YÜKSÜZ ÇİFTLERDEN OLUŞAN BİR AKIŞKANDA YÜKLÜ GİRDAP İZLERİ

Bir süperakışkanda parçacıklar tek bir kuantum dalgası gibi birlikte hareket eder; II. tip bir süperiletken akımı dirençsiz taşır. Birincisini döndürün ya da ikincisini bir manyetik alana koyun, ikisi de tanımlayıcı bir özellik gösterir: her biri sabit, bölünemez bir miktarda dönme taşıyan minicik girdaplardan oluşan bir kuantize girdaplar (quantized vortices) örgüsü. Eksitonlardan oluşan bir akışkanda böyle bir örgü erişilemez kalmıştı: eksitonlar elektrik yükü taşımaz.

Hiçbir şey taşımayan çiftler

Bir eksiton, bir boşluğa — eksik bir elektronun bıraktığı açıklığa — bağlanmış bir elektrondur. Işıkla oluşturulan eksitonlar yalnızca kısa süre yaşar ve yüksüz oldukları için elektriksel olarak incelenmeleri zordur. Ortakları ayrı tutmak — elektronları bir katmanda, boşlukları başka bir katmanda — çiftlerin çok daha uzun yaşamasını sağlar ve her katmanın ayrı ayrı bağlanabilmesine olanak tanır.

Yeterince soğutulunca bu tür çiftler yoğuşur ve tüm akışkan boyunca tek bir kuantum fazını (phase) — ortak bir ritmi — paylaşır, tıpkı bir süperiletkenin elektron çiftleri gibi. Elektriksel işaretler vardı, ama yazarların yazdığına göre bu küresel faz uyumunun tartışmasız kanıtı bulunamamıştı.

Fazladan yük nereye giderdi

Böyle bir akışkanın yapması gereken şu: güçlü bir manyetik alanda birkaç fazladan elektron ekleyin; yükleri, ortak fazda zıt yönlerde dönen girdaplar olan girdapların ve karşı-girdapların (vortices and antivortices) çekirdeklerine yerleşen kesirlere bölünmelidir. Bunlar normalde birbirini yok eder. Burada ise yüklü çekirdekleri birbirini iter ve 2025’te yazarlardan ikisi, Austin’deki Texas Üniversitesi’nden Bo Zou ve Allan MacDonald, bunların bir bal peteğine kilitleneceğini öngördü: girdaplar bir dizi konumda, yükleri üst katmanda; karşı-girdaplar diğer dizide, alt katmanda.

Manyetik akı taşıyan süperiletken girdaplarından farklı olarak bunlar elektrik yükü taşır. Bal peteğinin her hücresi tam olarak bir temel yük, yani bir elektronun yükünü barındırır. Dolayısıyla ne kadar çok yük eklenirse hücreler o kadar küçülür: alanları, fazladan yükle ters orantılı olarak daralır.

İki karbon tabakası ve bir iğne

Princeton Üniversitesi’nde Ali Yazdani’nin grubundan Ryan Lee, Jungwoo Lee, Viliam Vaňo ve meslektaşları, tek atom kalınlığındaki iki grafen tabakasını 3,2 nanometre arayla — milimetrenin yaklaşık milyonda üçü — Japonya Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’nden (National Institute for Materials Science) altıgen bor nitrür bir bariyerle ayırarak, 9 teslalık bir alan altında üst üste koydu (tesla, manyetik alan şiddetinin birimidir). Orada elektron enerjileri Landau seviyeleri (Landau levels) denen basamaklarda toplanır. İki gerilim bunların ne kadar dolu olduğunu belirler: biri, tabakaların altındaki bir kapıdan (gate), toplam yükü ayarlar; diğeri yükü tabakalar arasında taşır. Tabakalar birlikte tam sayıda seviyeyi doldurduğunda, her biri yalnızca kısmen dolu olmak üzere, birindeki bir elektron diğerindeki bir boşlukla eşleşir ve kondensatı (condensate) oluşturur.

Ekip bunu mutlak sıfırın 0,2 derece üzerinde bir taramalı tünelleme mikroskobuyla (scanning tunnelling microscope) görüntüledi: elektronlar sivri bir uç ile üst tabaka arasında sıçrar ve akım, girdap çekirdeklerindeki yük de dahil olmak üzere altta ne olduğuna bağlıdır.

Yükle sıkılaşan bir örgü

Birkaç elektron eklendiğinde ya da çıkarıldığında, yaklaşık 400 nanometre genişliğindeki kusursuz bölgelerin akım haritaları düzenli parlak noktalar gösterdi. Tekrarlayan bir deseni keskin tepelere dönüştüren bir hesaplama olan Fourier dönüşümü altı tepe verdi: altılı simetriye sahip bir örgü.

Elektronlar eklendikçe örgü sıklaştı; aralığı başta yaklaşık 135 nanometreden yaklaşık 60’a düştü, öngörülen eğriye yakın. Seyrekten iyi düzenliye geçti, ardından daha fazla elektron eklenince eridi. Noktalar bal peteği yerine üçgen bir desen oluşturuyor: uç, girdapların alttaki karşı-girdaplardan daha fazla yük taşıdığı üst tabakayı algılıyor.

Bir elektron kristalinin geçemediği sınav

Birbirini iten elektronlar kendi başlarına da bir örgü halinde donabilir: bir Wigner kristali (Wigner crystal). Üst tabakadaki böyle bir kristalin aralığını yalnızca o tabakanın yükü belirlerdi. Kondensatın yakınında bu yük neredeyse hiç değişmez, çünkü alt tabaka üst tabakayı kapıdan perdeler; ölçülen aralık ise yine de değişti. Bir seviyenin 0,17’si kadar fazladan doluluğun altında, Wigner kristali öngörüsü verileri açıkça ıskalıyor.

Belirleyici sınav: girdap örgüsünün aralığı, tabakaların yükü nasıl paylaştığına değil, yalnızca toplam fazladan yüke bağlı olmalıdır, çünkü ortak faza yalnızca toplam bağlanır. Ekip toplamı sabit tuttu ve yükü tabakalar arasında taşıyarak her tabakanın doluluğunu %30’a kadar değiştirdi. Üst tabakadaki bir Wigner kristali aralığını yaklaşık 20 nanometre kaydırırdı. Ölçülen aralık yaklaşık 60’ta kaldı. Yalnızca görüntü kontrastı soldu; yük, girdapları yerinden oynatmadan, üst tabakadaki girdaplardan alt tabakadaki karşı-girdaplara geçti.

Fazladan doluluk 0,17’ye yaklaşınca alt tabaka yük almayı bırakır ve fazladan elektronların hepsi üst tabakaya yerleşir. Orada aralık, üst tabakadaki sıradan bir Wigner kristalininkine yakınsar: teorinin öngördüğü geçiş.

Boşluklar aynı deseni ters çiziyor

Bunun yerine elektron çıkarmak aynı türde bir örgü üretti, hatta daha iyi düzenlenmiş bir örgü — muhtemelen o bölgede daha az düzensizlik bulunduğu için. Kontrastı ters; çekirdeklerdeki yük işaret değiştiriyorsa beklenen de bu. Aralığı da yine yalnızca toplam fazladan yükü izliyor.

400 nanometrelik bir görüntü ne söyleyebilir

Bir süperiletkende, bir görüntüyü baştan başa kaplayan girdap örgüsü, akışkanın fazını en az o mesafe boyunca koruduğunu gösterir. Burada görüş alanını dolduran örgü, kondensatın faz uyumunun erimine yaklaşık 400 nanometrelik bir alt sınır koyuyor. Üstelik her tabakanın doluluğu doğrudan ölçülmüyor, iki gerilimden bir elektrostatik modelle hesaplanıyor.

Ekip görüntülerini, öngörülen örgü ve bir eksiton süperakışkanındaki faz uyumu için kanıt — başlığındaki sözcük — olarak sunuyor. Aynı mikroskop artık bu girdapları, yalnızca elektronlardan oluşan bir süperakışkanda hareket ederken, kusurlara takılırken ve eriyip giderken izleyebilir.