SÜPER İLETKENLER NE KADAR KÜÇÜK OLABİLİRLER?

    süper iletkenler ne kadar küçük olabilirler?

    Çalışmada kullanılan kurşun nanokristalin topografik görüntüsü. Ölçek çubuğu: 10 nm.

         İlk kez, fizikçiler, küçük süper iletkenlerin ne kadar küçük olabileceği konusunda bir sınır koyan 1959 tarihli bir iddiayı deneysel olarak doğrulamışlardır. Nano ölçekte süperiletkenliği (veya eksikliğini) anlamak, diğer uygulamalar arasında gelecekte kuantum bilgisayarları tasarlamak için önemli olacaktır.

         1959'da fizikçi P.W. Anderson, süperiletkenliğin sadece belirli kriterleri karşılayacak kadar büyük nesnelerde var olabileceğini ileri sürdü. Yani, nesnenin süper iletken fark enerjisi, elektronik enerji düzeyi aralığından daha büyük olmalı ve bu aralık, boyut azaldığında artmaktadır. Kesme noktası (iki değerin eşit olduğu yerde), yaklaşık 100 nm3'lük bir hacme karşılık gelir. Şimdiye kadar, bu ölçekte süperiletken etkilerin gözlemlenmesindeki zorluklar nedeniyle Anderson limitini deneysel olarak test etmek mümkün olmamıştır.

         Nature Communications'da yayınlanan yeni araştırmada, Sergio Vlaic ve Paris Üniversitesi Bilimsel Araştırma Merkezi (CNRS) Üniversitesi'nde yazarların yazarları, Anderson'u ilk kez deneysel olarak araştırmalarına izin veren bir nanosistem tasarladı.

         Genel olarak süper iletkenlik, elektronlar Cooper çiftleri oluşturmak üzere birbirine bağlandığında oluşur. Cooper çiftleri bireysel elektronlardan biraz daha düşük enerjiye sahiptir ve bu enerji farklılığı süper-iletken fark enerjisidir. Cooper çiftlerinin daha düşük enerjisi normalde direnç yaratan elektron çarpışmalarını engeller. Süperiletken fark enerjisi çok düşük olursa süperiletken özelliği kaybolur. Örneğin, sıcaklık arttıkça elektron çarpışmaları devam eder ve nesne bir süper iletken olmayı bırakır.

         Anderson sınırı, küçük boyutun bir nesnenin bir süper iletken olmayı durdurabileceği başka bir yol olduğunu gösterir. Bununla birlikte, sıcaklığın artmasının etkilerinin tersine, daha küçük nesnelerin daha küçük bir süper-iletken fark enerjisine sahip olmamasıdır. Bunun yerine, daha küçük kristallerin daha az elektrona ve daha büyük kristallerden daha az elektron enerji seviyesine sahip olması nedeniyle ortaya çıkar. Bir elementin toplam olası elektron enerjisi, boyutu ne olursa olsun aynı kalacağı için, daha küçük kristaller, büyük kristallerden daha yüksek olan elektron enerji seviyeleri aralıklarına sahiptir.

         Anderson'a göre, bu büyük elektronik enerji seviyesi aralığı bir sorun teşkil ediyor ve aralık, süper-iletken boşluk enerjisinden daha büyük olduğunda süperiletkenliğin kaybolmasını bekliyordu. Bunun nedeni, genel olarak, yüksek aralıkların bir sonucunun, süperiletkenliğin ortaya çıkması için gerekli kinetik ve potansiyel enerji arasındaki rekabete neden olan potansiyel enerjide bir düşüş olmasıdır.

         Anderson sınırının çevresindeki cisimlerin süperiletkenliğine ne olduğunu araştırmak için, yeni çalışmadaki bilim adamları hacim olarak 20 ila 800 nm3 arasında değişen izole kurşun nanokristaller hazırladılar.

         Bu küçük nesnelerin süperiletkenliğini doğrudan ölçemezlerse de, araştırmacılar, süperiletkenlikten kaynaklanan parite etkisi diye bir şeyi ölçebilirler. Bir elektron bir süper iletkene eklendiğinde, ek enerji, kısaca, elektronların Cooper çiftleri oluşturmasından kaynaklanan bir elektron çiftinin olup olmamasından kısmen etkilenir. Bu da, Cooper çiftlerini oluşturan elektronlardan kaynaklanmaktadır. Elektronlar Cooper çiftlerini oluşturmazlarsa, süperiletkenlik göstermeyen parite etkisi olmaz.

         Parite etkisi daha önce büyük süper iletkenlerde gözlemlenmesine rağmen, bu çalışma, Anderson limitine yaklaşan küçük nanokristallerde ilk defa görülmüştür. Anderson'un 50 yıl önceki tahminlerine uygun olarak, araştırmacılar yaklaşık 100 nm3’ten daha büyük nanokristaller için parite etkisini gözlemledi.

         Sonuçlar, Anderson tahminini doğrulamakla kalmayıp aynı zamanda daha genel bir alan olan Richardson-Gaudin modellerini de kapsıyor. Bu modeller, çok küçük nesneler için konvansiyonel süperiletkenlik teorisine, Bardeen Cooper Schrieffer teorisine eşdeğerdir.

         Paris Sciences ve Lettres Üniversitesi'nden Hervé Aubin, "Anderson iddiasının deneysel gösterimimiz Richardson-Gaudin modellerinin geçerliliğinin bir göstergesidir" dedi. "Richardson-Gaudin modelleri teorik çalışmaların önemli bir parçasıdır çünkü tam olarak çözülebilirler ve çok çeşitli sistemlere uygulanabilirler; Sadece süper iletken nanokristaller değil, atom çekirdeği ve soğuk fermiyonik atom gazı da var, burada protonlar ve elektronlar gibi fermiyon olan nötronlar da Cooper çiftleri oluşturabilir. "

         Araştırmacılar, pratik açıdan gelecekteki kuantum bilgisayarlarda sonuçların olmasını bekliyorlar.

    Çeviri: Celal DEMİRTAŞ

    Daha Fazla:Sergio Vlaic et al. "Superconducting parity effect across the Anderson limit." Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms14549

    Yayınlama tarihi: 25.03.2017

.
.