Bilim adamları, uranyum ditellürid kristallerindeki olağandışı yük dalgalarını gözlemleyerek süperiletkenliğin anlaşılmasına önemli bir katkıda bulundular.
‘Her şey için bir yer ve her şey yerli yerinde’—düzeni veya düzensizliği anlamlandırmak, doğayı anlamamıza yardımcı olur. Hayvanlar, kategorilere güzel bir şekilde uyma eğilimindedir: Memeliler, kuşlar, sürüngenler, aksolotl her ne ise ve daha fazlası. Sıralama aynı zamanda malzemeler için de geçerlidir: Yalıtkan, yarı iletken, iletken ve hatta süper iletken. Bir malzemenin hiyerarşide tam olarak nerede bulunduğu, elektronların, atomların ve çevrelerinin görünüşte görünmez etkileşimlerine bağlıdır.
Çevrenin Malzeme Özellikleri Üzerindeki Etkisi
Bununla birlikte, hayvan sınıflandırmasının aksine, sınırlar malzeme kategorileri arasında daha az belirgindir. Bir malzemenin ortamını değiştirmek, onu kategoriler arasında geçiş yapmaya sevk edebilir. Örneğin, sıcaklığın düşürülmesi bazı malzemeleri süper iletkenlere dönüştürebilirken, bir manyetik alan getirmek bu etkiyi tersine çevirebilir. Tek bir kategori içinde bile farklı türde düzen veya aşamalar ortaya çıkabilir. Nanoskopik ölçekteki bu değişiklikler çıplak gözle görülemese de, bilim adamları neler olduğunu görselleştirmek için gelişmiş görüntüleme araçlarını kullanıyor. Nadiren beklenmedik ve şaşırtıcı davranışlarla karşılaşırlar.
“Maddenin yeni aşamalarının keşfi, fizikteki kutsal kâselerden biridir ve düşünme ve görme şeklimizi değiştirebileceği için genellikle çok fazla heyecan yaratır ve fizik profesörü Vidya Madhavan, “Uranyum Ditelluride Kristallerinde Olağandışı Dalgalar
Illinois Üniversitesi’nden araştırmacılar, Madhavan tarafından yönetilen,” dedi. Maryland, WashU ve Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü, bir uranyum ditelluride (UTe2) kristalinde olağandışı yük dalgaları gördüler. Ekipteki teorisyenler, deneysel gözlemleri kristalin olağandışı süperiletkenliğinin daha önce görülmemiş bir yönüne bağlayan bir model geliştirdi. Başlangıçta geçen yıl bir konferansta paylaşılan bulgular, Cornell Üniversitesi’ndeki diğer araştırmacılara süperiletkenliğin tamamlayıcı özelliklerini doğrudan ölçmeleri için ilham verdi. Her iki sonuç da Nature dergisinin 28 Haziran sayısında yayınlandı.
Süper iletkenler yalnızca 1900’lerde keşfedildi ve bilim adamları hâlâ bu kategoriye giren sayısız malzemeyi açıklamaya çalışıyor. Bu çalışma, süper iletken UTe2 ile ilgili bir dizi sonucun en sonuncusudur. NIST’teki Nicholas Butch ve Maryland Üniversitesi’ndeki Johnpierre Paglione gruplarından araştırmacılar bu çalışma için kristalleri sağladı. Ortam sıcaklıklarında, UTe2 oldukça önemsizdir ve bir parça parlak, erimiş kayaya benzer. Malzeme sıvı helyumla soğutulduğu için ısınmadan elektriği iletmeye başlar; buna süperiletkenlik denir.
Süperiletkenlik ve Cooper Çiftleri
Düzenli iletkenlik, aletlere güç sağlayan elektronların hareketi, esas olarak tek parçacık etkisidir. Bu, bilim adamlarının tipik iletkenliği büyük ölçüde elektron-elektron etkileşimlerinin fiziğini hesaba katmadan açıklayabileceği ve tahmin edebileceği anlamına gelir. Süperiletkenlik oldukça farklıdır çünkü elektronların Cooper çiftleri olarak adlandırılan şeyi oluşturmak üzere etkileşime girmesini içerir.
Bu etkileşim, malzemeler arasında farklılık gösterir ve farklı süperiletkenlik “tatları” ile sonuçlanır.
UTe2’de Üçlü Eşleşme Kanıtı
Örneğin, her elektronun spin adı verilen ve iki yoldan biriyle yönlendirilebilen bir özelliği vardır: yukarı veya aşağı. İki elektron birbirine bağlandığında, spinleri zıt yönlerde veya aynı yönde olabilir. Bu ikincisine üçlü eşleştirme denir ve süperiletkenlik dünyasında nadir bulunan bir kuştur. Son birkaç yılda, diğer grupların yanı sıra bu işbirliğindeki bilim adamları, UTe2’nin üçlü eşleşmeye sahip olduğunu gösteren ölçümler yaptılar.
Bu çalışmada, Madhavan’ın grubundan deneyciler, taramalı tünelleme mikroskobu (STM) kullandılar. malzemenin mikroskobik yapısını görselleştirir. Bu mikroskopta mercek veya ayna yoktur. Bunun yerine elektronlar, UTe2’nin yapısına hassas bir pencere sağlar. Mikroskopta, bir tungsten ucu nanometre altı çözünürlükle malzemenin yüzeyi boyunca süpürür. Hem uç hem de malzeme, elektronların uçtan malzemeye vakum yoluyla ilerlediği bir elektrik devresinin parçasıdır. Kuantum tünelleme bu harekete neden olur ve cihazın adını buradan alır. Kurulum 300 milikelvinde ve yaklaşık 11 Tesla’ya kadar manyetik alanlarda çalışır. STM, elektrik yükü dağılımının tek biçimli olmadığını, bunun yerine şeritler olduğunu ortaya çıkardı.
“Süper iletken durumda bir yük yoğunluk dalgasının varlığını keşfettik, ancak bu kendi başına olağandışı değildir. Tuhaf olan, süperiletkenliği yok etmenin aynı zamanda yük dalgasını da ortadan kaldırmasıdır,” dedi Anuva Aishwarya, baş yazar ve Madhavan’ın grubunda UTe2 ve diğer egzotik malzemelerin amansızca fiziğini kovalayan fizik lisansüstü öğrencisi.
{ 9}Fourier Analizi ve Etkileri
Verilerin Fourier analizi, yük yoğunluğu dalgalarının düşük manyetik alanlarda mevcut olduğunu ve süperiletkenliğin dağıldığı 10 Tesla’nın üzerinde kaybolduğunu gösterdi. Bu, dalgaların bir şekilde malzemenin süperiletkenliğiyle bağlantılı olduğunun önemli bir göstergesiydi.
Teorisyenler Julian May-Mann ve UIUC’den fizik profesörü Eduardo Fradkin, bu gözlemler için bir açıklama sağladı. Ekibe göre, yük yoğunluğu dalgaları, malzemede Cooper çiftlerinden oluşan tamamen farklı bir dalga tarafından üretiliyor. Bu dalgaların hiçbiri su gibi alçalıp akmaz. Bunun yerine, iki farklı özelliğin statik varyasyonlarıdır – biri yüke, diğeri etkileşen elektron çiftlerine ilişkindir. Birlikte dalgalar, UTe2’de meydana gelen düzen türleri hakkında bilgi sağlar. İç içe geçmiş ebeveyn-kız dalgaları, bakır ve oksijen atomları içeren diğer süper iletkenlerde de görünebilir. Bu yeni çalışma, bilim adamlarının üçlü çiftli bir süper iletkende bunun kanıtını ilk kez görmeleridir.
“Bu benim için çok heyecan verici. Bu yük yoğunluğu dalgası, bir üçlü çift yoğunluk dalgasından kaynaklanıyorsa, çok güçlü elektron etkileşimleri nedeniyle bu malzemede temelde yeni bir faz ortaya çıkmış olabilir,” dedi Aishwarya.
Referanslar:
“Manyetik alana duyarlı yük yoğunluğu dalgaları in the superconductor UTe2”, yazan Anuva Aishwarya, Julian May-Mann, Arjun Raghavan, Laimei Nie, Marisa Romanelli, Sheng Ran, Shanta R. Saha, Johnpierre Paglione, Nicholas P. Butch , Eduardo Fradkin ve Vidya Madhavan, 28 Haziran 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06005-8
“Yaygın çift yoğunluk dalgaları, süperiletken aramayı tetikliyor: Periyodik dalgalar değişen elektron yoğunluğu, bazı malzemelerin direnç olmadan elektriği iletme kabiliyetine bağlıdır. Dört çalışma, bu tür dalgaların beklenenden daha fazla malzemede ortaya çıkabileceğini ortaya koyuyor”, yazan Hui Chen ve Hong-Jun Gao, 28 Haziran 2023, Nature.
DOI: 10.1038/d41586-023-01996-w{ 4}