Bilim dünyasında uzun süredir merak konusu olan demir tellürid bileşiğinin süperiletkenliği, ABD’li araştırmacıların yaptığı çalışmalarla netlik kazandı. Normalde demir tellürid kristal yapısındaki fazla demir atomlarının yarattığı düzensizlik nedeniyle süperiletkenlik göstermezken, saflaştırılmış ince filmler üzerindeki deneyler bu engelin aşılabileceğini ortaya koydu. Bu bulgu, ironik olarak diğer benzeyen malzemeler süperiletkenlik sergilerken demir tellüridin neden antiferromanyetik kalmaya devam ettiği sorusunu da yanıtlıyor.
Demir tabanlı süperiletkenler, özellikle demir selenid gibi kalsöjenid grubu bileşiklerde, karmaşık faz diyagramlarıyla anılır. Bu diyagramlarda antiferromanyetik ve süperiletken haller birbirleriyle yarışır. Periyodik tabloda selenyumun hemen altında bulunan tellür elementine rağmen, saf demir tellüridin süperiletkenlik göstermemesi uzun zamandır bilim insanlarını şaşırtıyordu. Örneğin, demir tellürid içerisine selenyum eklenerek süperiletkenlik uyarılabiliyor, bu da bileşiğin yapısal açıdan “ebeveyn bileşik” olduğu teorisini güçlendiriyordu.
Rice Üniversitesi’nden Pengcheng Dai, demir tellüridin manyetik yapısının diğer demir temelli süperiletkenlerden tamamen farklı olduğunu ve bu durumun alandaki çözülemeyen bir bilmece olduğunu ifade ediyor. Dai, selenyumla doplandığında elektriksel ve manyetik özelliklerin diğer süperiletkenlerle aynı konumlarda ortaya çıktığına dikkat çekiyor. Ancak bu farklılığın neden kaynaklandığına dair tartışmalar son derece sınırlıydı.
Penn State Üniversitesi’nden Cui-Zu Chang ve ekibi ise demir tellürid üzerinde tellür bileşiklerinin büyütülmesi çalışmalarında süperiletkenlik bulmuştu. Fakat teorisyenler arasında saf demir tellüridin kendisinde süperiletkenlik olabileceğine dair bir fikir yaygın değildi. Chang’in deneysel yaklaşımı nedeniyle ekip, ön yargısız olarak saf demir tellürid filmlerinin süperiletkenlik durumunu araştırmaya karar verdi.
Araştırmacılar, stronsiyum titanat substratı üzerine yüksek saflıkta gaz fazındaki demir ve tellür atomlarıyla yaklaşık 40 katman kalınlığında demir tellürid filmler üretti. Taramalı tünelleme mikroskobu incelemelerinde antiferromanyetik düzen gözlemlendi; ancak elektron mikroskobuyla yapılan detaylı analizlerde, kristal yapıda fazla ve düzensiz konumlanmış demir atomlarının kümeler oluşturduğu belirlendi. Bu fazla demir atomlarının, süperiletkenliği engelleyen ana faktör olduğu anlaşıldı.
Bunun üzerine araştırmacılar, üretilen ince filmleri saf tellür damlatarak defalarca tavlama işlemine tabi tuttu. Bu işlem fazla demirin yapısal bağlarından koparak yüzeye yeni demir tellürid bileşikleri oluşturmasını sağladı ve böylece film daha saf, yani stoikiometrik FeTe haline geldi. Yapılan beş tavlama döngüsünün ardından, materyalin antiferromanyetik özelliği kayboldu, yerini yaklaşık 13,5 Kelvin kritik sıcaklıkta çalışan güçlü bir süperiletkenlik aldı. Araştırmayı doğrulamak için Josephson etkisi, Cooper çiftlerine ait tünelleme ve diğer süperiletkenlik belirtileri kaydedildi.
Demir tellüridin bu keşfi, bilimin sınırlarını genişletme potansiyeline sahip. Özellikle Chang, tellür atomunun selenyumdan daha ağır olması nedeniyle, güçlü bir spin-orbit bağlanması yaratacağını ve bunun malzemenin aynı anda bir topolojik yalıtkan ve süperiletken olmasını sağlayabileceğini belirtiyor. Bu tür topolojik süperiletkenler, kuantum hesaplama alanında korumalı Majorana qubitleri barındırma ihtimalleriyle büyük önem taşıyor. İlk örneklerinden biri olan uranyum ditellüridin ardından, demir tellürid de bu heyecan verici kategoriye katılabilir.
Araştırmanın tamamlayıcısı Dai ise bulguların, demir tabanlı süperiletkenlerin evrensel manyetik yapısını ortaya koyduğu için alandaki temel bir sorunu çözdüğünü ifade ediyor. Substratın malzemeyi etkileyebileceği ve dolayısıyla kesin sonuç için ilave tekniklerin gerekeceği konusunda temkinli olsa da, deneylerin bilimsel görüş birliğine önemli katkı sağlayacağını vurguluyor. Bu çalışma, süperiletkenliğin görünmez veya bastırılmış olduğu diğer malzemelerin de incelenmesi gerektiğine dair heyecan verici bir çağrı niteliğinde.
Araştırmanın detayları Nature dergisinde yayımlandı ve demir tellürid üzerine gelecekte yapılacak çalışmalar için sağlam bir temel oluşturdu. Bu keşif, malzeme bilimi ve kuantum teknolojileri alanında yeni kapılar aralayarak, süperiletkenliğin kökenleri ve uygulamalardaki potansiyelini yeniden şekillendirebilir.
📎 Kaynak: physicsworld.com
