Pratik süperiletkenlerin arayışında derin Dünya araçlarının yeniden kullanılması

Bilim adamları normal basınçta ve nispeten yüksek sıcaklıklarda süperiletken görevi gören, yani enerjiyi sıfır dirençle ileten bir malzeme bulabilirlerse, bu çok sayıda olasılığın önünü açabilir. Bunlara tıbbi görüntüleme, kuantum hesaplama ve diğer birçok alan dahildir. Yani evet, bu büyük bir olay olurdu.

Shomeek Mukhopadhyay, “Şu anda iletimdeki enerjinin neredeyse %50’si bakır tellerdeki ısıdan oluşuyor” dedi. “Eğer elektriği kablolar aracılığıyla enerjiyi dağıtmadan iletebiliyorsanız, bu çok büyük bir ekonomik faydadır. Bunun termonükleer füzyona eşdeğer olduğunu söyleyebilirim.”

Kimya ve Çevre Mühendisliği alanında araştırma bilimcisi olan Mukhopadhyay, Kline Jeoloji Laboratuvarı’nın üçüncü katında bulunuyor. Yakınlarda, Dünya ve Gezegen Bilimleri alanında doktora sonrası araştırma görevlisi olan Natalia Nevskaya, Kawai çoklu örs presi adı verilen devasa bir cihazı hazırlıyor.

Makine, çok yüksek sıcaklıklar ve aşırı basınçlar üreterek Dünya’nın derin manto koşullarını simüle edecek şekilde tasarlandı. Amaçlanan amacı milyarlarca yıllık materyalleri incelemektir, ancak son beş yıldır çok disiplinli bir bilim insanı grubu bunu potansiyel olarak geleceğin materyallerini yaratmak için kullanıyor. Projenin başında C. Baldwin Sawyer Kimya ve Çevre Mühendisliği Profesörü Lisa Pfefferle yer alıyor.

Spesifik olarak, normal basınç seviyeleri altında ve nispeten yüksek sıcaklıklarda (süperiletkenlik tartışılırken, “nispeten yüksek sıcaklıklar” genellikle sıvı nitrojenin donma sıcaklığının üzerindeki veya yaklaşık -196°C (-321°F) sıcaklığın üzerindeki herhangi bir şey anlamına gelir) süperiletken görevi gören malzemeler yaratmayı hedefliyorlar. Şu anda kükürt trihidrit (H) üzerinde yoğunlaşıyorlar.₃S). Hidrojen sülfürün yakın bir akrabası (H₂S),H₃S, üç kısım hidrojenden bir kısım kükürtten oluşur.

Birkaç yıl önce bilim insanları onun normalden yüksek sıcaklıklarda (yaklaşık -23°C (-9°F)) süperiletken gibi davrandığını keşfettiklerinde dikkat çekmeye başladı. İşin püf noktası, bunu yalnızca 150-200 gigapaskal (ölçü birimi, basınç kavramımızı açıklığa kavuşturmaya yardımcı olan Blaise Pascal’dan almıştır) aşırı basınç altında yapmasıdır. Bu, Dünya’nın çekirdeğinin yarısında, Dünya’nın iç kısmının yaklaşık 3.200 kilometre (2.000 mil) içinde bulunan türden bir basınçtır. Bu basınç seviyelerinin herhangi bir pratik kullanım için çok yüksek olduğu açıktır ve süperiletkenlik, basınç bırakıldığında kaybolur.

O halde işin püf noktası, basıncı hafiflettikten sonra süperiletken kalmasını nasıl sağlayacağınızdır? Peki bunu pratik hale getirecek kadar yüksek bir sıcaklıkta?

Pfefferle’nin laboratuvarındaki araştırmacılar, bir yol bulmuş olabileceklerini ve bunu başarmalarına yardımcı olmak için Yale’in Dünya ve Gezegen Bilimleri ve Kimya bölümlerinin yanı sıra ABD Donanması’ndan araştırmacılarla ekip kurduklarını düşünüyor.

H ile ilgili rahatsız edici şeylerden biri₃S, oldukça kararsız olmasıdır. Normal koşullar altında esas olarak dağılır. Bu amaçla, Pfefferle’nin laboratuvarı H’yi sentezlemek için bir teknik geliştirerek önemli bir atılım gerçekleştirdi.₃S çok daha düşük basınçlar altında (yaklaşık 15 gigapaskal) ve basınç tahliye edildikten sonra stabil kalacak şekilde.

Süper iletken hale getirmeye gelince, diğer malzemelerle çalışırken zaten bazı cesaret verici sonuçlar gördüler. Geçen yıl platini süper iletkene dönüştürmeyi başardılar. Mukhopadhyay, bunu yapmak için süper düşük sıcaklıklar (mutlak sıfırın yaklaşık 2 derece üzerinde) gerekiyordu, “ancak ilginç olan şey, hiçbir zaman süper iletken olmayan bu malzemenin süper iletkenliğe dönüşebilmesidir” dedi.

Yani, basıncı bıraktıktan sonra bu malzemelerin süperiletken özelliklerini “dondurmayı” başardılar. Bir sonraki adım H’nin süperiletkenliğini dondurup donduramayacaklarını görmek.₃S hem yüksek sıcaklıklarda hem de ortam basınçlarında.

Bunu yapmak için geliştirdikleri yöntem, yalnızca birkaç nanometre aralıkla iki grafen tabakası arasına kükürt ve bir hidrojen öncülünün yerleştirilmesini içeriyor. Gerilme oluşturmak ve daha fazla basınç oluşturmak için grafen tabakaların arasına metal parçacıklar da yerleştirilir. Platin, aynı zamanda hidrit oluşumu için bir katalizör olarak en iyi şekilde çalıştığı için tercih edilen metal parçacık seçimidir. Malzeme olarak grafenin seçimi önemlidir çünkü esnektir ve aşırı basınç altında kırılmaz.

“Gösterdiğimiz şey, bu grafen tabaka sistemiyle H üretebildiğimizdir.₃Mukhopadhyay, “Daha düşük basınçlarda S, çünkü yarım nanometre düzeyinde birbirine çok yakın iki duvara sahip olan kısıtlama, yüksek basınç gibi davranıyor” dedi. “Dolayısıyla, onu Dünya’nın kabuğunda bulunan basınçlarda üretmek yerine, 10 kat daha az basınçla üretebiliriz.”

Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes, 1911’de cıvanın mutlak sıfırın birkaç derece üzerine soğutulduğunda elektriğe karşı sıfır dirence sahip olduğunu gözlemleyerek süperiletkenliği keşfetti. O zamandan beri bilim insanları bu olguyu anlamak ve daha da önemlisi onu pratik kullanıma sokmanın bir yolunu bulmak için çabaladılar. Araştırmacılar süperiletkenliği çeşitli uygulamalarda (havada uçan trenlerden taşınabilir MRI’lara ve kuantum bilgisayarlara kadar her şey) kullanmanın yollarını ararken, süperiletkenlik fikri umut verici olduğu kadar kafa karıştırıcı olduğunu da kanıtladı. Nispeten yüksek sıcaklıklarda birkaç kez keşfedilmiş olsa da, son derece yüksek basınçlar gerektirmiştir.

Pfefferle’nin bu araştırma çizgisine olan ilgisinin kökleri onun nanotüplerle ilgili kapsamlı çalışmasına dayanmaktadır. Bor nanotüplerinin süperiletken özelliklere sahip olduğu ortaya çıktı. Bu, Pfefferle’yi süperiletkenlik konusuna daha derinlemesine bakmaya yöneltti.

“Son birkaç yıldır insanlar bir dizi bileşik, özellikle de hidritler için daha yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik kaydediyor, ancak bunlar yalnızca çok çok yüksek basınçlardayken” dedi. “Dolayısıyla jeoloji ekibiyle yaptığımız çalışma, farklı basınçlandırma cihazlarını kullanmaktı.”

Laboratuvarı, Yer ve Gezegen Bilimleri alanında araştırma bilimcisi olan Nevskaya ve Jennifer Girard’a ulaştı. John Gamble Kirkwood Kimya Profesörü Victor Batista da projeye uzmanlığını kattı. Bu araştırma dizisine meraklı olmasına rağmen Pfefferle, tüm bu malzemelerin ortam koşullarına döndüklerinde süperiletken güçlerini kaybetmeleri durumunda ne gibi pratik faydalar olabileceğini merak etti.

“Ben de ‘Tamam, gerginlik ve hapsedilme olası olasılıklar’ diye düşündüm” dedi. Yani, edinilen özelliklerin ortam basıncında kararlı hale gelmesini sağlayacak şekilde basınç uygulamanın bir yolunu bulabilirlerse ne olur? “Böylece H model sistemini bir araya getirdim₂Fikirlerimizi test etmek için iki grafen katmanı arasında S var.”

Batista’nın grubu bu sistemi modelleyerek sınırlama etkisinin süperiletken H oluşumuna izin verebileceğini gösterdi.₃Çok daha düşük basınçlarda S fazı; bu, Pfefferle laboratuvarının deneylerini motive etti.

Çalışmalarının bir sonraki aşaması için: H’de süperiletkenliğin tetiklenmesi₃S—Deniz Araştırma Laboratuvarı’ndan beş yıllık bir burs aldılar. Bu çalışmaların bir kısmı Illinois’deki Argonne Ulusal Laboratuvarı’nda gerçekleştirilecek. Orada, kullanıcıların gerçek süreci olduğu gibi görmelerine olanak tanıyan yüksek basınçlı makinelerden yararlanacaklar.

İşbirliğinin bir parçası olarak, numunelerin manyetik alanlarını ölçmek için ABD Donanması’nın Süper İletken Kuantum Girişim Cihazı (SQUID) manyetometresini kullanacaklar. SQUID araştırmaları açısından kritik önem taşıyor çünkü küçük numunelerin çok düşük manyetik alanlarını (Dünya’nınkinden yaklaşık bir milyar kat daha zayıf) algılayabiliyor. Bu çok önemli çünkü bir malzeme süper iletkenlik kazandığında manyetik alanını dışarı atıyor. Sonuçta, yöntemlerini güvenilir bir şekilde tekrarlanabilir ve endüstriyel ve askeri kullanım için uygun olacak şekilde geliştirmek istiyorlar.

Pfefferle’nin laboratuvarı yaklaşık beş yıldır Dünya ve Gezegen Bilimleri departmanıyla birlikte çalışıyor. Kline Jeoloji Laboratuarı’nda, numuneye her yönden aşırı basınç uygulayan Kawai çoklu örs presinden iyi bir şekilde yararlanıldı. Aşırı basınç seviyelerini tartışırken, araştırmacılar her seviyeyi Dünya’nın çekirdeğine yakınlığına göre tanımlama eğilimindeler.

Nevskaya, “Dünya yüzeyinde bu yüksek basınçlara ulaşan pek bir şey yok” diye açıklıyor. “Bu makineyi bu yüzden yaptılar. Makinenin tarihi süperiletkenlik değil, jeolojidir. Makinenin amacı daha düşük manto koşullarına, hatta daha da ötesine ulaşmaktır. Okyanuslar hakkında çok şey biliyoruz. Uzay hakkında çok şey biliyoruz; aslında uzay hakkında, ayaklarımızın altında gerçekte olup bitenlerden daha fazlasını biliyoruz.”

Mukhopadhyay, süperiletkenlik ve aşırı basınçların etkileri hakkında daha fazla şey öğrenildikçe, malzeme bilimcileri ve jeologların daha fazla ne öğrenebileceklerini görmek için giderek daha fazla ekip oluşturduklarını belirtiyor.

“Manzara önemli ölçüde değişti çünkü insanların mineral fiziği veya yüksek basınçlı kaya çalışmaları ile malzeme bilimi arasında çok fazla örtüşme olduğunun farkına vardığını düşünüyorum” dedi.