Fransız Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi (CNRS) bünyesindeki Laboratoire Kastler Brossel’de ve Flatiron Enstitüsü’nde yapılan araştırma, süperiletkenlikte oluşan Cooper çiftlerinin koordineli şekilde hareket ettiğini ilk kez doğruladı. Cooper çifti, düşük sıcaklıklarda zıt spinli iki elektronun zayıf bir etkileşimle bağlanarak süperiletkenlikte dirençsiz elektrik akımını mümkün kılan kuantum çiftlerine deniyor. Süperiletkenlik genellikle, Dünya’da doğal olarak bulunmayan derecede düşük sıcaklıklara soğutulan özel metallerde ortaya çıkıyor. Bu malzemeler belirli bir kritik sıcaklığın altına indiğinde, elektronların eşleşmesi sonucu elektriksel direnç sıfıra düşüyor.
Bu sebeple araştırmacılar, süperiletkenliği taklit eden bir mekanizma hazırladı. Araştırmacılar mutlak sıfıra son derece yakın sıcaklıklara kadar soğutulan Fermi gazı içinde atomların nasıl eşleştiğini gözlemledi. Gaz içindeki atomlar, elektronlar gibi davrandığından süperiletken fiziğini kontrollü bir ortamda inceleme imkanı sunuyor. Görüntülemede kullanılan lityum atomlarından oluşan gaz, mutlak sıfırın sadece milyarda bir derece üzerinde tutuluyor. Bu koşullarda atomlar, elektronlar gibi davranan fermiyonlara dönüşüyor ve süperiletken sistemlerin modellenmesi mümkün hale geliyor.
Çalışmada atomların eşleştikten sonra bağımsız hareket etmediğini; aksine birbirlerinin konumuna bağlı olarak senkronize bir “dans” sergilediklerini gösteriyor. Yaklaşık 70 yıl önce geliştirilen ve Nobel ödülü kazanan süperiletkenlik teorisinin öngörmediği bir etkileşim ilk defa gözlemleniyor.
Nobel ödüllü teori sarsılmış olabilir
BCS teorisi, süperiletkenliğin nasıl ortaya çıktığını açıklayan temel model olarak 1970’de geliştirildi. John Bardeen, Leon Cooper ve John Robert Schrieffer tarafından ortaya konan teoriye göre, çok düşük sıcaklıklarda elektronlar kristal örgü içindeki titreşimler aracılığıyla zayıf bir çekim oluşturur ve Cooper çiftlerini meydana getirir. Bu çiftler, tek bir kuantum düzeni içinde senkronize hareket ederek elektrik akımının dirençsiz biçimde iletilmesini sağlıyor.
Yeni çalışmadan elde edilen sonuçlar, Cooper çiftlerinin BCS teorisinin öngördüğü gibi tamamen bağımsız dağılmadığını gösterdi. Aksine, çiftler birbirlerinin konumuna bağlı olarak organize bir şekilde hareket ettiğini ve aralarında beklenmeyen bir korelasyon oluştuğunu görüntüledi.
Bulgular, süperiletkenliğin temelindeki kuantum etkileşimleri daha ayrıntılı şekilde ortaya koyarak özellikle daha yüksek sıcaklıklarda çalışan süperiletkenlerin geliştirilmesine katkı sağlayabilir. Çiftler arası etkileşimin anlaşılması, enerji kaybı olmadan elektrik iletimi sağlayan yeni malzemelerin tasarlanmasını mümkün hale getirebilir. Bu da gelecekte çok daha verimli elektrik şebekeleri, daha güçlü ve düşük enerji tüketimli süper bilgisayarlar ve gelişmiş kuantum teknolojileri gibi alanlarda önemli bir dönüşümü beraberinde getirebilir.
Kaynak: Physical Review Letters