(MIT ve Harvard Üniversitesi'ndeki fizikçiler, dantelli, bal peteği desenine sahip karbon atomunun dizilimlerinden olan grafenin, iki elektriksel aşırılıkta hareket edebileceğini buldular: elektronların tamamen akmasını engelledikleri bir yalıtkan; ve elektrik akımının direnç ile karşılaşmadan akabildiği bir süperiletken.)

     Tek bir malzemenin, grafen gibi birden fazla özel duruma ulaşabileceğine inanmak zor. 2004 yılında bir keşif yapıldı bilim adamları dantel desenli bal peteği görünümlü bir karbon dizilimi buldular bu madde bilinen en ince materyal olmasının yanı sıra inanılmaz derecede esnek çelikten yüz kat daha dayanıklı bakırdan ise kat be kat daha iletkendi.

     Şimdi MIT ve Harvard Üniversitesi'ndeki fizikçiler, bu merak uyandıran materyalin çok ilginç elektronik özellikler sergileyebildiğini keşfettiler. Araştırmacılar Nature dergisinde yayınladıkları yazıda grafenin iki duruma uyarlanabildiğini açıkladılar, hem elektrik akımını bir uçtan diğer uca akmasını tamamen engelleyip bir yalıtkan olabiliyor hem de elektrik akımını hiçbir dirence maruz kalmadan geçmesini sağlayarak süperiletken olabiliyor.

     Bu ekip dâhil, geçmişte araştırmacılar, malzemeyi diğer süperiletken metallerle temas ettirerek grafen süperiletkenlerini sentezleyebildiler. Bu kez, ekip grafen süperiletkenini kendi başına yapmanın bir yolunu buldu ve süper iletkenliğin tamamen karbon bazlı malzemede içsel bir nitelik olabileceğini gösterdi.

     Fizikçiler bunu bir araya getirilmiş iki grafen tabakanın "süper kafes" ile başardılar. Sonuç olarak, üst üste binen altıgen petek deseni hafifçe dengelenir ve grafen tabakalardaki elektronlar arasında garip, "güçlü bir şekilde ilişkili etkileşimler" meydana getireceği tahmin edilen hassas bir moiré konfigürasyonu yaratır. Başka herhangi bir yığılmış konfigürasyonda, grafen farklı kalmayı tercih ediyor, çok daha az etkileşiyor.

     MIT'de fizik profesörü olan Pablo Jarillo-Herrero liderliğindeki ekip, grafen kafes çifti döndürüldüğünde, iki grafen tabakasının, Mott izolatörleri olarak bilinen egzotik bir malzeme sınıfına benzer, iletken olmayan davranış sergilediğini buldu. Araştırmacılar daha sonra voltaj uyguladıklarında, grafen yüzeyine küçük miktarlarda elektron ekleyerek, belirli bir seviyede, elektronların, ilk yalıtkanlık durumundan ayrıldığını ve bir süperiletken gibi sanki dirençsiz olarak aktığını bulmuşlardır.

     Jarillo-Herrero, "Artık grafenin, alışılmamış süperiletkenliğini araştırmak ve uygulamak için yeni alanlar bulabiliriz." diyor. "Ayrıca süperiletkenlikten yalıtma kadar açıp kapatabileceğiniz grafenli süperiletken bir transistör üretmeyi de hayal ediyoruz. Bu, kuantum cihazlarına pek çok olanak sunuyor."

     Bir malzemenin elektriği yönetme yeteneği normalde enerji bantları açısından temsil edilir. Tek bir bant, bir malzemenin elektronlarının sahip olabileceği bir dizi enerjiyi temsil eder. Bantlar arasında bir enerji boşluğu vardır ve bir bant dolduğunda, bir sonraki boş bandı doldurmak için elektron bu boşluğu aşacak ekstra enerjiye ihtiyaç duymaktadır.

     En son doldurulan enerji bandı tamamen elektronlarla dolu ise, malzeme bir yalıtkan olarak kabul edilir. Öte yandan, metaller gibi elektrik iletkenleri yüksek olan maddelerin, elektronların serbestçe hareket edebilecekleri boş enerji durumları ile kısmen doldurulmuş enerji bantları bulundururlar.

     Bununla birlikte, mott izolatörleri, elektrik iletmek için bant yapısından görünen bir malzeme sınıfıdır, ancak ölçüldüğünde, yalıtkanlar gibi davranırlar. Spesifik olarak, enerji bantları yarı dolu, durumda olur. Malzeme elektriği iletmez. Yarı dolu bant esasen iki minyatür, neredeyse düz bantlara ayrılır, elektronlar tamamen bir bandı doldurur ve diğerini boş bırakır ve böylece bir yalıtkan olarak davranır.

     Başka bir deyişle, bilim adamları Mott izolatörlerinin elektronik özelliklerini, yaklaşık 100 Kelvin'lik nispeten yüksek sıcaklıklarda süperiletkenlere dönüştürmek için yollar bulmuşlardı. Bunu yapmak için, kimyasal olarak oksijen ile maddeyi 'katkılayarak', atomları elektronları Mott yalıtkanından çekerek, kalan elektronların akması için daha fazla yer bırakır. Yeterli oksijen eklendiğinde, yalıtkan bir süperiletkene dönüşür.

     Jarillo-Herrero bu durum üzerinde çok fazla çalışıldı fakat yüksek sıcaklıktaki süperileteken oluşumunu açıklayamadık diyor.

     Jarillo-Herrero ve meslektaşları, bu alışılmamış durumu araştırmak için daha ufak bir parça ile çalışmak istediler. Grafendeki elektronik özellikleri incelerken, takım grafenin tabakalarının basit yığınları ile oynamaya başladı. Araştırmacılar, grafitlerden tek bir grafen pulunu ilk olarak soyup iki yaprak süper yapısını oluşturdular daha sonra yapışkan bir polimer ve bir bor nitrür yalıtım malzemesi ile kaplanmış bir cam slayt ile pulun yarısını dikkatli bir şekilde aldılar.

(Bir grafen örgüsü, ikinci bir grafen kafesine göre 'sihirli bir açıda' hafifçe döndüğünde oluşan moiré desenlerinin büyük ölçekli bir yorumu.)

     Daha sonra cam slaytı çok hafif döndürdüler ve grafen pulunun ikinci yarısını aldılar. Bu şekilde, grafenin orijinal bal peteği deseninden farklı olan bir ofset deseni ile bir süper kafes yarattılar.

     Jarillo-Herrero, "Rotasyon açısında 0.2 derece kayarsanız, özel durumu elde edemezsiniz. Süperiletkenlik veya Mott izolatörü elde edemezsiniz. Yani hizalama açısı ile çok hassas olmanız gerekiyor." diyor.

     1.1 derecede ( bir "magic angle" olduğu tahmin edilen bir açı) araştırmacılar, grafen süperşeritin, tüm elektronların momentumlarından bağımsız olarak aynı enerjiyi taşıdığı bir Mott yalıtıcısına benzer şekilde, düz bir bant yapısına elektronik olarak benzediğini buldular.

     Jarillo-Herrero, "Bir arabanın momentumunun (kütle ile hızın çarpımı) olduğunu düşünün. Saatte 30 km ile gidiyorsanız, belirli bir miktar kinetik enerjiniz vardır. Saatte 60 km hızda gidiyorsanız çok daha yüksek enerjiye sahip olursunuz. Sahip olduğunuz yüksek kinetik enerjiden dolayı 30 km/h hızla yaratacağınız etkiden daha büyük bir etkiye sahip olur ve çok daha fazla hasara sebebiyet verirsiniz fakat grafendeki sabit momentum durumunda 30 60 veya 90 km/h hızlarda hareket etmenizin önemi yoktur çünkü aynı enerjiye sahip olursunuz.

     Bu, elektronlar için, yarı dolu bir enerji bandını doldursalar bile, bir elektronun o grupta hareket etmesini sağlamak için diğer elektronlardan daha fazla enerjiye sahip olmadığı anlamına gelir. Bu nedenle, bu tür bir yarı dolu bant ile iletken yapıda olmasına rağmen, yalıtkan özellik gösterecektir.

     Bu, takıma bir fikir verdi: Bu Mott benzeri süper yarıklara elektron ekleyebilirlerdi, tıpkı bilim adamlarının onları süper iletkenlere çevirmek için oksijeni Mott izolatörlerine kattıkları gibi. Grafen sırayla süperiletken nitelikler alabilir miydi? Ve denemeler sonucunda belli bir miktar elektron eklenmesinden sonra araştırmacılar elektriğin hiç enerji harcanmadan aktığını gördüler aynı bir süper iletkende olduğu gibi.

     Jarillo-Herrero “Belki daha da önemlisi, araştırmacıların grafenin bir yalıtkan veya süperiletken gibi davranmasını kullanarak iki aşamayı da tek bir cihazda bir araya getireceğini “ söylüyor. Bu, bilim insanlarının yüzlerce kristalli geliştirmek ve manipüle etmek zorunda kaldığı diğer yöntemlerin aksine, her biri sadece bir elektronik aşamada davranacak şekilde yapılabilir.

     Artık bilim insanları her bir fazı incelemek için farklı kristallere ve zorlu aşamalara gerek duymadan tek bir karbon cihazında incelemelerini yapabilir bu bilim dünyası için gerçekten büyük bir gelişme.

Çeviri: Nezir DEMİRTAŞ

Kaynak: Massachusetts Institute of Technology - MIT

Yayınlama tarihi: 11.03.2018