Fransa ve Japonya’daki araştırmacılar, Physical Review Letters dergisinde yayınlanan bir araştırmaya göre; uranyum bazlı bir malzemede geleneksel olmayan yeni bir tür süperiletkenlik formu olduğunu gösterdiler.
Ekip, çok yüksek basınç ve manyetik bir alan kullanarak, uranyum bazlı malzeme UBe13‘ün “üçlü süperiletkenlik” davranışı sergilediğini gösterdi.
Ağır Fermiyonlardan Dans Eden Bozonlara Doğru Gizemli Dönüşüm
Tohoku Üniversitesi’nden malzeme bilimcisi Yusei Shimizu, “Bugüne kadar, geçtiğimiz yüzyıl boyunca çeşitli metalik sistemlerde birkaç süperiletken keşfedilmesine rağmen, üçlü süperiletkenlik örnekleri çok az olmuştur” diyor. “Düşük sıcaklıklardaki basınç deneylerimiz UBe13‘teki spin — triplet süperiletkenliği için güçlü kanıtlar sağladı.”
Genellikle düşük sıcaklıklarda süperiletken hale gelen malzemeler, elektriğin neredeyse hiç dirençle kaşılaşmadan geçmesine izin verir ve bu da elektriksel işlemdeki enerji kaybını en aza indirir.
Başlangıçta bazı saf metallerde keşfedilen bu fenomen, şaşırtıcı biçimde bir çok farklı sistemde bulundu. Bunlar arasında UBe13, en erken keşfedilen ‘ağır — fermiyon’ süperiletkenlerinden biriydi. Ağır — fermiyon metalik bileşiklerindeki elektronların, normal metallerdeki elektronlardan 1000 kat daha büyük olduğu görülmektedir.
Fiziğin En Büyük Fenomeni
Süperiletkenlik, 1911 yılında Hollandalı fizikçi H. Kamerlingh Onnes (Laiden) tarafından helyumun sıvılaştırılması (1908) ve 4 oK dolaylarında bir sıcaklığa ulaşılması ile keşfedilmiş ve fizikte yepyeni bir araştırma konusunun ortaya çıkmasına neden olmuştur. Onnes, kurşun (Pb), civa (Hg), kalay (Sn) ve aluminyum (Al) gibi metallerin elektriksel dirençlerinin, her metalin kendine özgü sahip olduğu bir kritik sıcaklığın (Tc) altında (birkaç Kelvin civarı) tamamen ortadan kalktığını keşfetmiştir. Yaklaşık 20 yıl sonra, (1933), Meissner ve Ochsenfeld, süperiletkenlerin mükemmel iletken olmalarının yanında aynı zamanda mükemmel diamagnetik özellik gösterdiğini de keşfettiler (Meissner Effect).
Bednorz ve Müller, La5-xBaxCu5O5(3-z) oksit bileşiğin 30 oK sıcaklığın üzerinde süperiletken olduğunu gözlemlediler. Bundan bir kaç ay sonra da 92 oK kritik sıcaklığında süperiletken olan YBa2Cu3O7-x (YBCO) bulundu. Artık sıvı azot sıcaklığı olan 77 oK’de süperiletkenlik gerçekleşmişti. Bu sıcaklık değeri, araştırmacılara, daha yüksek sıcaklıklarda süperiletken olabilen yeni bileşiklerin keşfedilmesi konusunda olağanüstü katkılar ve çalışma olanağı sunmuştur.
Soğuk Duvarın Ötesi
Ancak aydınlatılamamış çok fazla şey var. Her şeyden önce bu durumun tam olarak nasıl gerçekleştiği halen bir gizem. 1957’de 3 büyük fizikçi John Bardeen, Leon Cooper ve John Robert Schrieffer bir araya gelerek süperiletkenliğin mikroskobik doğasını matematikselleştirdiler ve 1972 yılında Nobel fizik ödülü aldılar. Ancak sonradan ortaya çıkan farklı tüpte süperiletkenleri açıklamada bu teori başarısız oldu.
Bu sırada yeni süperiletken malzemeler bulundukça bu malzemelerle elektronik aygıtlar yapma isteği de hızla yükseldi.
1962 yılında Brian Josephson modern elektroniğin temellerinden olan tünelleme olaylarının süperiletkenler için de var olabileceğini gösterdi. O günde dek yaygın olan görüş, Cooper çiftlerinin ince yalıtkan tabaka boyunca yaptığı tünellemenin ölçülebilecek derecede olmadığı yönündeydi. Bunun nedeni elektronun tünellemesinde meydana gelen değişimin bile çok küçük olurken, Cooper çiftinde ise bu etkinin -gözlenemeyecek kadar- çok daha küçük olduğudur. Josephson bu olasılığın normal elektron tünellemesinden farksız olduğunu gösterdi ve Josephson eklemini (Josephson Junction) keşfetti.
Josephson ekleminin insanı hayrete düşüren doğası, çok ama çok küçük enerjilerle bugüne dek hayal bile edemediğimiz yüksek performanslara çıkmanın mümkün olabileceğini gösterdi.
Eklemin elektriksel direnç olmadan taşıyabileceği maksimum akım değeri (Kritik akım) aşıldığında, eklemde olağanüstü hızlarda salınımlar olduğu gözlemlendi. Bu yaklaşık 1V gibi bir voltaj için 500.000 GHz civarında.
Bugünün kuantum bilgisayarları işte bu Josephson eklemleri ile yapılmaktalar.
Büyük gizemi çözme yolunda bir engel daha ortadan kalktı
Bu yeni kavrayışla birlikte bilim insanları, şimdi esrarengiz uranyum malzemesi UBe13‘te atom ölçeğinde ne olduğunu ve manyetik alanlardaki spin — triplet etkileşimlerinin süperiletkenliği nasıl ortaya çıkarabildiğini açıklamayabileceklerini umuyorlar.
Fransa’daki Université Grenoble Alpes ve Japonya’daki Tohoku Üniversitesi’nden bir ekip UBe13‘ün süperiletkenliğini çok düşük sıcaklıklarda ve değişen farklı yüksek basınçlar altında ölçtü. Bu malzemedeki süperiletken halin, soğudukça yoğunlaşan elektronların birer fonon ile etkileşime girerek paralel spinli şekilde çiftlendiği ve teorik olarak Cooper çiftleri olarak açıklanan eşleşme durumuna mükemmel uyduğu açıklandı.
Bu durum 6 Giga pascal’a kadar çıkan yüksek ortam basınçlarında, beklenmeyen bir temel süperiletkenlik durumu olarak gözlemlendi. Bir karşılaştırma yapabilmek adına örnek vermek gerekirse yüksek enerjili lazerler kullanılarak elmas 1,5 Giga pascal’da eritilmektedir.
Deneyler sırasında elde edilen bu süperiletkenlik durumuna ait veriler; yüksek manyetik alanlar altındaki uranyum tabanlı üçlü süperiletkenlerin çok şaşırtıcı doğasını başarıyla açıklamaktadır.
Majorana Fermiyonları
Süperiletkenler şu an için hala gerçek hayat uygulamalarında yaygın olarak kullanılabilmek adına çok düşük sıcaklıklara ihtiyaç duymaktadırlar. Bu nedenle onları şimdilik yalnızca manyetik görüntüleme cihazlarında (MRI, NDE ve benzeri manyetometre ve gradiyometre cihazları gibi) ve parçacık hızlandırıcı gibi sistemlerde kullanmaktayız. Ayrıca zorlu uzay maceralarımız sırasında, derin uzayın soğuk köşelerinde bir dış soğutma sistemi gerekmeden (ya da yalnızca kontrol amaçlı olacak kadar) kullanabilmek için planlar yapıyoruz.
Çalışma, süperiletkenliğin henüz tam olarak anlaşılamamış olan doğasını aydınlatmak ve atomik ölçekte elektriğin nasıl olup da dirençle karşılaşmadan, zarif bir kuantum uyum içinde akabildiğini anlamak adına önemli bir adım. Bu, bizi daha geniş uygulamalara götürebilir.
Üçlü süperiletkenliği göstermeye ek olarak, ekip UBe13‘ün daha genel soruları cevaplamaya yardımcı olabileceğini belirtti.
Örneğin, UBe13‘ün yüzey uyarılmaları, fizikçilerin; aynı zamanda kendi anti parçacığına eşit ve gelecekteki kuantum bilgisayar teknolojilerinde devrim yaratabilecek egzotik bir kompozit parçacık türü olan, teorik Majorana fermiyonlarını gözlemlemek için uygun olabilir.
Çalışmanın orijinaline aşağıdaki bağlantıdan ulaşabilirsiniz.
Yusei Shimizu, Daniel Braithwaite, Dai Aoki, Bernard Salce, Jean-Pascal Brison. Spin-Triplet p-Wave Superconductivity Revealed under High Pressure in UBe13. Physical Review Letters, 2019; 122 (6) DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.067001
