Güncel Teorilerin Açıklayamadığı Tuhaf Bir Süperiletken

Düşük sıcaklıkta stronsiyum titanat (SrTiO3) herhangi bir direnç olmaksızın elektriği iletebiliyor. Stronsiyum titanatın metal olmayışı ve elektriği iletmeyi başarabilmesi uzun süredir bir merak konusuydu. Şimdi fizikçiler bu durumun neden süperiletken maddeler hakkındaki güncel teorilere karşı çıktığına dair ilk ipuçları edindi ve bu keşif elektronik biliminde bir devrimin temelini atabilir.

Birleşmiş Devletler Enerji Bakanlığı’nın SLAC (Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi) Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ve Stanford Üniversitesi tarafından yönetilen yeni araştırmalar, stronsiyum titanatın süper iletken metallere göre tuhaf bir şekilde davrandığını keşfetti. Ne gariptir ki bu, neden kendi başına bir süperiletken olduğunu açıklamaya yardımcı olmaktadır.

Stanford Üniversitesi öğretim üyesi Harold Hwang durumu “Bu, her şeyin altüst olduğu bir sistemdir” şeklinde durumu ifade etmektedir. Bu kristal yapıdaki maddenin karmaşık doğasını anlamak için, geriye dönüp bir maddeyi geleneksel olarak neredeyse sıfır çaba ile elektriği iletmesini sağlayan şeyi göz önünde bulundurmamız gerekir. Elektronun A noktasından B noktasına hareket edebilmesi için, iki farklı voltajın çekimine maruz kalan yoğun bir atom kalabalığından geçmek zorundadır. Eğer atomları dondurursanız, çoğu madde birbirini itecek enerjiyi gerektiren elektron bulutunu belli bir kuvvetle çekmeye devam edecektir.

Süperiletkenler ise farklıdır. Yeteri kadar düşük sıcaklıkta, atomların diziliş doğası onlara elektronlarının Cooper çiftleri olarak bilinen olayda birbirleriyle takım oluşturmaları için kendi genel itmelerinin üstesinden gelecek şekilde titreşmelerine olanak sağlar. Çift olarak, iki elektron aynı kuantum durumunu paylaşır. Bu, elektronlara etrafındakileri çaba sarf etmeden atlamasını sağlayan atom ormanı boyunca en kolay patikayı bulmalarına yardım eden ortak bir amacı olan bağlantıdır.

Elektronlarıyla serbest ve hızlı hareket etme becerisi sayesinde metaller, süperiletken maddeler kitlesini oluşturur. Hatta, 1911’deki keşfedilişlerinin ardından birkaç on yıl boyunca bilinen ametal süperiletkenler bulunmamaktaydı. Stronsiyum titanat bunu değiştirdi. 1960’larda bu tuhaf oksit tüm göstergeler doğrultusunda sahip olmaması gerekirken süper iletken özelliklere sahip olduğu keşfedildi.

Konu hakkında, Stanford Materyal ve Enerji Bilimi Enstitüsü öğretim üyesi baş yazar Adrian Swartz “Bu madde, alışılmadık süperiletkenler dediğimiz birçok maddeden biridir çünkü onlar güncel teoriler tarafından açıklanamaz” demektedir.

Bu olağanüstü davranışını inceleyerek, daha yüksek sıcaklıkta çalışanları kapsayan bu alışılmadık maddelerde süperiletkenliğe neden olan bileşenlere ilişkin öngörü kazanmayı umuyoruz.

Sıcaklığı düşürmede enerji harcama ihtiyacı olmaksızın dirençsiz elektrik üretebilme elektronik biliminde çok büyük bir teşvik sağlayabilir.

Stronsiyum titanatın tam olarak nasıl işlediğini daha iyi anlayabilmek için araştırmacılar, atomlarının davranışlarını tünelleme spektroskopisi kullanarak analiz etti. İnceleme, açığı kapatmak için teknoloji ve araştırma isteyen süreçler gerektiriyordu. Hwang konu hakkındaki görüşlerini “Bu deneyi yapma arzusu on yıllardır bulunmaktaydı ama bu teknik bir meydan okuma olmuştur” diyerek belirtmektedir.

Süperiletken metaller zayıf hareket eden atomlara, çok sayıda eşleşen ve titreşen kalabalığın üzerinden kayıp geçten elektronlara sahipken, stronsiyum titanat bunun tam tersidir. Bu kadar çok serbest elektrona sahip olmayabilir ama atom örgüsü çok daha güçlü titreşime sahiptir ve sonuç olarak süperiletken teorisiyle kusursuz bir biçimde uyuşmaktadır.

Hwang “Bu yüzden, stronsiyum titanat bazı açılardan alışılmış olan gibi davranan, alışılmadık süperiletken olarak görünür” demiştir.

Son zamanlarda grafen, ametal süperiletkenleri araştıran fizikçilerin dikkatini cezbeden, merak uyandıran bir madde olmuştur. Görünen o ki, bu heyecan verici alanda daha fazla araştırma için oldukça fazla yer var. Oyundaki tünelleme spektroskopisi teknolojisiyle, ekip stronsiyum titanatın sıradışı özelliklerini daha yakından incelemeye günün birinde yeni bir tür iletkenliğe neden olabilmesi umuduyla devam etmeyi planlıyor.

Bu araştırma PNAS’te (ABD Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri) yayımlanmıştır.

Çeviri: Didem Solmaz


Referanslar

1.ScienceAlert, "This Strange Superconducting Material Can't Be Explained by Current Theories"
<https://www.sciencealert.com/strontium-titanate-non-metal-superconducting-material-unusual-properties-explained>
Kapak Görseli: ViktorCap/iStock