Bilim insanları süperiletkenliğin “hayaletini” keşfetti: Durum kaybolduktan sonra da hayatta kalan kuantum izi.

İlinois Üniversitesi Urbana-Champaign kampüsünde çalışan fizikçiler, süperiletkenliğin kalıcı durumundan sonra bile varlığını sürdüren bir “hayalet” davranışının kanıtlarını buldu. Uranium ditelluride (UTe₂) adı verilen malzeme üzerinde yapılan deneylerde, Cooper çiftleri olarak bilinen elektronların tekrarlayan bir desen oluşturarak süperiletkenlik geçişinden sonra da hayatta kaldığı gözlemlendi ve bu durumun ilk doğrudan kanıtı sunuldu. Araştırmacılar, süperiletkenliğin sıfır ya da tüm olma zorunda olmadığına dair yeni bir görüşü destekleyen bulgularını PNAS adlı bilimsel dergide yayınladı.

Süperiletkenlik, malzemenin kritik sıcaklığının altına soğutulmasıyla ortaya çıkan ve elektronların çiftler halinde elektrik direnci olmadan akmasına olanak tanıyan bir kuantum durumudur. Malzeme tekrar ısıtıldığında bu kolektif durumun kaybolması beklenirken, Illinois ekibi UTe₂ üzerinde süperiletken davranışın bir kısmının ana faz kaybolduktan sonra da sürdüğüne dair bulgular elde etti.

Gizli durumun izini sürmek

Fiziğe göre konvansiyonel süperiletkenlerde elektronlar Cooper çiftleri oluşturur ve bu çiftler tek bir kolektif kuantum durumunda birleşir. Konvansiyonel olmayan süperiletkenler ise farklı davranabilir ve yük yoğunluğu dalgaları (CDW) gibi ek elektronik fazları barındırabilir; CDW’lerde malzeme boyunca elektrik yükü periyodik olarak değişir. PDW’ler de benzer biçimde uzaysal bir desen oluşturur, ancak bu durumda modüle edilen miktar Cooper çiftlerinin yoğunluğudur.

Bu fikir 2007 yılında öne sürüldü ve eşleşmiş elektronların süperiletkenlik geçişinden sonra da var olabileceğine dair dikkat çekici bir olasılığı içeriyordu. Ancak durumun doğrulanması zorlaştı.

“İlk kez bunu öne sürdüğümüzde oldukça iddialı bir adım attık. Çok tuhaf bir durum bu ve deneyden gelen ipuçları olsa da, fazın varlığına dair doğrudan bir doğrulama yoktu.”

Eduardo Fradikin, UIUC Fizik Profesörü

Konvansiyonel olmayan süperiletkenlerdeki bu gizli fazı analiz etmek zor oldu.

“PDW’ler gerçek malzemelerde analiz etmesi zor, çünkü bazı deneylerde konvansiyonel süperiletken gibi, diğerinde ise CDW gibi davranıyor.”

Julian May-Mann, çalışmanın yazarlarından ve UIUC mezunu eski lisansüstü öğrenci

Daha iyi kristaller sinyali ortaya çıkarır

Uranium ditelluride (UTe₂), araştırmacılar için alışılmadık bir araştırma alanı sundu. Bir zamanlar sıradan bir metal olarak kabul edilen malzeme, 2019 yılında yaklaşık 2 kelvinin altında süperiletken hale geldiği keşfedildi. Aynı zamanda, eşleşmiş elektronları manyetik moment taşıyabilen konvansiyonel olmayan triplet-pair (üçlü çift) süperiletken adaylarından biri olarak geniş çapta değerlendiriliyor.

Araştırmacılar daha önce malzemenin yüzeyinde taramalı tünelleme mikroskobu kullanarak CDW tespit etmişti, ancak manyetik alanların bu dalgaları yok edebilmesi işleri örtüşmüyordu. Normal bir CDW, manyetik alana bu kadar güçlü tepki vermemeliydi; bu durum araştırmacıları PDW’nin onun yanında gizli kaldığını düşünmeye yönlendirdi.

Bu sinyali yakalamak için önce daha temiz UTe₂ kristallerine ihtiyaç vardı, çünkü PDW’ler son derece hassastır ve safsızlıklar onların imzalarını örtebilir. Bu nedenle araştırmacılar yeni bir erimiş-fluks (molten-flux) büyüme yöntemi kullanarak daha yüksek kaliteli örnekler üretti.

“Daha yüksek kaliteli örnekler büyütmek için geliştirilen yeni yöntemler sayesinde, spektral imzaları sıcaklığa ve manyetik alana PDW’lerin yapması gerektiği şekilde tepki vererek gözlemleyebildik.”

Vidya Madhavan, çalışmanın önder isimlerinden ve UIUC Fizik Profesörü

Araştırmacılar kristalleri vektörel manyetik alan taramalı tünelleme mikroskobu ile inceledi. Konvansiyonel bir düzeneğin aksine, alet hem manyetik alanın gücünü hem de yönünü değiştirebiliyordu; bu önemliydi çünkü UTe₂ izotropiktir, yani özellikleri güçlü biçimde yöne bağlıdır.

Ölçümler, süperiletken kritik sıcaklığın üzerinde hayatta kalan modları da içeren ve tepkileri sıcaklık ile manyetik alana PDW için teorik beklentilerle uyumlu olan elektronik modlar ortaya çıkardı.

“Modların süperiletkenliğin ortadan kalktığı sıcaklığın üzerinde de sürdüğünü bile gösterdik; bu, şimdiye kadar ikna edici biçimde gözlemlenmemiş klasik bir teorik tahmin.”

Vidya Madhavan

Araştırmacılar ayrıca yalnızca CDW’ye dayalı açıklamanın, elektronik fazların sıcaklık ve manyetik alana nasıl tepki vermesi gerektiğini düzenleyen yerleşik ilkelerle çeliştiğini buldu. PDW yorumu ise gözlemleri daha tutarlı biçimde açıklıyordu.

Bir ipucu, ancak nihai cevap değil

Sonuç, Cooper eşleşmesinin malzeme tam süperiletken durumunu geliştirmeden önce başlayabileceğini öne sürerek fizikçilerin konvansiyonel olmayan süperiletkenlere bakışını yeniden şekillendirebilir. Bu, araştırmacıların bazı konvansiyonel olmayan malzemelerin neden karmaşık fazlar geliştirdiğini anlamalarına yardımcı olabilir ve potansiyel olarak yeni süperiletken durumlarının aramasına yön verebilir.

“Yoğunluk dalgaları süperiletkenliğin Cheshire Kedisinin gülümsemesidir. Fazın kendisi ortadan kalktıktan sonra geride kalan izdir. Konvansiyonel süperiletkenlerde Cooper çiftleri tam faz geçişinde oluşur, ancak bu sistemde geçiş noktasının üzerinde PDW’ler içinde gözlemlenmeleri, onların farklı bir durumda önceden oluşturulduğunu gösteriyor.”

Eduardo Fradikin

Ancak önemli bir sınırlama da var. Taramalı tünelleme mikroskobu malzemenin yüzeyini incelediği için araştırmacılar aynı PDW’nin malzemenin iç kısmında da var olduğunu henüz kanıtlayamıyor.

Sonraki zorluk, gizli durumun UTe₂’nin kütlesine (bulk) doğru uzanıp uzanmadığını belirlemek ve doğasını daha sağlam biçimde ortaya koymaktır. Çalışma PNAS dergisinde yayınlandı.