Hint merkezli uluslararası bir fizikçi ekibi, ilk kez zaman tersine simetrisi olarak bilinen kuantum özelliğini bozabilen tip I süper iletken bir malzeme üretti. Hindistan Bilim Eğitimi Araştırmaları Enstitüsü (IISER) Bhopal önderliğindeki ekip, ytterbium diantimonide (YbSb2) adlı tek kristalleri sentezledi ve malzemenin elektrik ile kuantum özelliklerini analiz ederek bu nadir davranışın fiziksel temellerini açıkladı. Malzeme, yaklaşık -272 santigrad derecede (-457,6 Fahrenheit), yani mutlak sıfıra çok yakın bir sıcaklıkta süper iletkenliğe geçiyor ve kuantum bilgisayarlarda daha sağlam tasarımlar için umut veriyor.
Süper iletkenler, belirli koşullar altında elektrik akımını dirençsiz ve dolaylı enerji kaybı olmadan aktarır. Bileşimleri, çalışma sıcaklık aralıkları ve manyetik özellikleri malzemeden malzemeye değişse de bu malzemeler iki temel gruba ayrılır. Bunlardan ilki, konvansiyonel ve konvansiyonel olmayan süper iletkenlerin elektronlarının Cooper çiftleri denilen birleşik durumlar içinde nasıl dolandığını; ikincisi ise tip I ve tip II süper iletkenlerin manyetik alanlara farklı tepkiler vererek belirli eşiklerde aniden normal iletkenlere dönüşmesini kapsar.
Zamanın Nasıl Bozulduğu
Konvansiyonel olmayan ve tip II çeşitler genellikle daha egzotik kabul edilir; özel mühendislik gerektirmeleri nedeniyle fiziksel sınırları zorlar. Yine de bu yeni malzeme, ilk kez bir tip I süper iletkenin zaman tersine simetrisini bozabildiğini göstermesiyle dikkat çekiyor. Zaman tersine simetrisi, fiziğin çoğu yasasının zaman matematiksel olarak ileri veya geri akarken aynı derecede işlediği merak uyandırıcı bir gözlemdir.
Ekip, malzemenin elektrik direncinin sıfıra düştüğünü ve yaklaşık -272 santigrad derecede (-457,6 Fahrenheit) aniden süper iletkenliğe geçtiğini belirledi. Bu sıcaklık, mutlak sıfır olarak bilinen -273,15 santigrad dereceden çok hafif yüksektir. Isı kapasitesi ölçümleriyle birleştirilen elektronların ısıl tepkileri, malzemenin tip I süper iletken özellikleri sergilediğini doğruladı.
Bu ölçüm aynı zamanda malzemenin “tamamen açıklıklı” durumunu da teyit etti; yani eşleşen elektronlarını ayırmayı zorlaştıran ve dolayısıyla süper iletken durumu bozmayı zorlaştıran bir enerji bariyerine sahip olduğu anlamına geliyor.
IISER Bhopal Araştırma Ekibi
Fizikçiler, malzemenin içindeki manyetik alanları açılar (temel altatomik parçacıklar) püskürterek ortaya çıkaran kuantum problama tekniği olan iki farklı muon spin spektroskopisi de kullandı. Açılar, küçük mıknatıslar gibi davranan temel atomaltı parçacıklardır. Dış manyetik alan uygulamadan bu işlemi yaptıklarında, malzeme süper iletken faza girdiği anda içinde kendiliğinden tiny iç manyetik alanların belirdiğini ortaya koydular.
Kendiliğinden Simetri Bozumu
Bu bulgu, YbSb2’nin zaman tersine simetrisini bozabileceğine dair ana kanıtı sağladı; çünkü manyetik alanlar zaman matematiksel olarak geri alındığında yönlerini değiştirir. Değiştirmeseydiler, bu nadir özelliği rather than bozmak yerine korurlardı. Kuantum problama tekniğinin başka bir versiyonunda fizikçiler, malzeme açılarla bombardıman ederken dış manyetik alanlar uyguladı.
Ayrıca malzeme kütlesel süper iletken durumdaiken, YbSb2’nin elektronları geleneksel biçimde çiftleşmiyor. Bunun yerine, elektronların spinlerinin olası birleşimlerinden dolayı triplet olarak adlandırılan konvansiyonel olmayan bir “spin triplet”i oluşturuyorlar. Bu eşleşme, YbSb2’nin dış manyetik alana ihtiyaç duymadan zaman tersine simetrisini kendiliğinden bozmasını sağlıyor.
Bu durum, malzemenin net bir manyetik momente sahip olduğu “içsel antisimetrik ünite olmayan triplet (INT) durumu” olarak adlandırılıyor; manyetik kuvvetleri birbirini götürmüyor.
IISER Bhopal Araştırma Ekibi
Fizikçiler tripletleşmenin nasıl oluştuğunu anlamak için malzemeni temel fiziksel özelliklere dayalı olarak modelledi ve her birleşen elektronun farklı enerji yörüngelerinden geldiğini ortaya koydu. Bu nedenle, birleşik özellikleri YbSb2’ye “açıklıksız Majorana yüzey modları” barındırabilme özelliği kazandırabilir.
Kuantum Bilgisayarlara Doğru
Bu durum, düşük sıcaklıklarda malzemenin kütlesinin elektronların pürüzsüz aktığı bir süper iletken gibi davranırken yüzeyinin Majorana modları ortaya çıkarabileceği anlamına geliyor; bunlar kendi antiparçacıkları gibi davranan kuantum uyarılımlarıdır. Bu, teorik bir başarıdan daha fazlası olabilir.
Bu “topolojik kuantum malzemeleri”, kuantum bilgisini ısı veya elektromanyetik gürültü gibi dış koşullara karşı daha az hassas hale getirerek koruyabilir; bunlar kuantum sistemlerini dolanmış (dolayısıyla kullanışlı) durumlarından çıkarıp onları sıradan bilgisayarların hesaplama gücüne indirgeyen girişim kaynaklarıdır.
Araştırma, Physical Review Letters dergisinde yayımlandı. Bu makale Fiona MacDonald tarafından doğrulandı ve düzenlendi.
İlk yorumu siz yazın
Fikrinizi bir kaynak, soru veya yapıcı karşı görüşle geliştirin.