Bilim dünyası, grafen tabanlı bir materyalde süper akışkanın aniden akışını durdurduğu yeni bir faz geçişi keşfiyle heyecanlandı. Columbia Üniversitesi’nden fizikçiler, iki atom kalınlığındaki grafen katmanlarından oluşan yapıda gözlemledikleri bu durumun, doğada ilk kez süper akışkanın izolatöre dönüşümünü gösteren bir süperkatı (supersolid) hali olabileceğini öne sürüyor. Bu bulgu, kuantum fiziğinde uzun zamandır teorik olarak varlığı konuşulan ancak deneysel kanıtı zayıf olan bir evrenin kapılarını aralıyor.
Araştırmada, grafenin olağanüstü özellikleri önemli rol oynadı. İki grafen tabakası üst üste yerleştirildiğinde, birinde ekstra elektronlar, diğerinde ise delikler (elektron eksiklikleri) birikiyor. Bu elektron-delik çiftleri, exciton adı verilen kuasi-parçacıkları oluşturuyor. Güçlü manyetik alan altında, bu excitonlar süper akışkan gibi hareket ederek elektrik dirençsiz bir akış sağlıyor. Columbia Üniversitesi ekibi, elektrik alanlar uygulayarak exciton yoğunluğunu hassas biçimde kontrol edebildi ve böylece süper akışkanın davranışlarını detaylıca inceleme fırsatı buldu.
Yüksek exciton yoğunluğunda sistem, beklenildiği gibi akışkan ve dirençsiz kalırken; yoğunluk belirli bir eşik değerinin altına düştüğünde excitonlar “dondu” ve süper akışkanlık durdu. Öne çıkan nokta ise ısıtma işlemiyle birlikte bu akışkan halinin tekrar geri gelebilmesiydi. Araştırma lideri Cory Dean, “Bu durum tıpkı suyun donup buz hâline gelmesi gibi, ama kuantum seviyesinde” diyor. Bu alışılmışın dışında davranış, parçacıklar arasındaki etkileşimlerin kendiliğinden süperkatı benzeri bir faz oluşturduğunu gösteriyor. Süperkatı, yapısal bir kristal örgü ile süper akışkanlığın aynı anda var olabildiği, sıra dışı bir madde hali olarak biliniyor.
Çalışmanın bir diğer yeniliği, eşit yoğunlukta elektron ve delikten oluşan katman dengesi dışına çıkarak dengesiz durumlar üzerinde odaklanması oldu. Bu daha az incelenmiş rejimlerde excitonlar, belirli bir dengesizlik eşiğinin aşılmasıyla süper akışkanlıktan yalıtkan (izolatör) faza geçti. Fizikçiler, sistem ısıtıldığında süper akışkanlığın yeniden ortaya çıkmasını ise daha önce süper akışkanlarda gözlemlenmemiş sıra dışı bir fenomen olarak tanımlıyor. Böylece deney, dokunulması güç kuantum dalgalanmalarının ve madde hal geçişlerinin kapsamını genişletiyor.
Süperkatı olarak tanımlanan bu yeni matbaa hâlinin kesinliği için ise hâlâ bazı belirsizlikler var. Katı fazda hareketlerin gözlenmesi ve anlaşılması, ultra temiz örnekler, düşük sıcaklıklar ve güçlü manyetik alanlar gerektirdiğinden deneysel olarak oldukça zorlu. Geliştirilen yöntemlerin ve yeni tarama tekniklerinin yardımıyla, exciton kondensatının mekânsal olarak haritalanması hedefleniyor. Bu sayede madde halinin yapısı ve geçiş dinamikleri daha net anlaşılabilecek.
Araştırma, kuantum malzemelerde dinamik kontrolün mümkün olduğunu ve gelecekte süper katı gibi egzotik fazların gerçek cihazlarda kullanılabileceğini işaret ediyor. Manyetik alana ihtiyaç duymayan malzemeler üzerinde yapılacak çalışmalar ise bu alandaki uygulama potansiyelini bütünüyle değiştirebilir. Kuantum teknolojilerinden enerji iletimine kadar pek çok alanda devrim yaratabilecek bu çalışma, grafik bazlı üretim ve nanoelektronikte yeni kapılar açacak gibi görünüyor.
📎 Kaynak: physicsworld.com
