“Jenga Kimyası” ile Nikel Oksit Malzemede Süperiletkenlik

Fotoğraf:  Çizim, yeni tipte bir süperiletken malzeme yaratılmasında önemli bir adımı göstermekte: Jenga oyunundaki kuleden bir blok çekmek gibi, bilim adamları da bir oksijen atomu tabakasını düzgün bir şekilde kaldırmak için kimyayı kullandılar. Bunun sonucunda oluşan yeni atomik yapı -nikelat- %100 verimlilikle elektriği iletebilmektedir. (Greg Stewart/SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı)

“Jenga kimyası” ile yapılan keşif, yüksek sıcaklıktaki süperiletkenlerin nasıl çalıştığının gizemini kırmaya yardımcı olabilir.

SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ve Stanford Üniversitesi Enerji bölümündeki bilim adamları, süperiletkenlik belirtileri – elektrik akımını enerji kaybı olmadan iletme yeteneği- gösteren ilk nikel oksit malzemesini yaptılar.

1986 yılında bir kuprat perovskit maddede süperiletkenliğin keşfedilmesi, süperiletkenlerle oda sıcaklığına yakın bir ortamda çalışılabileceğine, elektronik cihazlar, güç aktarımı ve diğer teknolojilerde devrim yaratılabileceğine dair umutları arttırmıştı. Yeni konvansiyonel olmayan süperiletken ailesinin ilki olan nikelat, bakır oksitlere veya kupratlara (genel olarak gevşek bakır anyonları içeren bileşikler) benzediği için bilim adamlarının nispeten yüksek sıcaklıklarda da nikelatın süperiletken olup olmadığını merak etmelerini sağladı.

Aynı zamanda bu yeni malzeme, tüm süperiletken kupratların sahip olduğu manyetizma türünü içermeyebileceği gibi bazı açılardan kupratlardan farklı görünüyor ve bu, alışılmadık süperiletkenlerin nasıl çalıştığıyla ilgili önde gelen teorileri bozabilir.

Stanford Malzeme ve Enerji Bilimleri Enstitüsü (SIMES) ile doktora sonrası araştırmacı olan Danfeng Li tarafından yürütülen deneyler Nature isimli dergide yer aldı.

Çalışmaya dahil olmayan, ancak dergideki makaleye eşlik eden British Columbia Üniversitesi’nde fizik ve kimya profesörü olan George Sawatzky yeni malzeme için, “Bu, elektronik yapının ayrıntılarını ve malzemedeki olası süperiletkenlik mekanizmalarını yeniden gözden geçirmemizi gerektiren çok önemli bir keşif. Çok sayıda insan bu yeni materyal sınıfını araştıracak, her türlü deneysel ve teorik çalışma yapılacak” dedi.

Şekil: SLAC ve Stanford’daki bilim adamları, yeni bir süperiletken malzeme türü oluşturmak için ilk önce perovskit (kalsiyum titanyum oksit bileşiğiyle aynı kristal yapıya sahip herhangi bir bileşik) olarak bilinen yaygın bir malzemeden -solda- ince bir film yaptılar. Stronsiyum eklendi ve daha sonra onu, Jenga bloklarından oluşan kuleden bir bloğu çıkarmak gibi, oksijen atomu tabakasını ayırıp çeken bir kimyasal maddeye maruz bıraktılar. Böylece film nikelat olarak bilinen farklı bir atomik yapıya çevrildi. Testler, bu nikelatın hiç direnç göstermeden elektriği ileteceğini gösterdi. (Danfeng Li / SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ve Stanford Üniversitesi)

Zor Bir Yol

Bilim adamları kuprat süperiletkenlerinin keşfedilmesinden bu yana, periyodik tabloda bakırın hemen yanında bulunan nikel bazlı benzer oksit malzemeler üretmeyi hayal ettiler.

Fakat süperiletkenliğe elverişli olan atomik yapıya sahip nikelatlar yapmak beklenmedik bir şekilde zor oldu.

Li, “Yapmaya çalıştığımız nikelat,  süperiletken malzemelerin normal olarak birleştiği çok yüksek sıcaklıklarda – yaklaşık 600°C – bildiğimiz kadarıyla sabit değil” dedi. “Bu yüzden yüksek sıcaklıklarda istikrarlı bir şekilde büyüyebilecek bir şeyle başlamamız ve daha düşük sıcaklıklarda istediğimiz forma dönüştürmemiz gerekiyordu.”

Neodimyum, nikel ve oksijen içeren, benzersiz çift piramit atom yapısıyla bilinen bir malzeme olan perovskit ile çalışmaya başladı. Sonrasında elektronların daha serbest bir şekilde akması için malzemeye stronsiyum ekledi.

Li, elektronların nikel atomlarından uzaklaştığında “delikler” oluştuğunu ve nikel atomlarının bundan memnun olmayıp dengesiz hale geldiğini söyledi.

Bir sonraki adımı attı; yüzeyde ince bir film büyütmek. Fakat bu işlem gerçekten zor olduğundan başarması altı ayını aldı.

Jenga Kimyası

Sonrasında Li filmi küçük parçalara böldü, gevşek olarak alüminyum folyoya sardı ve düzgün bir şekilde bir oksijen atomu katmanını kopartan kimyasal ile -tıpkı titreyen bir kuleden bir çubuğu çıkarmak gibi- test tüpü içine kapattı. Bu işlem, filmi tamamen yeni bir atomik yapıya dönüştürdü; stronsiyum katkılı bir nikelat.

Li, “Bu adımların her biri daha önce yapıldı” dedi. “Ama bu kombinasyonda değil.”

Laboratuvardaki testler katkılı nikelatın süperiletken olabileceğini gösterdiğinde Li, o kadar heyecanlandı ki bütün gece uyanık kaldı ve sabahında ne bulduğunu göstermek için araştırma grubunun toplanmasını sağladı. Grup üyelerinin çoğu, bu materyali geliştirmek ve incelemek için 24 saat boyunca kendisine katıldı.

Daha sonra yapılan testler, nikelatın 9-15 Kelvin aralığında (-264,15 ve -258,15 °C arası) süperiletken olduğunu gösterdi. Fakat bu sadece başlangıç olduğundan ileride daha yüksek sıcaklıkta çalışabilme olasılığı var.

SIMES araştırmacısı, SLAC ve Stanford’da profesör ve raporun kıdemli yazarı Harold Hwang, yeni malzeme üzerine yapılan araştırmaların çok erken bir aşamada olduğunu ve daha çok mesafe katedilmesi gerektiğini söyledi. “temel deneyleri yaptık, şimdi kupratlarla olan araştırmalara devam etmemiz gerekiyor.”

Malzemenin süperiletkenliğinin çeşitli sıcaklıklarda nasıl etkilendiğini görmek ve diğer nikellerin süperiletken özelliği gösterip göstermeyeceğini belirlemek için çeşitli yollarla yapılan bu işleme devam edileceğini de ekledi. Diğer çalışmalar, malzemenin manyetik yapısını ve süperiletkenlikle ilişkisini keşfedecektir.

Konuya ait video linki :

Kaynak : scitechdaily.com