Bilim İnsanları Tarafından Tanımlanan Yeni Süperiletken Türü
Fotoğraf: Malzeme 1,4 kelvinde, kendi süperiletken geçişi boyunca soğurken, rezonans ultrason spektroskopisi üzerinden gönderilen çeşitli ses dalgalarına yanıt veren stronsiyum rutenatın bir kristal örgüsünü gösterir. Vurgulanan deformasyon materyalin yeni bir tip süper iletken olabileceğini düşündürmektedir.
Bugüne kadar, süper iletken malzemeler iki tür olarak tanımlanmıştır: s-dalgası ve d-dalgası. Şimdi ise, Cornell araştırmacıları — Brad Ramshaw, Sanat ve Bilim Bölümünde Dick&Dale Reis Johnnson Yardımcı Doçent liderliğinde — olası bir üçüncü tip keşfettiler: g-dalgası
“Sr2RuO4‘ta İki Bileşenli Süperiletken Düzen Katsayısı İçin Termodinamik Kanıt” başlıklı makaleleri Nature Physics dergisinde, 21 Eylül 2020’de yayınlandı. Baş yazar, doktora öğrencisi Sayak Ghosh’tur.
Süperiletkenlerdeki elektronlar, Cooper çiftleri olarak bilinen şekilde birlikte hareket ederler. Bu “eşleşme” superiletkenlere en ünlü özelliğini sağlar–elektrik direnci yok– çünkü, direnç oluşturmak için, Cooper çiftlerinin parçalanması gerekir, ve bu enerji gerektirir.
S-dalgası süperiletkenlerde – genellikle kurşun, kalay ve civa gibi geleneksel maddeler- Cooper çiftleri, net açısal momentum olmadan, her ikisi de birbirlerine doğru hareket eden, yukarıyı gösteren bir elektron ve aşağıyı gösteren bir elektrondan oluşur. Son yıllarda, yeni bir egzotik malzeme sınıfı, Cooper çiftlerinin iki kuanta açısal momentuma sahip olduğu, d-dalgası süperiletkenliği olarak adlandırılan şeyi sergiledi.
Fizikçiler, sözde bu iki “singlet” durumu arasında üçüncü bir süperiletken türünün varlığını kuramladılar: bir p-dalgası süperiletken, bir kuanta açısal momentumlu, ve elektron çiftleri antiparalel spinler yerine paralel spinli. Bu spin-üçlü süperiletken, kuantum hesaplama için büyük bir atılım olacaktır, çünkü kendi karşı parçacığı olan yegane parçacık olan Majorana fermiyonlarını oluşturmak için kullanılabilir.
20 yıldan fazla bir süredir, bir p-dalgası süperiletkeni için önde gelen adaylardan biri stronsiyum rutenat (Sr2RuO4) olmuştur, ancak son araştırmalar bu düşüncede oyuklar açmaya başlamıştır.
Ramshaw ve ekibi, stronsiyum rutenatın son derece arzu edilen bir p-dalgası süperiletkeni olup olmadığını kesin olarak belirlemek için yola çıktı. Yüksek çözünürlüklü rezonans ultrason spektroskopisi kullanarak, malzemenin potansiyel olarak tamamen yeni bir süperiletken türü olduğunu keşfettiler: g-dalgası.
Ramshaw, “Bu deney gerçekten daha önce hiç düşünmediğimiz bu yeni tip süperiletken olasılığını gösteriyor” dedi. “Bir süper iletkenin ne olabileceği ve kendini nasıl gösterebileceği konusunda gerçekten olasılıklar alanını açıyor. Süper iletkenleri kontrol etme ve bunları, yarı iletkenler ile sahip olduğumuz hassas ayarlı kontrol türüyle teknolojide kullanma ile başedeceksek, bunların nasıl çalıştıklarını ve hangi çeşitlilikleri ve tadları içerdiklerini gerçekten bilmek istiyoruz.”
Önceki projelerde olduğu gibi, Ramshaw ve Ghosh, Almanya’daki Max Planck Katıların Kimyasal Fiziği Enstitüsü’nde ekip arkadaşları tarafından olgunlaştırılmış ve hassas bir şekilde kesilmiş bir stronsiyum rutenat kristalindeki süperiletkenliğin simetri özelliklerini incelemek için rezonans ultrason spektroskopisi kullandı.
Ancak, önceki girişimlerin aksine, Ramshaw ve Ghosh deneyi yürütmeye çalışırken önemli bir sorunla karşılaştılar.
Ghosh, “Rezonans ultrasonu 1 kelvin’e (-457 0F= -271,60C) soğutmak zor ve bunu başarmak için tamamen yeni bir cihaz yapmamız gerekiyordu” dedi.
Cornell ekibi yeni tasarımlarıyla, malzeme 1.4 kelvinde (-457 0F= -271,60C) süperiletkenlik geçişi boyunca soğurken, kristal’in esneklik sabitlerinin — esasen malzemedeki sesin hızı— çeşitli ses dalgalarına tepkisini ölçtü.
Ramshaw, “Bu, şimdiye kadar bu düşük sıcaklıklarda alınmış, açık ara en yüksek kesinlikte rezonans ultrason spektroskopi verileridir” dedi.
Verilere dayanarak, stronsiyum rutenatın, iki bileşenli bir süperiletken olarak adlandırılan şey olduğunu belirlediler, yani elektronların birbirine bağlanma şekli çok karmaşıktır, tek bir sayı ile tanımlanamaz; onun aynı zamanda bir yöne ihtiyacı vardır.
Önceki çalışmalarda, stronsiyum rutenatın ne tür bir dalga materyali olabileceği konusunda olasılıkları daraltmak için nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi kullanılmış ve p-dalgası bir seçenek olarak etkin bir şekilde ortadan kaldırılmıştı.
Malzemenin iki bileşenli olduğunu belirlemekle, Ramshaw’ın ekibi, yalnızca bu bulguları doğrulamakla kalmadı, aynı zamanda stronsiyum rutenatın geleneksel bir s-veya d-dalga süperiletkeni olmadığını da gösterdi.
Ramshaw, “Rezonant ultrason gerçekten içeri girmenize izin veriyor ve tüm mikroskobik ayrıntıları tanımlayamasanız bile, hangilerinin göz ardı edildiğine dair geniş açıklamalar yapabilirsiniz” dedi. “O halde, deneylerin tutarlı olduğu tek şey, daha önce kimsenin görmediği bu çok, ama çok garip şeylerdir. Bunlardan biri g dalgasıdır, bu da açısal momentum 4 anlamına gelir. Hiç kimse bir g dalgası süperiletkeninin olacağını dahi düşünmemişti. ”
Artık araştırmacılar, bu tekniği, potansiyel p dalgası adayları olup olmadıklarını bulmak için diğer materyalleri incelemede kullanabilirler.
Ancak, stronsiyum rutenat üzerindeki çalışma henüz bitmedi.
Ramshaw, “Bu materyal, yalnızca süper iletkenliği için değil, birçok farklı durumda son derece iyi incelenmiştir” dedi. “Ne tür bir metal olduğunu, neden bir metal olduğunu, sıcaklığı değiştirdiğinizde nasıl davrandığını, manyetik alanı değiştirdiğinizde nasıl davrandığını anlıyoruz. Öyleyse, neden burada başka herhangi bir yerden daha iyi bir süperiletken halini aldığına dair bir teori inşa edebilmelisiniz.”
Kaynak: scitechdaily.com