Süperiletkenler, manyetik levitasyonlu trenlerden, tıpkı Büyük Patlama'nın sonuçlarını taklit eden parçacık çarpıştırıcılarına ve en derin fizyolojik sırları ortaya çıkaran tıbbi cihazlara kadar bilim kurgu filmlerini aratmayan teknolojilere kapı aralıyor. Ancak süperiletkenlik halleri oldukça kırılgandır. Elektriği dirençsiz ve dolayısıyla enerji kaybı olmadan iletmek için bu malzemelerin, uzayın dondurucu soğukluğuna yaklaşan çok düşük sıcaklıklara kadar soğutulması gerekir.
Elektrik akımının gücü ve harici manyetik alanlar da bu malzemeleri süperiletkenlik durumlarından koparabilir; tıpkı dikkatli bir şekilde dizilmiş domino taşlarının bir fısıltıyla devrilmesi gibi.
Bununla birlikte, geleneksel yöntemlerle, örneğin doğrudan akım (DC) iletimiyle ölçülmesi zor, daha da yüksek bir sınır vardır. Bu sınır, yalnızca saniyenin milyarda biri kadar sürede meydana gelen kuantum kesintileri tarafından engellenir.
Bu sınır, Cooper çiftleri adı verilen ve süperiletkenliği sağlayan dolanık elektron çiftlerinin koparıldığı 'depairing limiti'dir.
Ancak Nature Physics'te yayınlanan çığır açan bir araştırmada, bilim insanları bu kopmayı incelemek için bir süperiletkenin 'hız sınırını' yıktı. Bu keşif, adeta bir Formula 1 yarışçısının tekerleği bozuk bir Model T'yi geçmesi gibiydi.
Genellikle saf metallerden oluşan ve kırılgan manyetik sınırları nedeniyle teknolojik olarak pek kullanışlı olmayan Tip I süperiletkenlerin aksine, Tip II süperiletkenler bir uzlaşma sunar:
Dahili manyetik alanların 'kuantum girdapları' olarak bilinen küçük elektrik girdapları şeklinde yayılmasına izin vererek daha zorlu koşullarda süperiletkenlik durumlarını koruyabilirler. Ancak Tip II bir malzemedeki elektrik akımı çok güçlendiğinde, bu küçük girdapları harekete geçirir, bu da direnç ve ısı üreterek süperiletkenliği durdurur.
Hamburg'daki Max Planck Yapı ve Madde Dinamiği Enstitüsü'nde (MPSD) fizikçi olan araştırmanın baş yazarlarından Eryin Wang, "Stratejimiz girdap dinamiğini geride bırakmaktı" şeklinde açıklıyor.
Araştırmacılar, niobyum nitrür (NbN) ve 'yüksek sıcaklık süperiletkenliği' gösteren yitriyum baryum bakır oksit (YBCO) ailesinden bir süperiletken olmak üzere iki süperiletken malzemeyi karşılaştırdı.
Bu malzemeleri seçtiler çünkü ilki s-dalga aralığı simetrisine, ikincisi ise d-dalga aralığı simetrisine sahip. Bu özellik, eşleşmiş elektronlarını ne kadar kolay koparabileceklerini ve dolayısıyla onları süperiletkenlik durumlarından çıkarabileceklerini belirler.
Peki, fiziğin sınırlarında var olan kuantum süreçlerini nasıl geride bırakmalı? Girdapların hızını (saniyede onlarca kilometre) kat kat aşan bir optik-elektrik devresi geliştirerek.
Bu düzenek, yalnızca 300 femtosaniye (saniyenin katrilyonda biri) süren ultra hızlı yeşil lazer darbelerini, optik lazer darbesini pikosaniye (saniyenin trilyonda biri) süren bir elektrik akımı darbesine dönüştüren bir anahtara gönderdi. Bu, girdap dinamiğinin direnç ve ısı üreterek süperiletkenliğin kaybına neden olabileceğinden çok daha hızlıydı.
Başka bir deyişle, bu durum adeta bir kuantum 'kaplumbağa ve tavşan' hikayesiydi, ancak tavşan başlangıç çizgisindeyken kaplumbağa hala kahvaltı ediyordu.
MPSD'deki Yoğun Madde Dinamiği grubu lideri Andrea Cavalleri, "Sonuçlarımız, pikosaniye iletiminin, geleneksel DC iletiminden doğrudan elde edilemeyen süperiletkenlerin boşluk simetrisi gibi mikroskobik özelliklerine erişim sağlayabileceğini düşündürüyor" açıklamasını yapıyor.
Özellikle, NbN'nin süperiletkenlik durumunu uygulanan elektrik akımı belirlenmiş bir eşiğe ulaşana kadar koruduğu belirtiliyor. Bu eşik, sürenin kısalığı nedeniyle geleneksel DC çıkışının oldukça üzerindedir. Bu noktada Cooper çiftleri dağılıyor ve süperiletkenlik aniden sona eriyordu.
Öte yandan, YBCO malzemesi süperiletkenlik durumunun kademeli bir zayıflamasıyla dikkat çekti. Bu fark, farklı boşluk simetrilerinden kaynaklanmaktadır.
NbN'nin s-dalga simetrisinin, elektron çiftlerini ayırmak için gereken enerji olan bir enerji boşluğuna sahip olduğu ve bu boşluğun momentum uzayının tüm yönlerinde aynı olduğu belirtiliyor.
Ancak YBCO'da enerji boşluğu önemli ölçüde değişiklik gösteriyor ve hatta momentum uzayının belirli yönlerinde kayboluyor.
Başka bir deyişle, birincisi bir poker elinde tüm kozları oynarken, ikincisi parasını daha yavaş kaybetmeyi tercih ediyor olabilir.
Böylece araştırmacılar, süperiletkenliğin en temel kökenine, yani diğer etkilerin ortaya çıktığı çekirdek kuantum kavramı olan bir malzemenin Cooper çiftlerinin kararlılığına ulaştılar.
Burada sunulan "yeni yaklaşım", süperiletken malzemelerin temel özelliklerini test etmek için bir çerçeve sunuyor ve bu sayede daha çeşitli süperiletkenleri inceleyerek boşluk simetrileri ve malzemelerin temel zaman ölçeklerindeki tepkileri gibi özellikler ortaya çıkarılabilir.
Bu çalışmaya dahil olmayan Merkez Güney Üniversitesi'nden fizik profesörü Jianqiao Meng'in özetlediği gibi, bazen yarış gerçekten de hızlı olana gider:
"Bu çalışma, içsel süperiletken özelliklere erişmek için ultra hızlı akım darbelerinin potansiyelini güçlü bir yeni araç olarak vurguluyor."
Araştırma, Nature Physics'te yayınlanmıştır.
