Fiziğin ‘kutsal kase’sinin sırrını çözebilir: Süper iletkenin içindeki ‘şeytan parçacığı’ 67 yıl sonra bulundu

Bulunması zor ‘şeytan’ parçacığı, bilim insanları tarafından ilk kez dile getirmesinden 67 yıl sonra bir süper iletkenin içinde gözlemlenebildi. ‘Pines’ın şeytanı’ da denilen bu parçacık, süper iletken stronsiyum rutenat örneğinin içinde keşfedildi. Şeffaf ve yüksüz bir parçacık olan Pines’ın şeytanı, aynı zamanda bir plazmon. Yani bir plazmanın elektronları arasında parçacık gibi davranarak dalgalanma yaratıyor.

Bilim insanları plazmonların malzemelerin süper iletkenliğini kolaylaştırabileceğini düşünüyor. Fizikçiler bunun nasıl mümkün olduğunu anlayabilirse Pines’ın şeytanını fiziğin ‘kutsal kasesi’ olarak kabul edilen elektriğin neredeyse hiç kaybolmadan iletilebileceği oda sıcaklığındaki iletkenlerin önü açılabilir.

Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign’de fizik profesörü olan Peter Abbamonte, “Şeytan parçacıklar uzun zamandır teorik olarak var kabul ediliyordu ancak fizikçiler hiçbir zaman deneylerinde onları gözlemleyemedi. Aslında biz onu aramıyorduk bile. Ama doğru şeyi yapınca buluverdik” dedi.

David Pines 1956 yılında ‘şeytanı’nı ilk kez tasavvur etmiş ve farklı enerji bantlarındaki iki elektron kümesinin iki plazmon oluşturduğunda belirli metallerin içinde bu şeytan parçacığın ortaya çıkacağını öngörmüştü. Ancak bu plazmonlardan biri tepe noktasıyla, diğeri ise diple aynı hizaya gelecek şekilde birbirleriyle uyumsuz kalması halinde şeytanın ortaya çıkması mümkün olmuyordu.

Bir malzemenin tamamında plazmon oluşturmak için genellikle özel sıcaklıklar gerekir ancak Pines, kütlesiz, nötr ve bileşenlerini bir enerji karışımından alan yeni birleşik plazmonun oda sıcaklıklarında var olabileceğini savundu ve ‘belli bir elektron hareketine’ sahip teorik parçacığına ‘şeytan’ adını verdi. Ne var ki hem kütle hem de yükten yoksun olması bu parçacığı bulmayı zorlaştırdı.

Nature’da yayınlanan çalışmanın ardındaki fizikçiler ‘şeytanı avlamak’ için kristalize stronsiyum rutenata elektron verdiler ve elektronları geri aldıklarında enerjisini ölçtüler. Bunun ardından da malzemenin içindeki plazma dalgasının momentumunu hesapladılar.

Stronsiyum rutenatın içinde gizlendiğini keşfettikleri kuasipartikül, kütlesi olmayan elektronik mod tahminleriyle eşleşti. Sonraki deneylerde de ilk keşifle aynı sonucu alan ekip Pines’ın şeytanını bulduğunu anladı.

Kuantum teknolojisi şirketi Quantinuum’da fizikçi Ali Hüseyin, “İlk başta ne olduğu hakkında hiçbir fikrimiz yoktu. Şeytan parçacıklar ana akımda yer almıyor. Bu olasılık ilk başta aklımıza gelse de ciddiye almayıp gülüp geçtik. Ancak olasılıkları eledikçe şeytanı bulduğumuzu ciddi manada düşünmeye başladık” dedi.

Çalışmanın yazarları, diğer metaller üzerinde yapılacak daha ileri çalışmaların süper iletkenlerin nasıl çalıştığına dair temel bilgileri ortaya çıkarabileceğini söylüyor. Klasik teoriye göre süper iletkenlik, fonon olarak bilinen kuantum ölçeğindeki ses dalgalarının elektronları Cooper çiftleri dediğimiz çiftler halinde titreştirip davranışlarını baştan aşağı değiştirerek süper akışkan hale getirmesiyle ortaya çıktı.

Ancak Pines’ın şeytanının da elektronların bir araya getirilmesinde rol oynayabileceği ve bunun süper iletkenleri anlamak ve bu türden malzemeler üretmek için kullanılma olasılığını artırıyor.

Oda sıcaklığında süper iletkenlik için bir kez daha heyecanlandık ama…