Grafitte manyetik alanla güçlenen yeni süperiletkenlik durumu keşfedildi

Yarı iletken, kuantum hesaplama ve enerji iletim teknolojilerinde sıfır dirençli malzemelere yönelik araştırmalar hız kazanırken, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden (MIT) fizikçiler grafit kristallerinde dikkat çekici bir süperiletkenlik davranışı keşfetti. MIT Fizik Bölümü’nden Doç. Dr. Long Ju liderliğindeki uluslararası ekip, basit grafit kristallerinin içinde yer alan rombohedral grafen katmanlarında dört farklı süperiletken faz saptadı. Araştırmacılar, bu fazların bir bölümünün normalde süperiletkenliği bozması beklenen güçlü manyetik alanlar altında bile kararlılığını koruduğunu, bazı koşullarda ise daha da güçlendiğini belirledi.

ROMBOHEDRAL GRAFEN İNCELENDİ
Süperiletken malzemelerde elektronlar dirençle karşılaşmadan hareket edebiliyor. Bu özellik, veri merkezlerinden elektrik şebekelerine ve kuantum işlemcilere kadar birçok alanda enerji kayıplarını azaltma potansiyeli taşıyor. Ancak bilinen süperiletkenlerin büyük bölümü, manyetik alanlara maruz kaldığında veya belirli sıcaklık eşikleri aşıldığında bu özelliklerini kaybediyor. MIT ekibi, yapay olarak bükülmüş grafen yapıları yerine, grafit bloklarından ayrıştırılabilen doğal rombohedral grafen katmanlarına odaklandı. Bu yapılarda grafen tabakaları merdiven basamaklarını andıran bir düzende hizalanıyor.

DÖRT SÜPERİLETKEN FAZ BULUNDU
Araştırmada 4 ve 5 katmanlı rombohedral grafen yapıları ultra soğuk laboratuvar koşullarında incelendi. İsviçre’deki Basel Üniversitesi, Florida Eyalet Üniversitesi ve Japonya Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’nden araştırmacıların da katkı verdiği çalışmada, malzemeye elektrik akımı uygulandı ve elektron yoğunluğu kontrollü biçimde değiştirildi. Elektron yoğunluğunun azaltıldığı belirli koşullarda voltajın sıfıra indiği dört ayrı süperiletken durum tespit edildi. Bu sonuç, grafit içindeki doğal karbon katmanlarının beklenenden daha zengin bir elektronik davranış sergileyebildiğini gösterdi.

9 TESLA MANYETİK ALANA DAYANDI
Araştırmanın en dikkat çekici sonuçlarından biri, malzemenin güçlü manyetik alanlar altındaki kararlılığı oldu. Normal koşullarda manyetik alanlar, süperiletkenliği sağlayan ve Cooper çiftleri olarak bilinen eşleşmiş elektronların bağını bozarak süperiletkenliği ortadan kaldırabiliyor. Ancak rombohedral grafen, Dünya’nın manyetik alanından yaklaşık 180 bin kat daha güçlü olan 9 tesla seviyesindeki paralel manyetik alan altında bile üç süperiletken fazını korudu. Bu dayanıklılık, malzemenin geleneksel süperiletkenlerden farklı bir eşleşme mekanizmasına sahip olabileceğine işaret ediyor.

DİK MANYETİK ALANDA PERFORMANS ARTTI
Deneylerde manyetik alanın yönü malzemeye dik hale getirildiğinde daha sıra dışı bir sonuç elde edildi. Belirli bir elektron yoğunluğunda süperiletkenlik yalnızca korunmakla kalmadı, aynı zamanda güçlendi. Malzemenin süperiletkenlik geçiş sıcaklığı 55 milikelvinden 90 milikelvine yükseldi. Ayrıca malzeme, süperiletkenlik evresini kaybetmeden önce yüzde 50 ila yüzde 60 daha fazla elektrik akımı taşıyabildi. Bu sonuç, manyetik alanın bazı koşullarda süperiletkenliği zayıflatmak yerine destekleyebileceğini gösterdi.

ELEKTRON EŞLEŞMESİ FARKLI OLABİLİR
MIT araştırmacıları, bu sıra dışı davranışın elektronların geleneksel zıt spinli eşleşmesinden farklı bir mekanizmayla açıklanabileceğini değerlendiriyor. Bulgulara göre elektronlar, manyetik alanla aynı yönde hizalanmış spinlerle eşleşiyor olabilir. Bu durumda harici manyetik alan, elektron çiftlerini parçalamak yerine yapının kararlılığını artırıyor. Araştırmacılar, bu mekanizmanın hem temel fizik açısından hem de gelecekteki süperiletken malzeme tasarımları için önemli sonuçlar doğurabileceğini belirtiyor.

KARBON TABANLI DONANIMLAR İÇİN YENİ YOL
Çalışmanın baş yazarı Junseok Seo, kristal karbon gibi basit ve bol bulunan bir malzemenin elektrik voltajı gibi dış ayarlarla farklı elektronik durumlara taşınabildiğini vurguladı. Seo’ya göre doğada yaygın bulunan bir malzemenin bu hassasiyetle kontrol edilebilmesi, üretim süreçleri açısından önemli bir esneklik sunuyor. Proje ortağı Dr. Long Ju da manyetik alanın süperiletkenliği ortadan kaldırmak yerine bazı koşullarda artırmasının, temel fizik ve malzeme tasarımı açısından dikkat çekici bir sonuç olduğunu ifade etti.

KUANTUM VE ENERJİ TEKNOLOJİLERİNE KATKI SAĞLAYABİLİR
Grafit gibi saf karbon tabanlı ve görece basit bir malzemede çoklu süperiletkenlik durumlarının kontrol edilebilmesi, kuantum bilgisayarlar, düşük kayıplı elektronik bileşenler ve yüksek akımlı enerji iletim sistemleri için yeni araştırma alanları açabilir. Araştırmacılar, rombohedral grafenin manyetik alan altında gösterdiği bu dayanıklı süperiletkenlik davranışının, gelecekte daha küçük, daha verimli ve daha düşük enerji kayıplı cihazların geliştirilmesine katkı sağlayabileceğini belirtiyor.