Bilim insanları süperiletkenlerde hız sınırını aşıyor, metalleri bir arada tutan Cooper çiftlerini inceliyor.

Almanya’daki Max Planck Madde Yapısı ve Dinamiği Enstitüsü, Çin’deki Shanghai Mikrosistem ve Teknoloji Bilimi Enstitüsü, İsviçre’deki ETH Zurich ve İngiltere’deki Oxford Üniversitesi’nden araştırmacıların oluşturduğu bir işbirliği, süperiletken içindeki “hız sınırını” kırarak dolanık hale gelen elektron çiftlerinin—yani Cooper çiftlerinin—kopma sürecini incelemiş ve önemli bir atılım gerçekleştirmiştir.

Süperiletkenler, sıfır elektrik direnciyle elektriği iletme ve belirli bir eşiğin altındaki sıcaklıklara kadar soğutulduğunda manyetik alan yayma özelliğine sahip malzemelerdir.

Bu benzersiz özellikler, sadece bir yüzyıl öncesinde doğrudan bilim kurgudan alınmış gibi görünen parçacık çarpıştırıcıları ve Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRI) gibi tıbbi cihazlar gibi teknolojilerin geliştirilmesini sağlamıştır.

Bu süperiletken durumlarına çeşitli malzemelerde ulaşmada başarılı olsak da, bilim insanları bu sistemlerin ne kadar kırılgan olduğunu iyi bilmektedir. Sıcaklıktaki bir artış veya elektrik akımı ya da manyetik alanlardaki değişiklikler, zemini süperiletken durumundan çıkarmak için bile yeterlidir.

Süperiletkenliği sökmek

Manyetic alanlar ve elektrik akımı ölçülebilir olsa da, yalnızca bir milyarlık saniyede bozulmalara yol açabilmesi nedeniyle ölçülmesi zor olan başka bir sınır daha vardır. Bu kopma eşiğidir; dolanık hale gelen elektron çiftlerinin—ayrıca Cooper çiftleri olarak bilinen—koparılabileceği ve süperiletkenliğin aniden kaybedilebileceği sınıftır.

Kopma eşiğini aşmanın yol açtığı bozulmanın hızlı tempolu olması nedeniyle, bilim insanları bunun aşıldığını incelemek için daha da hızlı olmaları gerekir; çok uluslu araştırmacı ekibi de bu eşik ulaşıldığında meydana gelen hızlı geçişte hız sınırını ihlal etmeye benzeyen, bunu yapmanın yeni bir yolunu bulmuştur.

Çok çeşitli uygulamalarda kullanılan II. tip süperiletkenler aslında fiziksel bir uzlaşımdır. Kırılgan manyetik sınırlara sahip I. tip süperiletkenlerin aksine, II. tip süperiletkenler daha yüksek sınırlara sahiptir; buna ek olarak içerilerindeki kuantum girdapları adı verilen iç manyetik alanlar sayesinde elektrik akımının akması ve aşırı koşullar altında bile süperiletkenliğin korunması sağlanır.

Hız sınırını kırmak

Ekip, yüksek sıcaklıklı süperiletkenlik gösteren iki farklı türde süperiletken malzemeyle çalıştı: niobyum nitrit (NbN) ve itrium-baryum bakır oksit (YBCO) ailesinden bir üye.

Araştırmacılar, NbN’in uygulanan akım bir eşiğe ulaşana kadar süperiletken olarak kaldığını ve ardından ani bir şekilde süperiletkenliğini kaybettiğini buldu. Öte yandan YBCO materiali ise süperiletkenliğini kademeli olarak kaybetmiştir.

Ekip, bu farkı iki malzemenin boşluk simetrilerinden kaynaklandırır; NbN’in enerji boşluğu tüm yönlerde aynıyken, YBCO materialindeki önemli ölçüde değişmektedir ve dolayısıyla tek seferde söndürülemez.

Bu iki malzemenin davranışları arasındaki fark, araştırmacılara süperiletkenliğe dair çok temel bir anlayış kazandırdı; bu da nihayetinde Cooper çiftlerine ve onların kararlılığına indirgenmektedir.

Süperiletken malzemenin geçişinin hız sınırını aşmak, araştırmacılara bu özellikleri gelecekte çalışma ve erişme konusunda yeni yollar sundu.

Araştırma bulguları Nature Physics dergisinde yayımlandı.