Uluslararası bir araştırmacı ekibi, bir süperiletkenin dışarıdan ışık almayan (karanlık) bir elektromanyetik kaviteye (rezonatöre) bağlanarak süperiletkenliğinin değiştirilebileceğini gösterdi. Bu araştırma, bir malzemenin elektromanyetik ortamını değiştirerek özelliklerinin kontrol edilmesine kapı aralıyor.
Elektronik yapı, birçok malzeme özelliğini tanımlar ve bu da bazı özelliklerin elektromanyetik alanlar uygulanarak değiştirilebileceği anlamına gelir. Süperiletkenliğin bir manyetik alan tarafından yok edilmesi ve yarı iletkenlerdeki akımları kontrol etmek için elektrik alanlarının kullanılması buna bilindik iki örnektir.
Bir malzemenin, içindeki bir elektronik geçişle rezonansa giren ışıksız bir elektromanyetik kaviteye yerleştirilerek elektronik özelliklerinin nasıl kontrol edilebileceğine dair artan bir ilgi var. Bu senaryoda malzemeye dışarıdan herhangi bir alan uygulanmıyor; bunun yerine etkileşimler kavite içindeki kuantum vakum dalgalanmaları aracılığıyla gerçekleşiyor.
Fizikteki Nihai Hedeflerden Biri ABD’deki Columbia Üniversitesi’nden Itai Keren, Tatiana Webb ve Dmitri Basov’un da aralarında bulunduğu ekip, durumu şöyle açıklıyor: “Kavite malzemeleri araştırmalarındaki nihai hedef, elektromanyetik ortamı tasarlayarak karmaşık malzemelerin özelliklerini değiştirmektir.”
Araştırmacılar, küçük bir hekzagonal bor nitrür levhasından optik bir kavite oluşturdular. Bu kavite, organik bir düşük sıcaklık süperiletkeni olan κ-ET levhası ile arayüzlendi. Kavite, κ-ET’deki karbon-karbon bağlarının titreşimsel gerilmesini içeren bir kızılötesi geçişle rezonansa girecek şekilde tasarlandı.
Hekzagonal bor nitrür, hiperbolik bir van der Waals malzemesi olduğu için seçildi. Van der Waals malzemeleri, atomik kalınlıkta katmanların üst üste binmesiyle oluşur. Atomlar her katman içinde güçlü bir şekilde birbirine bağlıdır, ancak katmanlar birbirlerine van der Waals kuvvetiyle sadece zayıf bir şekilde bağlıdır. Katmanlar arasındaki boşluklar, levha içinde ileri geri yansıyan ışığı hapseden dalga kılavuzları olarak işlev görebilir. Sonuç olarak bu levha, momentum uzayında hiperboloid bir eşfrekans yüzeyine sahip optik bir kavite gibi davranır. Böyle bir kavite, çok sayıda modu ve vakum dalgalanmasını destekleyerek süperiletken ile olan etkileşimleri artırır.
Süperakışkan Baskılanması Araştırmacılar, kavitenin varlığının κ-ET’de (bir süperiletken, yüklü parçacıklardan oluşan bir süperakışkan olarak düşünülebilir) süperakışkan yoğunluğunda güçlü bir baskılanmaya neden olduğunu buldular. Ekip, manyetik kuvvet mikroskopisi kullanarak süperakışkan yoğunluğunun haritasını çıkardı. Bu işlem, süperiletkenin yüzeyine yakın bir yere çok küçük manyetik bir uç yerleştirmeyi içeriyordu. Ucun manyetik alanı süperiletkene nüfuz edemez (Meissner etkisi) ve bu durum, uçta süperakışkan yoğunluğuyla ilişkili bir kuvvet yaratır. Yapılan ölçümlerde, kavite arayüzü yakınında yoğunluğun %50’ye varan oranda düştüğü tespit edildi.
Ekip ayrıca, saçılma tipi taramalı yakın alan optik mikroskobu (s-SNOM) kullanarak kavitenin optik özelliklerini inceledi. Bu işlem, kavitenin yüzeyine dokunan bir atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ucuna sıkıca odaklanmış lazer ışığı ateşlemeyi içerir. Saçılan ışık, sadece ucun altındaki kavite bölgesinden gelen ışığın yakın alan bileşenini ortaya çıkarmak için işlenir.
Yüzeye dokunan uç, kavite içinde kafes titreşimlerini ışığa bağlayan parçacık benzeri uyarılmalar olan fonon polaritonları yaratır. Kavite boyunca yakın alan ışığının analizi, κ-ET’nin karbon gerilme modunun kaviteye bağlandığını doğruladı. Ekip tarafından yapılan hesaplamalar, kavite eşleşmesinin gerilme modu titreşimlerinin genliğini azalttığını öne sürüyor.
Fizikçiler süperiletkenliğin, elektronlar ve fononlar (kafes titreşimleri) arasındaki etkileşimlerden kaynaklanabileceğini biliyor. Bu nedenle, süperakışkan yoğunluğundaki azalmanın, gerilme modu titreşimlerinin baskılanmasıyla ilişkili olması muhtemeldir. Ancak κ-ET geleneksel olmayan bir süperiletken olduğu için bu durum kesin değildir; yani mekanizması henüz tam olarak anlaşılamamıştır. Bu nedenle yapılacak daha fazla deney, geleneksel olmayan süperiletkenlerin gizemlerine ışık tutabilir.
Araştırma ekibi, “Deneylerimizin daha fazla teorik çalışmayı teşvik edeceğinden eminiz” diyor ve pratik uygulamaların da mümkün olabileceğine inanıyor: “Çalışmamız, süperiletken özelliklerin manipülasyonuna doğru yeni bir yol gösteriyor.”
