Süperiletkenler, elektrik akımının direnç olmadan akmasına izin veren malzemelerdir. Bu benzersiz yetenek, onları verimli güç iletimi, enerji depolama, manyetik kaldırma sistemleri ve kuantum bilgisayarlar gibi teknolojiler için son derece değerli kılar.
Zorluk, süperiletkenliğin genellikle günlük koşulların çok altında, sadece çok düşük sıcaklıklarda gerçekleşmesidir. Bu sınırlama yaygın pratik kullanımı önlemiştir. Bu tablo, hidrojen açısından zengin malzemelerde süperiletkenliğin keşfiyle değişmeye başladı. Hidrojen sülfür (H 3 S), 203 Kelvin'de (-70 ° Celsius) süperiletken olurken, lannanum decahydrid (LaH10) 250 Kelvin'de (-23 ° CİJüle) süperiletkenliğe ulaşır. Bu sıcaklıklar daha önceki süperiletkenlerinkinden çok daha yüksektir ve sıvı azotun kaynama noktasının üzerindedir, bu yüzden bilim adamları onları yüksek sıcaklık süperiletkenleri olarak sınıflandırır. Keşifleri, oda sıcaklığındaki süperiletkenliğin uzun süredir devam eden hedefine doğru büyük bir adım attı.
Süperiletken Boşluğu ve Neden Çok Önemli
Süperiletkenliğin kalbinde, süperiletkenlik boşluğu olarak bilinen bir özellik vardır. Bu özellik, elektronların süperiletken durumu oluşturmak için nasıl bir araya geldiğini ve bir süperiletkeni sıradan bir metalden ayıran net bir imza olarak hizmet ettiğini ortaya koymaktadır.
Süperiletken boşluğu anlamak esastır, çünkü elektronların malzeme içinde nasıl etkileşime girdiğini doğrudan yansıtır. Bu boşluğu ölçmeden, bilim adamları bir malzemenin neden süperiletken hale geldiğini veya hangi mekanizmanın direncin ortadan kalktığını tam olarak açıklayamıyorlar.
Hidrojen Süperiletkenleri Ölçmek Neden Bu Kadar Zor
Önelerine rağmen, H3 S gibi hidrojen açısından zengin süperiletkenler çalışmak son derece zor olmuştur. Bu malzemeler sadece atmosferik basıncı bir milyondan fazla aşan muazzam baskılar altında yaratılabilir. Bu aşırı durumlar nedeniyle, tarama tüneli spektroskopisi ve açıdan çözünmüş fotoemimittedselsikliği gibi yaygın olarak kullanılan teknikler uygulanamaz.
Sonuç olarak, bu malzemelerdeki süperiletkenlik boşluğu ölçülemez kalmıştır ve bilim adamlarının hidrojen açısından zengin bileşiklerde yüksek sıcaklık süperiletkenliğinin nasıl çalıştığına dair anlayışında büyük bir boşluk bırakmıştır.
Yeni Bir Tünelleştirme Tekniği Bariyeri Kırıyor
Bu sorunu çözmek için Mainz’deki Max Planck Enstitüsü’ndeki araştırmacılar, bu aşırı basınçlar altında çalışabilen bir düzlemsel elektron tünelleme spektroskopi yöntemi geliştirdiler. Bu yeni yaklaşım, H 3 S'deki süperiletken boşluğunu ilk kez doğrudan araştırmayı mümkün kıldı.
Bu teknikle ekip, hidrojen açısından zengin malzemelerde süperiletken durumun net bir resmini elde etti ve yıllarca sahada sınırlı ilerlemesi olan bir bariyerin üstesinden geldi.
Ölçümler ne ortaya çıktı
Araştırmacılar, H 3 S'nin yaklaşık 60 milielektronvolt (meV) tamamen açık bir süperiletken boşluğuna sahip olduğunu bulmuşlardır. Ayrıca, 3yaklaşık 44 meV'lik daha küçük bir boşluk gösteren döteryum muadili D 3 S'yi de çalıştılar. Deuterium bir hidrojen izotopudur ve bir tane daha nötron vardır.
Bu fark önemlidir, çünkü H 3 S'deki süperiletkenliğin elektronlar ve fononlar arasındaki etkileşimler tarafından yönlendirildiğini doğrulamaktadır. Telefonlar, bir malzemenin atomik kafesinin ölçülebilir titreşimleridir. Sonuçlar, hidrojen açısından zengin bileşiklerde süperiletkenliğin arkasındaki mekanizma hakkında uzun süredir devam eden teorik tahminleri desteklemektedir.
Neden Bu Atılım Önemlidir
Mainz'deki araştırmacılar için başarı teknik başarının ötesine geçiyor. Hidrojen bazlı malzemelerde yüksek sıcaklık süperiletkenliğinin temel kökenlerini ortaya çıkarmak için bir temel sağlar. “Bu tünelleme tekniğini diğer hidrit süperiletkenlere genişleterek, daha yüksek sıcaklıklarda süperiletkenliği sağlayan temel faktörlerin belirlenebileceğini umuyoruz. Bu, sonuçta daha pratik koşullar altında çalışabilecek yeni malzemelerin geliştirilmesini sağlamalıdır, ”diyor Dr. Feng Du, şimdi yayınlanan çalışmanın ilk yazarı.
Dr. "Kasım 2024’te ölen yüksek basınçlı süperiletkenlik araştırmalarının önde gelen isimlerinden Mikhail Eremets, çalışmayı “2015’te H 3 S’de süperiletkenliğin keşfinden bu yana hidrit süperiletkenliği alanındaki en önemli çalışma” olarak nitelendirdi." Max Planck Kimya Enstitüsü’nde Yüksek Basınçlı Kimya ve Fizik proje lideri Vasily Minkov şunları ekledi: “Mikhail’in oda sıcaklığında ve ılımlı basınçlarda çalışan süperiletkenler vizyonu, bu çalışma aracılığıyla gerçeğe bir adım daha yaklaştı.”
Süperiletkenliğin Kısa Tarihi
Superiductivity, bazı malzemelerin direnç olmadan elektrik akımı iletme yeteneğini ifade eder. İlk olarak 1911'de Heike Kamerlingh Onnes tarafından saf cıvada keşfedildi. Onlarca yıl boyunca, bilim adamları bu fenomenin sadece mutlak sıfıra (-273 ° C) yakın sıcaklıklarda meydana gelebileceğine inanıyorlardı.
Bu varsayım, 1980lerin sonlarında Georg Bednorz ve Karl Alexander Müller, normal atmosferik basınç altında yüksek sıcaklık süperiletkenliği sergileyen bardaklar olarak da bilinen bakır oksit süperiletkenlerini keşfettiklerinde değişti. Bu keşif dünya çapında araştırma çalışmalarına yol açtı.
Zamanla, bilim adamları cortam basıncında yaklaşık 133 K ve yüksek basınç altında 164 K kritik sıcaklıklara (Tc) ulaştılar. İlerleme daha sonra hidrojen açısından zengin bileşikler resme girene kadar durdu.
Hidrojen-Zengin Malzemeler Sınırları İtiyor
H 3 S'de süperiletkenliğin keşfi, Dr. liderliğindeki araştırma grubu tarafından T c = 203 K ile megabar basınçlarda. Mikhail Eremets, bir dönüm noktasını temsil ediyordu. Kısa bir süre sonra, YH9 (T c ≈ 244 K) ve LaH10 (T c ≈ 250 K) gibi hidrojen açısından zengin metal hidritlerde daha da yüksek kritik sıcaklıklar gözlendi.
Mevcut teorik modeller şimdi, aşırı basınca maruz kaldığında oda sıcaklığının üzerindeki süperiletkenliğin, hidrojen ağırlıklı birkaç sistemde mümkün olabileceğini göstermektedir.
Cooper Çiftleri ve Süperiletken Boşluğunun Anlamı
Normal metallerde, Fermi seviyesine yakın elektronlar serbestçe hareket edebilir. Fermi seviyesi, elektronların mutlak sıfırda katı bir şekilde işgal edebileceği en yüksek enerji seviyesini temsil eder. Bir malzeme süperiletken olduğunda, elektronlar bunun yerine Cooper çiftleri olarak bilinen eşleştirilmiş durumları oluşturur ve kolektif bir kuantum durumuna girer.
Bu durumda, eşleştirilmiş elektronlar, elektrik direncini ortadan kaldıran kristal kafeste fononları veya safsızlıkları dağıtmadan birlikte hareket eder. Bu eşleştirme, süperiletken boşluk adı verilen Fermi seviyesine yakın bir enerji boşluğu yaratır. Boşluk, bir Cooper çiftini kırmak için gereken minimum enerjiyi temsil eder ve süperiletken durumu rahatsızlıklara karşı stabilize ederek koruyucu bir rol oynar.
Süperiletken boşluk, süperiletkenliğin belirleyici bir özelliğidir. Boyutu ve simetrisi, elektronların nasıl etkileşime girdiği ve eşleştirdiğine dair kritik bir fikir verir ve bu da onu altta yatan süperiletişim mekanizmasının önemli bir parmak izi haline getirir.
