Yüksek sıcaklık hayaline yeni ipucu: nikelatlar.
Sr katkılı La3Ni2O7 ince filmlerde düğüm içermeyen (nodeless) bir süperiletken boşluk ölçüldü; 3dz2 kaynaklı γ bant Fermi seviyesini kesmiyor.
Çin’de birden çok üniversiteden araştırmacılar, stronsiyum katkılı (Sr-katkılı) La3Ni2O7 nikelatının iki katmanlı ince filmlerinde süperiletkenliğin açtığı enerji boşluğunu doğrudan ölçtü. Açıya duyarlı fotoelektron spektroskopisi (ARPES; malzemeden kopartılan elektronların enerji ve yönüne bakarak bant yapısını çıkaran yöntem) ile elde edilen veriler, boşluğun düğüm içermediğini gösteriyor. Bulgular, bu malzemelerde eşleşme simetrisinin bakır oksitli yüksek sıcaklık süperiletkenlerinden (cupratlar) farklı olabileceğine işaret ediyor.
Nikelatlarda süperiletkenliği anlamak için yeni bir adım
Süperiletkenler, belirli bir kritik sıcaklığın altında elektrik akımını sıfır dirençle taşır. Geleneksel süperiletkenler çok düşük sıcaklıklarda çalışır. Nikelatlar gibi “alışılmadık” sınıftaki malzemeler ise görece daha yüksek sıcaklıklarda süperiletken faza girebildiği için uygulama umudu taşır. La3Ni2O7 bileşiği, tek kristal kütle örneklerinde çok yüksek basınç altında yaklaşık 80 K civarında süperiletkenlik göstermişti. Son dönemde, sıkıştırma gerinimi altındaki ince filmlerde ortam basıncında da süperiletkenlik kararlı hâle getirildi.
Bu çalışmada ekip, La3Ni2O7’nin iki katmanlı yapısında elektron eşleşmesini belirleyen süreçleri hedef aldı. Çok bantlı doğa dikkat çekiyor: Ni 3dx2−y2 ve 3dz2 orbitallerinin ikisi de Fermi seviyesine yakın konumlanıyor. Bu durum, cupratlardaki tek bant ağırlıklı tabloya göre farklı bir eşleşme resmi doğurabilir.
Zorlu ölçüm: kusursuz yüzey, mikro-ARPES ve örnek transferi
ARPES tekniği, yüzeyin atomik düzeyde temiz ve düzgün olmasını ister; yüksek basınç altında ölçüm yapmak da neredeyse imkânsızdır. Ekip bu engeli, oksit moleküler demet epitaksisi (MBE; atom katmanlarını kontrollü biçimde biriktirme tekniği) ile son derece düzgün, Sr-katkılı La3Ni2O7 ince filmler büyüterek ve örnekleri özel, ultra yüksek vakumlu bir taşıma çantasında Nanjing’den Şanghay’a getirerek aştı. Ardından Shanghai Synchrotron Radiation Facility’de (SSRF) BL-03U mikro-ARPES ışın hattında yüksek çözünürlüklü ölçümler yapıldı.
“Brillouin bölgesi diyagonali boyunca kaybolmayan bir ön kenar boşluğu gözledik; cupratlarda düğüm beklenen yerde boşluk kapanmıyor. Bu, d-dalgası dışında bir eşleşme simetrisine işaret ediyor.” — Prof. Dawei Shen, ortak kıdemli yazar
Ekip, ilk denemelerde yüzey bozukluklarının sinyali örttüğünü; aylar süren örnek taşıma ve senkrotron ayarı iyileştirmelerinden sonra sıcaklığa bağlı sistematik “ön kenar” (leading-edge) kaymalarını güvenilir biçimde çözebildiklerini aktarıyor. Bu kaymalar, süperiletken faza geçişte bir boşluğun açıldığının doğrudan kanıtı kabul ediliyor.
Düğüm içermeyen boşluk ve çok bantlı yapı
“Süperiletken boşluk” (elektron eşleşmesiyle açılan yasak enerji aralığı) bazı malzemelerde belirli yönlerde sıfıra iner; bu noktalara “düğüm” denir. İncelenen nikelat filminde boşluk, Brillouin bölgesinin diyagonali boyunca ve yakınında sıfıra inmiyor. Bu nedenle boşluğun “düğüm içermediği” sonucuna varıldı. Böyle bir tablo, cupratlardaki d-dalgası simetrisinden ayrışıyor ve kuramsal modeller için yeni sınırlar koyuyor.
Bunun yanında, araştırmacılar çok tartışılan 3dz2 kaynaklı γ bandının konumunu da belirledi: ortam basıncında ve kullanılan gerinim koşullarında γ bandı Fermi seviyesini kesmiyor; tepe noktası onun altında kalıyor.
Gerinimin bant yapısına etkisi: 3dz2 ‘γ’ bandı 75 meV aşağıda
Hesaplamalar, filmin altında yer alan altyapı kristalinin (SrLaAlO4) uyguladığı sıkıştırıcı gerinimin, nikel ve oksijen atomlarının konumlarını az da olsa yeniden düzenlediğini gösteriyor. Bu değişim, katmanlar arası elektron geçişini zayıflatıyor ve γ bandının tepesini aşağı itiyor.
“Sıkıştırıcı gerinim altında düzlem dışı Ni–O–Ni bağı uzuyor; bu da katmanlar arası sıçramayı azaltıp γ bant tepesini Fermi’nin altına çekiyor. Bu, diğer pek çok kuramsal raporla da tutarlı.” — Prof. Jian Zhou, ortak yazar
Ekip, bant yapısını açıklamak için yoğunluk fonksiyoneli kuramı (DFT; malzemelerin elektronik yapısını öngören hesaplama yöntemi) kullandı ve ölçümle uyum yakaladı. γ bandının Fermi yüzeyinde bir “cep” oluşturmaması, bu bandın doğrudan eşleşmeye katılımı ve çok bantlı etkileşimlerin rolü konusunda yeni sorular açıyor.
Sırada ne var: daha saf filmler ve açık sorular
Araştırmacılar, farklı grupların γ bandı konumu için neden farklı sonuçlar bildirdiğini de tartışıyor. İki katmanlı nikelatlarda süperiletkenlik alanının (faz diyagramı) geniş olduğu, elektron-delik dengesinin değiştiği bir bölge bulunduğu ve Hall katsayısının işaret değiştirdiği biliniyor; farklı örnekler bu diyagramın farklı noktalarına düşüyor olabilir.
Ekip, oksijen düzenini daha da iyileştiren protokollerle daha yüksek saflıkta filmler sentezlemeyi hedefliyor.
Daha saf örneklerde, Bogoliubov uyum tepesinin (süperiletkenlikte karakteristik keskin sinyal) belirginleşmesi ve boşluk fonksiyonunun tüm momentum uzayında haritalanması bekleniyor.
“Nikelat süperiletkenliğinin gizemini çözmek, numune sentezi ile gelişmiş spektroskopiyi sıkı biçimde birleştirmeyi gerektiriyor.” — Prof. Donglai Feng, ortak kıdemli yazar
Bu haber işinize yaradı mı?
