Hamburg’daki Max Planck Enstitüsü’nden (MPSD) ve ABD’deki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndan bir araştırmacı ekibi, terahertz ışık darbeleri kullanarak süperiletkenlerdeki düzensizliği incelemenin yeni bir yolunu gösterdi.
Ekip, nükleer manyetik rezonansta kullanılan teknikleri terahertz spektroskopisine uyarlayarak, ilk kez süperiletken geçiş sıcaklığına kadar taşıma özelliklerindeki bozukluğun gelişimini takip edebildi. Çalışma Nature Physics’te yayınlandı.
Yoğun madde fiziği bağlamında düzensizlikten, yani süperiletkenlerin yapısındaki ve davranışındaki bozukluktan bahsediyoruz; bu, atomların veya moleküllerin eşit olmayan dağılımı gibi bir sistemin yapısında veya davranışında rastgele veya düzensiz dalgalanmaların varlığını ifade eder. kristal yapıdaki kusurlar veya kusurlar, sıcaklık veya basınçtaki rastgele dalgalanmalar ve malzemedeki elektronların veya diğer parçacıkların eşit olmayan dağılımı. Fizikte düzensizliğin önemi yalnızca onu incelemenin zorluğuyla eşleşir. Örneğin, yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin özellikleri büyük ölçüde katının kimyasal bileşimindeki değişikliklere bağlıdır.
Taramalı tünelleme mikroskobu gibi düzensizliği ve bunun özellikler üzerindeki etkisini ölçen teknikler yalnızca çok düşük sıcaklıklarda çalışır ve geçiş sıcaklığına yakın bu fiziği hesaba katmaz.
Elektrik akımının dirençsiz akmasını sağlayan bir kuantum olgusu olan süperiletkenlik, dönüştürücü teknolojik etkisi nedeniyle yoğun madde fiziğinin en önemli olgularından biridir.
Kuprat süperiletkenleri gibi “yüksek sıcaklıklarda” (yaklaşık -170°C) süperiletken hale gelen birçok malzeme, özelliklerini düzensizliğe neden olan kimyasal katkılamadan alır. Ancak bu kimyasal değişimin süper iletken özellikleri üzerindeki kesin etkisi belirsizliğini koruyor. Cuprat süper iletkenleri, yapısında bakır (Cu) ve oksijen (O) içeren bir süper iletken türüdür. Çeşitli alanlarda kullanım için büyük umut vaat eden, ancak aynı zamanda mevcut sorunların ve sınırlamaların üstesinden gelmek için daha fazla araştırma ve geliştirme gerektiren umut verici malzemelerdir.
Genel olarak süperiletkenlerde ve yoğunlaştırılmış sistemlerde düzensizlik genellikle son derece keskin metal uçlar gibi hassas uzaysal çözünürlüğe sahip deneyler kullanılarak incelenir. Bununla birlikte, bu deneylerin hassasiyeti, süperiletken geçişin çok altındaki sıvı helyum sıcaklıklarına uygulanmasını sınırlandırmakta, dolayısıyla geçişin kendisiyle ilgili birçok temel sorunun araştırılmasını engellemektedir.
Başlangıçta nükleer manyetik rezonans için geliştirilen ve daha sonra moleküler ve biyolojik sistemler üzerinde çalışan kimyagerler tarafından görünür ve ultraviyole optik frekanslara uyarlanan çok boyutlu spektroskopi tekniklerinden ilham alan MPSD araştırmacıları, bu teknik sınıfını katıların kolektif modlarının rezonansa girdiği terahertz frekans aralığına kadar genişletti. .
Bu yöntem, tipik olarak darbelerin bir yönde yayıldığı eşdoğrusal bir geometride, birkaç yoğun terahertz darbesi ile bir malzemenin sırayla uyarılmasını içerir.
Ekip, kuprat süperiletken La 1.83 Sr 0.17 CuO 4’ü (minimum ışığın geçmesine izin veren opak bir malzeme) incelemek için, ilk kez eşdoğrusal olmayan bir geometride iki boyutlu terahertz spektroskopisini (2DTS) uygulayarak geleneksel tasarımı genişletti. araştırmacıların belirli terahertz yönlü doğrusal olmayanları radyasyonlarından izole etmelerine olanak tanır.
Bu açı çözümlemeli 2DTS teknolojisini kullanan araştırmacılar, “Josephson ekosu” adını verdikleri bir olgu olan, terahertz darbeleri ile uyarımdan sonra kuprattaki süper iletken taşınımın geri kazanıldığını gözlemlediler.
Bu yankılar, süperiletken taşınmadaki bozukluğun, taramalı mikroskopi deneyleri gibi uzaysal olarak çözümlenmiş teknikler kullanılarak ölçülen süperiletken boşlukta gözlemlenen karşılık gelen düzensizlikten önemli ölçüde daha düşük olduğunu gösterdi.
Dahası, 2DTS yönteminin çözünürlük çok yönlülüğü, ekibin ilk kez süperiletken geçiş sıcaklığına yakın düzensizliği ölçmesine ve geçiş sıcaklığının nispeten yüksek %70’ine kadar stabil kaldığını bulmasına olanak tanıdı.
Araştırmacılar, bakır süperiletkenlerin özelliklerine dair daha fazla bilgi sağlamanın yanı sıra, bu ilk deneylerin birçok yöne kapı açtığını da vurguladı. Açı çözümlemeli 2DTS’nin diğer süperiletkenlere ve kuantum malzemelerine daha geniş anlamda uygulanmasına ek olarak, 2DTS’nin ultra hızlı doğası, onu geleneksel düzensizlik probları için fazla geçici olan maddenin geçiş durumlarına uygulanabilir hale getirir.