobel Fizik Ödülü için güçlü bir aday olacaktır.”