Cornell Üniversitesi laboratuvarında bilim insanları, içinde iki karşıt elektron dünyasının aynı anda bir arada var olduğu izlenimini veren bir malzemeye tesadüfen rastladılar. Söz konusu olan, tekrarlayan bir desende kaydırılarak üst üste yerleştirilmiş altı karbon tabakasından oluşan romboedrik altı katmanlı grafendir. Araştırmacılar bükülmüş katmanları incelemek yerine düzgün bir yığın elde ettiler ve beklenmedik kuantum fazlarını ortaya çıkaran tam da bu yığın oldu.
Grafen uzun zamandır dayanıklılığı ve iletkenliğiyle bilinir, ancak katmanlar belirli bir biçimde üst üste yerleştirildiğinde elektronlar birbirleriyle çok daha güçlü etkileşime girmeye başlar. Altı katmanlı sürümde, belirli bir yük taşıyıcı yoğunluğunda ve dış elektrik alanında, elektronların ve boşlukların bir arada bulunduğu ve güçlü biçimde korelasyona girdiği bir rejim ortaya çıkar. Bu, herkesin yalnızca kendi işine bakmak yerine komşusunun hareketini etkilediği bir kalabalığı andırır.
Ölçümler, elektrik direncinin kaybolduğunu — süperiletkenliğin bir işaretini — ve yörüngesel manyetizmaya işaret eden anormal Hall etkisini gösterdi. İki süperiletken durum tam da elektronlarla boşlukların kesiştiği yerde ortaya çıktı. Görünüşe göre aralarındaki etkileşim bu fazların oluşumunda kilit rol oynuyor; bu, beş katmanlı grafende gözlemlenmemişti.
Düzenek bor nitrür katmanlarının arasına yerleştirildi ve kapı alanlarıyla kontrol edildi. Sıcaklığı, manyetik alanı ve taşıyıcı derişimini değiştiren ekip ayrıntılı bir faz diyagramı oluşturdu. Bu diyagramda etkileşimlerin yol açtığı yalıtkanlar, süperiletkenlik bölgeleri ve iki tür yörüngesel manyetizma açıkça görülüyor. Sonuçlar Nature Physics'te yayımlandı.
Keşif yalnızca temel fizik açısından önemli değil. Elektronlarla boşlukların etkileşiminin geleneksel mekanizmalar olmadan süperiletkenliği nasıl doğurduğunu anlamak, daha yüksek sıcaklıklarda çalışan malzemelerin geliştirilmesini yakınlaştırabilir. Bu tür malzemeler kuantum bilgisayarlarda, enerji verimli iletim hatlarında ve yeni sensörlerde işe yarayacaktır.
Şu anda araştırmacılar yörüngesel manyetizmanın doğasını daha derinlemesine inceliyor. Taşıyıcıların bir kısmının kristal benzeri bir yapı oluşturduğu, geri kalanının ise sıvı benzeri bir durumda kaldığı hipotezini sınıyorlar. Bu sorular mevcut çalışmanın kapsamını aşıyor, ancak şimdiden açık: altı katmanlı grafen, kuantum korelasyonlarını incelemek için yeni bir zemin hâline geldi.
Tesadüfi keşif bir kez daha hatırlatıyor: iki boyutlu malzemeler dünyasında katman sayısını ya da bunların birbirine göre konumunu değiştirmek yeterli — ve alışılmış özellikler bambaşka bir şeye dönüşüyor.
