Caltech’ de David Hsieh önderliğindeki bir grup fizikçi maddenin alışılmadık bir formunu keşfetti. Bu yeni faz, bilinen bir metal, yalıtkan veya mıknatıstan tamamıyla farklı bir şeydir. Elektronların alışılmadık bir düzeni ile karakterize edilen bu faz, yeni elektronik cihazlar için olasılıklar sağlıyor ve bazı malzemeler için (-100) dereceye yaklaşan yüksek bir sıcaklıkta bile direnç olmadan elektrik iletme yeteneğine sahip olma olarak bilinen, yoğun madde fiziğinde epeydir devam eden bir gizem olan yüksek sıcaklık süper iletkenliğine bir çözüm üretebilir.
Daha önce, topolojik yalıtkan olarak bilinen maddenin bir diğer formunu keşfeden grupta fizik profesör asistanı olan Hsieh “Bu fazın keşfi herhangi bir teorik tahmine dayanmayan tamamıyla beklenmedik bir şeydir” dedi. “Elektronik malzemelerin bütün alanı, yeni makroskobik fiziksel özellikler aramak için çalışma alanları sağlayan ,yeni fazların keşfi ile ilerler”.
Hsieh ve arkadaşları elde ettikleri sonuçları Nature Physics’ in kasım ayı sayısında yayınladı . Hsieh’ in grubunda doktora sonrası araştırmacı olan Liuyan Zhao makalenin başyazarıdır.
Fizikçiler, bu keşfi çok kutuplu düzen denilen yapıya bakmak için , son zamanlarda geliştirilmiş bir lazer tabanlı ölçüm tekniğini test ederken yaptı. Çok kutuplu düzeni anlamak için ilk olarak elektronların iç yapısı boyunca hareket ettiği bir kristal düşünün. Belirli şartlar altında, yük düzeni diye bilinen fazı oluşturmak için, kristal içinde düzenli şekilde tekrarlayan bu yükleri biriktirmek, enerjik olarak uygun olabilir. Bu tip düzenin yapı taşı olan yükler basit olarak skaler bir büyüklüktür- yani, sadece sayısal bir değer veya büyüklük ile tanımlanabilir.
Elektronlar, yüke ek olarak spin olarak bilinen bir serbestlik derecesine sahiptir. Spinler birbirleriyle paralel hizalandığında, bir ferromanyet oluştururlar. Bu tip bir manyeti soğutucularda kulanabilirsiniz ve kredi kartları üzerindeki bantta da kullanılabilir. Spin, hem bir büyüklüğe hem de bir yöne sahip olduğu için, spin düzeni fazı bir vektör ile tanımlanabilir.
Son yıllarda, fizikçiler bu tip fazları araştırmak için, çok sofistike teknikler geliştirmişlerdir. Peki, ya bir malzemedeki elektronlar bu yöntemlerden biri ile düzenlenmez ise ne olur? Başka bir deyişle, düzen bir skaler veya vektör ile değil ,fakat matris gibi daha fazla boyutlu bir şey ile tanımlanırsa ne olur? Örneğin, düzenlenmiş fazın yapı taşı manyetik kuadrupol olarak bilinen, biri kuzey ve biri güneye yönelmiş , spinleri zıt yönlerde bir çift oluşturmuş olabilirdi. Madenin çok kutuplu düzeninin bu tür örneklerini geleneksel deneysel yöntemleri kullanarak belirlemek zordur.
Anlaşılan o ki, Hsieh’ın grubunun tanımladığı bu yeni faz, kesinlikle çok kutuplu düzenin bir tipidir.
Hsieh’ın grubu ,çok kutuplu düzeni saptamak için, bütün katılar tarafından sergilenen, ancak genellikle son derece zayıf olan optik harmonik üretimi denilen yöntemi kullandı. Tipik olarak, ışığın tek bir frekansı tarafından aydınlatılan bir cisme baktığınızda, tüm ışığın cisimden bu frekansta yansıdığını görürsünüz. Örneğin, bir duvara bir kırmızı lazer kalemi ile ışığı yansıtırsanız, gözünüz kırmızı ışığı saptar. Ancak, bütün malzemeler için gelen frekansın tam sayı katlarında yansıyan bir miktar daha ışık vardır. Bu yüzden kırmızı lazer kalemi ile, biraz da mavi ışık duvara yansıyacaktır. Mavi ışığın yüzdesi toplam yüzdenin küçük bir kısmı olduğu için tam anlamıyla göremezsiniz. Bu çoklu duruma optik harmonikler denir.
Hsieh’ın grubunun deneyi, kristalin simetrisindeki değişimin, her bir harmoniğin gücünü farklı etkilemesinden faydalandı . Çok kutuplu düzenin ortaya çıkması, birçok özel yolla kristalin simetrisini değiştirdiği için, fikirleri bir kristalin optik harmonik tepkisi ; çok kutuplu düzenin etkisi olarak kullanılabilir şeklindeydi.
Hsieh “ikinci harmonik frekansta yansıyan ışığın, bilinen kristal yapıdan tamamen farklı bir set simetriyi ortaya koyduğunu bulduk ,fakat bu etki temel frekansta yansıyan ışıkta gözlenmedi”, dedi. ”Bu çok kutuplu düzenin özel bir tipinin çok açık bir etkisidir”.
Bu araştırmacıların incelediği özel bileşik ,iridatlar olarak bilinen sentetik bileşikler sınıfının bir üyesi olan stronsiyum iridyum oksit (Sr2IrO4)’ tir. Son birkaç yılda, bakır oksit tabanlı bileşikler ve kupratlar ile bazı özellikleri ortak olduğundan dolayı, Sr2IrO4 çok ilgi çekmektedir. Kupratlar, sadece 100 Kelvin’ i aşan (-173 Celsius derece) yüksek sıcaklıklarda süper iletkenlik gösteren malzeme ailesi olarak bilinir. Yapısal olarak iridatlar ve kupratlar çok benzerdirler. Ve kupratlar gibi, iridatlar da, kimyasal katkılama denilen bir süreç ile onlardan elektronlar çıkarılıp ya da eklendiğinde, giderek metalik hale gelen elektriksel olarak yalıtılmış anti-ferromanyetlerdir. Yeterince yüksek seviyede katkılama kupratları yüksek sıcaklıkta süperiletkenlere dönüştürecektir ve kupratlar yalıtkanlardan süperiletkenlere dönüştüğünde, malzemeden dışarı elektronları çıkarmak için ek bir enerji miktarı gerektiren ,“yalancı bant ” olarak bilinen gizemli bir faz aracılığıyla ilk geçiş sağlanır. Bilim insanları onlarca yıl, simetri özelliklerinin belirli bir grubu ile bir faz rekabeti ya da süper iletkenlik için gerekli bir öncül olup olmadığını-süper iletkenlik ile ilişkisini ve bu yalancı bant’ın kökenini tartıştı. Bu ilişki daha iyi anlaşılırsa, oda sıcaklığına yaklaşan sıcaklıklarda süper iletken malzemeler geliştirmenin mümkün olabileceğine bilim insanları inanıyor.
Ayrıca son zamanlarda, bir yalancı bant fazı Sr2IrO4 te gözlemlendi ve Hsieh’ in grubu, yalancı bant’ ın bulunduğu bir sıcaklık penceresi ve bir katkılama üzerinden varlığı tanımlanan çok kutuplu düzeni buldu. Araştırmacılar tamamen iki örtüşmenin olup olmadığını hala araştırıyor, ancak Hsieh yalancı bant olayı ve çok kutuplu düzen arasındaki bir bağlantıyı bu çalışmanın önerdiğini söylüyor.
Hsieh, “Kupratlarda bulunduğu gibi aynı türün Sr2IrO4 de süper iletkenlik imzaları gösteren diğer gruplar tarafından yapılan çok yeni çalışmalarda vardır” ve “ İridatlar ile kupratların son derece benzer yapısı göz önüne alındığında, belki de iridatlar bize yalancı bant ve yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik arasındaki ilişki hakkında uzun süredir devam eden tartışmaların bazılarını çözmemize yardımcı olacaktır”, dedi.
Hsieh, yeni araçların geliştirilmesinin önemini vurguladığını ve bunun gerçekten eşzamanlı bir teknik geliştirilmesiyle sağlandığını söyledi.
Dahası; Hsieh, bu çok kutuplu düzenin daha birçok malzemede var olabileceğini söyledi .“Sr2IO4 göz önüne aldığımız ilk şeydir, bu yüzden bu düzenler diğer malzemelerde de çok iyi gizlenmiş olabilir ve bu tamamen bir sonraki çalışacağımız konudur”, dedi.
Kaynak:
http://phys.org/news/2015-10-physicists-uncover-phase.html
GRAFEN NE YAPABİLİR?
Uluslararası Uzay İstasyonu
