ABD’li Bilim İnsanları 60 Yıllık Elektrik Teorisine Meydan Okuyan ‘Garip Metaller’ Keşfetti

ABD’li araştırmacılar, belirli “garip metallerde” elektronların bireysel kimliklerini kaybederek, şekilsiz bir “kuantum çorbası”na dönüştüğünü öne süren yeni bir keşif yaptı. Bu buluş, elektriksel iletkenlik konusunda 60 yıldır kabul edilen teoriyi sarsacak nitelikte.

Araştırmacılar, hassas “shot noise” (atış gürültüsü) ölçümleri kullanarak elde edilen bulguların, bu malzemelerde elektriğin daha önce anlaşıldığı gibi ayrık yükler tarafından taşınmadığını gösterdiğini açıkladı.

Altmış yılı aşkın süredir, “Fermi sıvısı” teorisi, metallerde elektrik akışının nasıl gerçekleştiğini anlamanın temel taşı olmuştu. Araştırmacılar, “Katı maddelerin incelenmesi olan yoğun madde fiziğinin temel başarılarından biri, Fermi sıvısının elektriksel iletimi açıklamasıdır” açıklamasında bulundu.

Bu teori, elektronların birbirini itmelerine rağmen, kuazi-parçacıklar olarak adlandırılan kümeler halinde hareket ettiğini ve etkin bir şekilde ayrık yükler taşıdığını öne sürüyor. Ancak “garip metaller” olarak adlandırılan birçok yeni iletken, bu paradigmaya uymamaktadır.

Araştırmacılar, “Bu malzemelerde elektrik, ayrık yükler tarafından değil, başka bir şey tarafından taşınıyor!” şeklinde açıklama yaptı.

Bu malzemelerin en önemli özelliklerinden biri, olağandışı direnç davranışlarıdır. Dirençleri, tipik metallerde gözlemlenen kuadratik değişimin aksine, düşük sıcaklıklarda sıcaklıkla doğrusal olarak değişmektedir.

‘Shot Noise’ Ölçüm Tekniğinin Kullanımı

Bilim insanları bu anomaliyi araştırmak için “shot noise” ölçümü olarak bilinen bir teknik kullandı. Shot noise, bir elektrik akımındaki rastgele dalgalanmaları ölçer ve yük taşıyıcılarının ayrık doğasını ortaya çıkarır.

Ekip, “Bu, küçük sayıda büyük yağmur damlasının bir çatıya çarpması gibidir. Hepsi çatıya aynı anda çarpmaz, daha ziyade varışları dağıtılır. Bu durumda, shot noise yüksektir” açıklamasında bulundu.

Ancak, garip metal YbRh2Si2’de shot noise’un neredeyse sıfır olduğu tespit edildi. Bu, bireysel yüklerin hareketi yerine sürekli, şekilsiz bir akışı göstermektedir.

Araştırmacılar, “Bu, elektronların kimliklerini kaybedip bir kuantum çorbasına dönüştüğü gibidir” şeklinde açıkladı. Bu gözlem, elektriğin ayrık elektron kuazi-parçacıkları tarafından taşındığı geleneksel anlayışa ters düşmektedir.

Deney titiz bir hassasiyet gerektiriyordu çünkü metalin atomik kafesinin titreşimleri shot noise ölçümlerini gizleyebilir. Araştırmacılar, elektronların, kafes titreşimleri karışmadan önce geçtikleri, nano ölçekli teller üretti. Bu, YbRh2Si2’de kuazi-parçacıkların yokluğunun net bir şekilde gözlemlenmesini sağladı.

Bu keşfin etkileri çok geniş kapsamlıdır. Araştırmacılar, “Bu yeni araştırma, mevcut anlayışımıza meydan okuyor ve elektriksel iletim hakkında yeni bir teoriye yol açabilir” iddiasında bulundu.

“Fermi sıvısı davranışından sapmanın anlaşılması, normal, süperiletken olmayan durumda garip metaller gibi davranan yüksek sıcaklık süperiletkenlerin gizli işleyişini ortaya çıkarabilir.”

Bu bulgunun, yoğun araştırmaları tetiklemesi ve garip metaller için yeni teorik çerçevelerin geliştirilmesine katkıda bulunması bekleniyor.