"Doğa" Sonucu Kanıt: Deneyler Grafenin "Sihirli Açılı" Süperiletkeninin Gizemini Açığa Çıkarıyor
Yeni bir malzemede süperiletkenliğin şaşırtıcı keşfi, bilim camiasında pek çok tartışmaya neden oldu. Bu malzeme, bir karbon tabakasını başka bir karbon tabakası tabakasına istifler ve elektronları etkinleştirmek için üstteki karbon tabakasını "sihirli bir açıyla" büker. Dirençsiz akan bu özellik, enerji açısından verimli güç aktarımını önemli ölçüde iyileştirebilir ve bir dizi yeni teknoloji sunabilir. Şimdi, Princeton Üniversitesi tarafından yürütülen yeni bir deney, "sihirli açı" adı verilen bu tür bükülmüş çift katmanlı grafen malzemesinin nasıl süper iletkenlik ürettiğini ortaya çıkardı.Princeton Üniversitesi bilim adamları kesin kanıtlar sağladılar. 31 Temmuz 2019 araştırmaları Nature dergisinde yayınlandı.
Süperiletken davranışın elektronlar arasındaki güçlü etkileşimden kaynaklandığını ve dolayısıyla süperiletkenlik ortaya çıktığında elektronların izlediği kuralları derinlemesine anladığını kanıtlıyor. Fizik profesörü ve araştırmanın kıdemli yazarı Ali Yazdani şunları söyledi: Bu fizikteki en sıcak konulardan biri, çok basit bir malzeme, iki karbon parçası. Diğeri ise süperiletkenlik gösterir.
Süperiletkenliğin nasıl üretildiği bir muamma ve dünyanın her yerindeki laboratuvarlar bunu çözmek için yarışıyor. Bu alanın bir "twistronics" adı bile vardır. Heyecanın bir kısmı, mevcut süper iletkenlerle karşılaştırıldığında, bu malzemenin incelenmesinin daha kolay olması çünkü yalnızca iki katmana ve yalnızca bir tür atom-karbona sahip olması.
Karmaşık malzemeler teorisini açıklamada uzmanlaşmış bir fizik profesörü olan B. Andrei Bernevig şunları söyledi: Bu yeni malzemenin temel özelliği, insanların son 40 yıldır çeşitli fiziksel konular hakkında düşündükleri bir oyun alanı olmasıdır. . Bu yeni malzemenin süper iletkenliği, geleneksel süperiletkenlerden tamamen farklı bir mekanizma ile çalışıyor gibi görünüyor. Geleneksel süper iletkenler şu anda güçlü mıknatıslarda ve diğer sınırlı uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu yeni malzeme, 1980'lerde keşfedilen bakır bazlı yüksek sıcaklık süperiletken bakırrata benzer. Kupratların keşfi 1987'de Nobel Fizik Ödülü'ne katkıda bulundu. Bu yeni malzeme, grafen adı verilen iki atom kalınlığında karbon tabakasından oluşuyor. Grafen aynı zamanda 2010 Nobel Fizik Ödülü'nün de sebebidir.
Grafen, tel örgü gibi düz bir petek yapısına sahiptir. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden Pablo Jarillo-Herrero ve ekibi, ilk grafen katmanına ikinci bir grafen katmanı yerleştirdi ve ardından ilk grafen katmanını yaklaşık 1.1 derecelik bir "sihirli açı" açısıyla döndürdü. Daha önce fizikçiler bu açının yeni elektronik etkileşimlere yol açacağını tahmin etmişlerdi, ancak Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki (MIT) bilim adamları süperiletkenliği gösterdiklerinde, bu açı şok ediciydi. Yukarıdan bakıldığında, üst üste binen serigrafi desenleri, "hareli desenler" adı verilen bir tür titreyen efekt benzeri dalgacıklar üretir. Bu etki, geometrik olarak düzenli iki desen üst üste geldiğinde meydana gelir. Bu desen 17 ve 18. yüzyıl kraliyet kumaşları ve modasında popüler.
Bu "hareli" desenler, sıradan malzemelerin sahip olmadığı yeni özellikler üretir.Sıradan malzemelerin çoğu, yalıtımdan iletkenliğe kadar olan aşamaya aittir. İzolatörler elektronları sabit tutmak için enerji kuyularına veya seviyelerine hapsederken, metaller elektronların bir atomdan diğerine uçmasını sağlayan enerji durumları içerir. Her iki durumda da elektronlar farklı enerji seviyelerini işgal ederler, etkileşmezler ve kolektif davranışa katılmazlar. Bununla birlikte, bükülmüş grafende, hareli kafesin fiziksel yapısı, elektronların ayrılmasını önleyen ve onları etkileşime girmeye zorlayan bir enerji durumu yaratır. Bu, elektronların birbirlerinden ayrılmamaları için bir koşul yaratıyor, aksine, benzer enerji seviyelerinde olmalılar.Bu, oldukça dolaşık bir durum yaratmanın ilk şartıdır. Araştırmacılar tarafından ortaya atılan soru, bu dolanmanın süper iletkenliğiyle ilgili olup olmadığıdır.
Pek çok basit metal aynı zamanda süper iletkendir, ancak bakır dahil şimdiye kadar keşfedilen tüm yüksek sıcaklık süperiletkenleri, elektronların karşılıklı itilmesinin neden olduğu oldukça dolaşık bir durum sergiler. Elektronlar arasındaki güçlü etkileşim, daha yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik elde etmenin anahtarı gibi görünüyor. Bu sorunu çözmek için Princeton Üniversitesi'ndeki araştırmacılar bir taramalı tünelleme mikroskobu kullandılar. Bu mikroskop çok hassastır ve yüzeydeki tek tek atomları görüntüleyebilir. Araştırma ekibi, "sihirli açı" grafen bükülmüş örneklerini taradı ve yakındaki elektrotlara voltaj uygulayarak elektron sayısını kontrol etti. Bu çalışma, bükülmüş iki tabakalı grafendeki elektronların davranışı hakkında mikroskobik bilgi sağlarken, şimdiye kadarki diğer çalışmaların çoğu sadece makroskopik iletimi izledi.
Elektron sayısı çok düşük veya çok yüksek konsantrasyonlara ayarlanarak, elektronların tıpkı basit metallerde olduğu gibi hemen hemen bağımsız davrandıkları gözlemlenmiştir. Bununla birlikte, bu sistemde süper iletken elektronların kritik konsantrasyonu bulunduğunda, elektronlar aniden güçlü etkileşim ve dolanma belirtileri gösterdi. Süperiletkenliğin ortaya çıktığı konsantrasyonda, elektron enerji seviyelerinin beklenmedik şekilde genişlediği bulunmuştur ve bu sinyaller güçlü etkileşim ve dolanıklığı teyit etmektedir. Bununla birlikte, bu deneyler daha fazla araştırma için kapıyı açmış olsa da, meydana gelen dolanıklığın türünü ayrıntılı olarak anlamak için daha fazla araştırma yapılması gerekiyor. Hala bu sistemler hakkında bilmediğim birçok şey var ve bunlar deneyler ve teorik modelleme yoluyla öğrenilebileceklere dokunmaktan çok uzak.
