Mutlak sıfır sıcaklığının, derecenin milyarda biri kadar üstüne kadar soğutulmuş atomlar kullanılarak, Princeton Üniversitesi araştırmacıları, yüksek sıcaklıklarda süper iletkenliği açıklamaya yardımcı olabilecek ilginç bir manyetik davranış keşfetti.

Ekip, bu aşırı soğuk atomlara güçlü bir manyetik alan uygulanmasının, atomların alternatif bir desende dizilmelerine ve birbirlerinden uzak durmalarına neden olduğunu buldu. Araştırmacıların “eğimli antiferromanyetizma” adını verdiği bu davranış, belirli malzemelerde süper iletkenliğin nasıl ortaya çıktığını anlamak için kullanılan onlarca yıllık eski bir modelin öngörüleri ile tutarlıdır. Araştırma bulguları, Science dergisinde yayımlandı.

Deney, kuantum davranışlarının süper iletkenliğe nasıl neden olduğunu açıklayan modeli incelemeye olanak tanıyor. Süper iletkenlik, elektrik akımının herhangi bir dirençle karşılaşmadan akabildiği ve elektrik iletiminde ve güçlü elektromıknatısların yapımında kolaylıklar sağlayan bir durumdur. Geleneksel süper iletkenliğin temeli anlaşılmış olmasına rağmen, araştırmacılar küprat adı verilen, bakır tabanlı malzemelerde, yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik kuramını araştırmaya devam ediyorlar.

Küpratların karmaşıklığından dolayı, bu malzemelerdeki hangi özelliklerin akımın dirençle karşılaşmadan akabilmesine olanak sağladığını bulmak için, araştırmacıların bu malzemeleri doğrudan incelemesi zordur. Bunun yerine, lazerler kullanılarak üretilen sentetik kristaller ve aşırı soğuk atomlar kullanarak, araştırmacılar aksi takdirde ele alınması zor olacak problemleri sorma imkanı elde ediyorlar.

Araştırma ekibi; lityum atomlarını, atomların kuantum fiziği yasalarını takip ettiği, mutlak sıfırın bir derecenin onlarca milyarda biri kadar üzerindeki bir sıcaklığa kadar soğuttu. Aşırı soğuk atomları hapsetmek için, lazerler yardımıyla bir kafes oluşturuldu. Optik örgü olarak da bilinen kafes, tamamıyla lazer ışığından meydana gelmiş ve atomların bir yuvadan diğerine zıplayabilecekleri sanal bir yumurta kartonu gibi düşünülebilir. Ekip daha sonra bu kurulumu, spin adındaki kuantum özelliğinden dolayı küçük mıknatıslara benzer şekilde davranabilen tekli atomlar arasındaki etkileşmelere bakmak için kullandı. Her bir atomun spini aşağı veya yukarı doğru yönelmiş olabilir. Eğer iki atom aynı yerde bulunursa, aralarında güçlü bir itici etkileşim meydana gelir ve ayrılırlar, böylelikle her yuvada tek bir atom kalır. Kafesteki komşu yuvalardaki atomlar, spinlerini birbirlerine zıt şekilde doğrultmaya meyillidir.



Antiferromanyetizma adı verilen bu etki, soğuk sistemin kuantum doğasından dolayı çok düşük sıcaklıklarda meydana gelir. İki tür spin kitlesi kabaca eşit olduğunda, spinler komşu spinler zıt yönde düzenlendiği müddetçe, herhangi bir doğrultuya dönebilir.

Araştırmacılar atomlara güçlü bir manyetik kuvvet uyguladıklarında, ilgi çekici bir olayla karşılaştı. Örgü içerisindeki bireysel atomları görüntüleyebilecek yüksek çözünürlüklü bir mikroskop yardımıyla, atomların, manyetik alanın gücüyle değişen manyetik korelasyonlarını inceledi. Büyük bir alanın varlığında, komşu spinler zıt yönlenmiş kaldılar, fakat kendilerim, bir düzlemde alanla doğru bir açıda yönelttiler. Daha yakından bakıldığında, araştırmacılar zıt yönelmiş atomların alan doğrultusunda hafifçe eğilmiş olduklarını gördüler, öyle ki mıknatıslar hala zıt tarafa bakmaktaydı fakat düzlem üzerinde hassas bir şekilde yönelmemişlerdi.

Spin korelasyonları geçtiğimiz yıl Harvard Üniversitesi, MIT ve Ludwig Maximillian Üniversitesi’nde yapılan deneylerle gözlenmişti. Fakat Princeton’da yapılan çalışmada ilk defa atomlara güçlü manyetik alan uygulandı ve eğimli antiferromıknatıs gözlendi. Gözlemler, küpratların görece yüksek sıcaklıklarda nasıl süper iletken davranışlar sergilediğini açıklamak için oluşturulan Fermi-Hubbard modeli tarafından öngörülmüştü.

Waseem Bakr; “Fermi-Hubbard modelini iyi anlamak, araştırmacıların, akımı dirençle karşılaşmadan iletebilecek benzer malzemeler tasarlamasına yardımcı olabilir” diye açıklıyor..

Çalışma ayrıca, kafes içerisindeki bazı atomların kaldırılarak, yerlerinde boşluklar bırakıldığı takdirde neler olabileceğini de inceliyor. Araştırmacılar, manyetik alan uygulandığında, alınan tepkinin, küpratlar üzerinde yapılan ölçümlerle uyumlu olduğu sonucuna ulaştı. Bakr; “Öne sürülen Fermi-Hubbard modelinin, malzemelerde gördüklerimizi açıklamak üzere muhtemelen doğru model olduğuna dair daha iyi kanıt bulunamazdı” diye yorumda bulunuyor.

 

---

Kaynak: Ultracold atoms point toward an intriguing magnetic behavior < https://phys.org/news/2017-09-ultracold-atoms-intriguing-magnetic-behavior.html >
Referans: Spin-imbalance in a 2D Fermi-Hubbard system < http://science.sciencemag.org/content/357/6358/1385 >

---