Bilim İnsanları, Fizikte Çığır Açacak Bir Süper İletken Türü Keşfetti

Öncelikle süper iletken nedir, onu anlayalım. Normalde evdeki bir ışığı açtığımızda elektrik duvardaki kablolardan oldukça hızlı geçer fakat burada çok ciddi kayıplar gerçekleşir. Başka bir deyişle bu durum hiç verimli değildir. Elektrik, geçtiği malzeme boyunca atomlara çarpan elektronlar tarafından taşınır ve her bir çarpışmada enerjilerinin bir kısmını kaybederler. Elektrik şebekelerinin elektriklerinin yüzde 7'sini kaybetmelerinin de sebebi budur. Biz de buna direnç adını veriyoruz.

Tüm bunların yanı sıra bazı malzemeler çok çok düşük sıcaklıklara soğutulduğunda normalde olmayan bir şey gerçekleşir: Elektronlar çiftler haline gelir ve direnç olmadan akmaya başlar. Süper iletkenlik adı verilen bu olay, elektrik konusunda devrim yapabilecek kadar önemlidir. Öyle ki, kaybı neredeyse sıfıra indirip verimliliği yüzde yüze çıkarabilir.

İyi haber, birçok maddenin bu özelliğe sahip olması. Hatta şu anda MR cihazları ve Japonya'daki maglev trenlerinde bu mantık kullanılıyor. Kötü haberse o maddeyi süper iletken hale getirmenin oldukça pahalı olması. Hantal ekipmanlar da gerektiren bu işlem yüzünden maalesef her yerde süper iletkeni kullanmamız mümkün değil.

Araştırmacılar, 2018 yılında Maryland Üniversitesi liderliğinde, egzotik bir malzemeyi süper soğuk sıcaklıklarda araştırırken yeni bir tür süper iletkenlik gözlemledi. Bu süper iletkenlik sadece beklenmedik bir malzemede görünmekle kalmadı, bugüne kadar gördüğümüz eşleşmelerden çok farklı olan elektron etkileşimlerine dayanıyor gibiydi. Bu da bu malzemenin ne gibi bir potansiyele sahip olduğunu anlayamadığımız anlamına geliyor.

Farkı anlamak için açıklayalım: Elektronlar "Spin kuantum" adı verilen bir etkileşime sahiptir. Liseden de hatırlayabileceğiniz gibi, standart süper iletkenlerde spin kuantum sayısı 1/2'dir. Fakat keşfedilen ve YPtBi adı verilen bu malzemede spin kuantum sayısı 3/2.

Fizikçi ve kıdemli yazar Johnpierre Paglione "Hiç kimse bunun katı malzemelerde mümkün olduğunu düşünmemişti" dedikten sonra sözlerine şu şekilde devam ediyor: "Tek atomlarda yüksek spin durumları mümkündür fakat bu atomları bir araya getirip katı hale sokunca genelde kırılırlar ve elinizde 1/2'lik bir spin kalır."

YPtBi'ın süper iletken olduğu birkaç yıl önce keşfedilmişti. Aslında bu durum da başlı başına şaşırtıcıydı çünkü bu malzeme süper iletkenliğin ana kuralına uymuyordu: Normal derecelerde fazla elektrona sahip olmakla beraber normal bir iletkenlik göstermek.

Geleneksel teoriye göre, YPtBi'nin 0,8 Kelvin'in altındaki sıcaklıklarda süper iletken olması için yaklaşık bin kat daha fazla mobil elektrona ihtiyacı olması gerekiyordu. Fakat araştırmacılar malzemeyi soğuttuğu zaman yine de süper iletkenlikle karşılaştı.

Burada neler döndüğünü anlamak için araştırmacılar, 2018 yılında malzemenin manyetik alanlarla etkileşime girme şeklini inceledi. Bir malzeme süper iletken hale geçerken genellikle sonradan eklenmiş manyetik alanı yüzeyinden atmaya çalışır fakat manyetik alan hızla bozulmadan hemen önce yanlardan yine girebilir. Alanın etkisi ya da nüfuz etme olayı ise içerideki elektron eşleşmesinin doğasına bağlıdır.

Ekip, test ortamının sıcaklığını değiştirirken YPtBi'nin manyetik özelliklerinde meydana gelen değişiklikleri tespit etmek için bakır bobinler kullandı. Buldukları şey ise tuhaftı. Malzeme, mutlak sıfır (0 Kelvin) halinden ısındığında, manyetik alanın malzemeye nüfuz edebileceği miktar standart süper iletkenlerde olduğunun aksine üstel olarak değil, doğrusal olarak artıyordu.

Araştırmacılar bir dizi ölçüm ve hesaplama yaptıktan sonra, olan bitenin en iyi açıklamasının "elektronların daha yüksek spinli parçacıklar olarak gizlenmiş olması gerektiğine" karar kıldılar. Bu durum ise daha önce süper iletkenler için en ufak bir ihtimal olarak dahi düşünülmüyordu.

Bu yeni tip süper iletkenlik hâlâ inanılmaz derecede düşük sıcaklıklar gerektirse de keşif tüm konuya yeni bir yön veriyor. Araştırmanın başyazarlarından olan Hyunsoo Kim "Daha önce 1/2 spinli parçacıklarla sınırlı kalmıştık" diyor ve ardından ekliyor: "Fakat daha yüksek spin'leri düşünmeye başlarsak, süper iletkenlik konusundaki araştırma konusu ciddi şekilde artarken bir o kadar da ilgi çekici hale geliyor."

Konu hâlâ oldukça yeni ve neler olup bittiğini tam olarak anlamamız için öğrenmemiz gereken çok şey var. Bir şeyleri test etmek ve ölçmek için yepyeni bir süper iletken malzemeye sahip olmamız, bu 100 yıllık araştırma sürecine yeni bir şeyler eklemesi bakımından çok heyecan uyandırıcı.

Araştırmanın tüm detaylarına öğrenmek isterseniz, buraya tıklayarak Science Advances'taki orijinal haline ulaşabilirsiniz.