MIT, MATTG’de Geleneksel Olmayan Süperiletkenliği Doğruladı

Süperiletkenlik, elektronların normal iletkenlerde veya günlük malzemelerde olduğu gibi dağılmak yerine çiftler oluşturduğu zaman ortaya çıkar. Bu çiftlenen elektronlara “Cooper çiftleri” denir ve bu, mükemmel, dirençsiz bir akım akışı yaratır.

Bu olağanüstü özellik, süperiletkenlerde belirli bir “kritik sıcaklığın” altına soğutulduklarında gözlemlenir. Akımın enerji kaybı olmadan süresiz akmasını sağlamanın yanı sıra, bu malzemeler manyetik alanları da dışarı atar, bu da süspansiyon (levitasyon) yapmalarını mümkün kılar.

Alüminyum gibi geleneksel süperiletkenler çok düşük sıcaklıklar gerektirirken, araştırmacılar daha yüksek ve daha pratik sıcaklıklarda süperiletken olabilen malzemeler geliştirmek için aktif olarak çalışıyorlar; bu adım enerji ve kuantum teknolojilerini devrim niteliğinde değiştirebilir.

MIT’teki araştırmacılar şimdi bu atılımı gerçekleştirdi. Büyülü açı grafeninde geleneksel olmayan süperiletkenliğe işaret eden belirgin V‑şeklinde bir enerji boşluğu gözlemlediler; bu, oda sıcaklığında süperiletkenlere doğru önemli bir ilerleme anlamına geliyor.

Büyülü Açı Grafeni ve ‘Twistronics’: Katman Rotasyonunun Fiziği Nasıl Değiştirdiği

“Büyülü açı” grafeninin keşfinden bu yana, araştırmacıların korele yalıtkan durumlar, geleneksel olmayan süperiletkenlik, ayarlanabilir manyetizma ve topolojik fazlar gibi sayısız egzotik kuantum fenomeni ortaya çıkarmasıyla bilim dünyasında büyük bir heyecan yarattı.

2018 yılında, MIT’de Pablo Jarillo‑Herrero liderliğindeki bir fizikçi ekibi, büyülü açı grafeninin etkilerini ilk kez yarattı ve gözlemledi.

İki grafen katmanı çok belirli bir açıyla üst üste yığıldığında süperiletkenlik gibi alışılmadık elektronik özellikler tespit ettiler. Bu bükülmüş yapı, büyülü açı bükülmüş çift katman grafen (MATBG) olarak bilinir.

Grafen, tek bir karbon katmanıdır; sadece bir atom kalınlığındadır ve bal peteği kafesine sahiptir. Karbon atomlarının altıgen düzeni tavuk telini andırır ve olağanüstü dayanıklılık, mukavemet ve ısı ile elektriği iletme yeteneği gösterir.

İki katmanlı grafen ise iki katmandan oluşan bir yığına sahiptir ve iki kafes belirli bir şekilde yönlendirilir. 

Saf iki katmanlı grafende, Jarillo‑Herrero ve ekibi, iki katman büyülü bir açıyla büküldüğünde Mott yalıtkan davranışı (malzemenin iletken olması beklenirken güçlü elektron‑elektron itmesi nedeniyle yalıtkan hâle gelmesi) gözlemledi.

Bu, grafenin elektronik özelliklerini komşu katmanları döndürerek ayarlamaya yarayan umut vaat eden yeni bir teknik olan “twistronics”in geliştirilmesine yol açtı. 

Bu yöntem, MIT, Harvard Üniversitesi ve Japonya’daki NIMS’ten bir araştırmacı ekibi tarafından, bükülmüş çift katmanı bir elektrik alanı uygulayarak süperiletken hâle getirmek için kullanıldı.

Zamanla, birçok araştırmacı çeşitli çok katmanlı grafen yapılarını inceledi ve bunların geleneksel olmayan süperiletkenlik belirtileri gösterdiğini fark etti.

2021’de Harvard fizikçileri üç katman grafeni başarıyla üst üste yığıp büyülü açıyla bükerek birçok çift katmanlı grafen sisteminden daha yüksek sıcaklıklarda sağlam süperiletkenlik gösteren üç katmanlı bir sistem ürettiler¹. Dışarıdan uygulanan bir elektrik alanına duyarlı olduğu için, ekip alanın şiddetini ayarlayarak süperiletkenliği da ayarlayabildi.

Bu deney, bilim insanlarının üç katmanlı yapının süperiletkenliğinin güçlü elektron‑elektron etkileşimlerinden kaynaklandığını ve bu sayede daha yüksek sıcaklıklara karşı daha dayanıklı olduğunu anlamalarına yardımcı oldu. 

Aynı yıl, Princeton araştırmacıları tuhaf bir benzerlik² rapor etti; büyülü grafenin süperiletkenliği ile yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin süperiletkenliği arasında.

Bir taramalı tünelleme mikroskobu (STM) kullanarak, çiftlenen elektronların sonlu bir açısal momentuma sahip olduğunu buldular. Diğer yandan, süperiletken bir malzemenin davranışının sıcaklık artırılarak ya da manyetik alan uygulanarak süperiletken durumun bastırılmasıyla nasıl değiştiği incelendi. Geleneksel süperiletkenlerde elektronlar ayrılırken, geleneksel olmayanlarda bazı korelasyonlar hâlâ korunur.

MIT, Oda Sıcaklığında Süperiletkenlere Giden Yolu Açıyor

Süperiletkenlerin elektriği sıfır dirençle iletebilme yeteneği, onları MRI tarayıcıları, enerji iletimi ve depolama, ileri bilgisayarlar ve parçacık hızlandırıcıları gibi teknolojiler için kilit hâle getirir.

Ancak geleneksel süperiletkenler yalnızca çok düşük sıcaklıklarda çalışır. Bu yüzden süperiletken durumlarını korumaları için özel soğutma sistemlerinde tutulmaları gerekir.

Bu malzemeler daha yüksek ve daha erişilebilir sıcaklıklarda süperiletken olabilseydi, dünya çapında teknolojik sistemleri yeniden tanımlayabilirlerdi. Bu amaçla, MIT’teki bilim insanları geleneksel davranıştan saparak geleneksel olmayan süperiletkenleri araştırıyor.

Son zamanlarda, MIT fizikçileri bu olguyu “büyülü açı” bükülmüş üç katmanlı grafende (MATTG) gözlemleyerek, MATTG’nin geleneksel olmayan süperiletkenliği barındırabildiğini³ doğrudan doğruladı.

Çalışmanın ortak lider yazarı Jeong Min Park, geleneksel süperiletkenlerde ‘Cooper çiftleri’ içindeki elektronların birbirinden çok uzakta ve zayıf bağlandığını, büyülü açı grafeninde ise “bu çiftlerin çok sıkı bağlandığına, neredeyse bir molekül gibi olduğuna dair işaretler zaten görebiliyorduk. Bu malzemede çok farklı bir şey olduğuna dair ipuçları vardı” şeklinde belirtti.

Önceki çalışmalar ipuçları sağlasa da kesin olarak doğrulanmamıştı. Çalışmanın belirttiği gibi, büyülü açı grafenindeki süperiletkenliğin doğasını anlamak zorlayıcı oldu; ana zorluk süperiletken boşluğunu ayırt etmekti.

MIT ekibi ise MATTG’nin süperiletken boşluğunu başarıyla ölçerek, farklı sıcaklıklarda süperiletken durumunun gücünü ortaya koydu. Buldukları, MATTG’de geleneksel süperiletkenlerdeki boşluktan tamamen farklı bir boşluk olmasıydı; bu, MATTG’nin süperiletken hâle gelmesinin alışılmadık bir mekanizmaya bağlı olduğunu gösteriyor.
Kaydırarak kaydır →

Çalışmanın ortak lider yazarı, MIT Fizik Bölümü’nden lisansüstü öğrenci Shuwen Sun, malzemelerde süperiletkenliğe yol açabilecek tek bir mekanizma değil, birçok farklı mekanizma olduğunu ve süperiletken boşluğunun hangi belirli mekanizmanın oda sıcaklığında süperiletkenliğe yol açabileceğine dair bir ipucu sağladığını belirtti.

“Bir malzeme süperiletken hâle geldiğinde, elektronlar tek tek değil çiftler halinde hareket eder ve bağlanma şekillerini yansıtan bir enerji boşluğu vardır. Bu boşluğun şekli ve simetrisi, süperiletkenliğin temel doğasını bize söyler.”

– Park

Ekip, geleneksel olmayan bir mekanizma keşiflerini kanıtlamak için, iki boyutlu (2D) malzemelerde süperiletken boşluğunun nasıl oluştuğunu doğrudan gözlemlemelerini sağlayan yeni bir deneysel sistem kullandı. 

Bunun için araştırmacılar tünelleme spektroskopisini kullandı. Bu kuantum ölçeğindeki teknikte, elektronlar hem dalga hem parçacık gibi davranarak normalde onları durduracak engelleri “tünellemelerine” izin verir. Elektronların bir malzeme içinden ne kadar kolay tünelleyebildiğini inceleyerek, araştırmacılar onların içinde ne kadar güçlü bağlandığını öğrenir.

Bu durumda, ekip MATTG’nin iki katmanı arasında elektronları tünelleyerek süperiletken durumunu ölçtü.

Bu yöntem tek başına, ancak, bir malzemenin süperiletkenliğini her zaman kanıtlamaz; bu yüzden doğrudan ölçüm kritik ama zordur. Bu nedenle ekip, tünelleme spektroskopisini elektriksel taşıma ölçümleriyle birleştirdi; bu ölçümler, bir malzemenin içinden akımın nasıl aktığını izlerken direncini de takip eder.

Ekip bu yaklaşımı MATTG üzerinde kullanarak, yalnızca malzeme sıfır dirence ulaştığında ortaya çıkan süperiletken tünelleme boşluğunu net bir şekilde tanımladı.

Sıcaklık ve manyetik alan değiştirildiğinde, bu boşluk geleneksel süperiletkenlerde genellikle görülen yumuşak, düz desen yerine keskin bir V‑şekilli eğri gösterdi. Çalışmaya göre, benzersiz düşük enerjili süperiletken boşluk, süperiletken kritik sıcaklıkta ve manyetik alanda yok olur.

Bu belirgin şekil, MATTG’nin süperiletkenliğinin altında yeni bir mekanizma olduğunu gösteriyor; bu mekanizma bilinmese de, malzemenin geleneksel süperiletkenlerden farklı davrandığını açıkça ortaya koyuyor.

Çoğu süperiletkenlerde, elektronlar çevredeki atomik kafesin titreşimleri nedeniyle çiftlenir; bu titreşimler onları birbirine iter. Ancak MATTG’de, Park’ın belirttiği gibi, eşleşme güçlü elektronik etkileşimlerden kaynaklanabilir; bu da “elektronların birbirine yardımcı olarak çiftlenmesini, özel bir simetriye sahip bir süperiletken durum oluşturmasını” ifade eder.

Ekip için süperiletken boşluğu doğrudan gözlemlemeyi sağlayan teknik, tünelleme spektroskopisi ve taşıma ölçümlerinin kombinasyonu, şimdi çeşitli bükülmüş ve katmanlı malzemeleri incelemek için kullanılacak.

Kurulum, ekibin aynı örnek içinde “süperiletkenliğin ve diğer kuantum fazların temel elektronik yapılarını tanımlamasına ve incelemesine” izin veriyor; Park, “bu doğrudan bakış, elektronların nasıl çiftleştiğini ve diğer durumlarla nasıl rekabet ettiğini ortaya koyabilir, yeni süperiletkenler ve kuantum malzemeler tasarlama ve kontrol etme yolunu açar; bu malzemeler bir gün daha verimli teknolojileri ya da kuantum bilgisayarları besleyebilir” dedi.

Ayrıca deneysel kurulumu, MATTG’yi ve diğer 2D malzemeleri daha ayrıntılı incelemek ve ileri teknolojiler için yeni, umut vaat eden adaylar bulmak amacıyla kullanacaklar.

“Bir malzeme süperiletken hâle geldiğinde, bu parçacıkları hareket ettirmenin ne kadar kolay olduğunu, süperiletkenliği tetiklemek için ifade eder.”

– Çalışmanın ortak lider yazarı Joel Wang, MIT Elektronik Araştırma Laboratuvarı (RLE)

Bu süperakışkan sertlik genellikle süperiletken malzemeyi mikrodalga rezonatörüne yerleştiren yöntemlerle ölçülür; bu cihaz mikrodalga frekanslarında titreşir. Mikrodalga rezonatörde, malzeme rezonans frekansını ve kinetik endüktansı süperakışkan sertliğine orantılı olarak değiştirir.

Ancak bu teknikler, yalnızca MATBG’den 10 ila 100 kat daha büyük ve kalın örneklerle uyumlu olmuştur; bu da atomik ince süperiletkenlerde süperakışkan sertliği ölçmek için yeni bir yaklaşım gerektiği anlamına gelir.

Şimdi, MATBG gibi son derece hassas bir malzemeyi mikrodalga rezonatörünün yüzeyine bağlarken pürüzsüzlüğünü bozmamak zorluğu var. Bu, “iki malzeme arasında ideal kayıpsız — yani süperiletken — bir temas” oluşturmak anlamına gelir; aksi takdirde gönderilen mikrodalga sinyali bozulur ya da geri yansır.

Bu yüzden ekip, önce standart üretim teknikleriyle MATBG’yi bir araya getirdi ve ardından hassas atomik yapısını ve içsel özelliklerini korumak için iki yalıtkan hekzagonal boron nitrür levhası arasına kapattı.

Rezonatör çoğunlukla alüminyumdu ve ucuna az miktarda MATBG eklenmişti. MATBG’ye temas sağlamak için ekip, onu çok keskin bir şekilde aşındırdı; yeni kesilen MATBG’nin bir kenarı ortaya çıktı ve bu kenara alüminyum “iyi bir temas oluşturmak ve alüminyum bir lead (iletken) oluşturmak” için biriktirildi; bu da daha büyük alüminyum mikrodalga rezonatöre bağlandı. 

Ekip bu rezonatör üzerinden bir mikrodalga sinyali gönderdi, ortaya çıkan rezonans frekansı kaymasını ölçtü ve MATBG’nin kinetik endüktansını çıkardı. Ölçülen endüktansı süperakışkan sertlik değerine dönüştürdüklerinde, ekibin bulduğu değer, geleneksel süperiletkenlik teorilerinin öngördüğünden çok daha büyüktü.

“Geleneksel beklentilere kıyasla süperakışkan sertlikte on katlık bir artış gördük; bu, kuantum geometrisi teorisinin öngördüğü sıcaklık bağımlılığıyla tutarlıydı,” dedi ortak lider yazar Miuko Tanaka. “Bu, kuantum geometrisinin bu iki boyutlu malzemedeki süperakışkan sertliği yönlendirmedeki rolüne işaret eden bir ‘kanıt’ idi.”

Süperiletken Teknolojisine Yatırım

American Superconductor Corporation (AMSC ) gelişmiş süperiletken sistemler üreten bir enerji teknoloji şirketidir. Mevcut süperiletken teknolojileri ticarileştirmeye ve bunları gerçek dünya enerji şebekesi ve deniz uygulamalarına uygulamaya odaklanır.

AMSC, Gridtec, Marinetec ve Windtec dahil olmak üzere megavat ölçeğinde güç dayanıklılığı çözümlerinin önde gelen sağlayıcısıdır. 

Bu çözümler aracılığıyla şirket, ağ performansını, verimliliğini ve güvenilirliğini optimize eden gelişmiş şebeke sistemleri, güç kalitesini ve operasyonel güvenliği artıran itiş ve güç yönetimi çözümleri ve rüzgar türbini elektronik kontrol ve sistemleri sunar.

AMSC, 1,66 milyar dolar piyasa değerine sahip bir şirket olup, yazı itibarıyla hisseleri 36,97 $’dan işlem görmekte ve YTD %49,86 artış göstermektedir. Geçen ay hisse fiyatı 70,49 $’lık bir zirveye ulaşmıştı, ancak o zamandan beri önemli ölçüde düşmüştür. Bir ayın altında %47,5’lik bu büyük düşüş, AMSC’nin Wall Street satış hedeflerini kaçırmasından kaynaklanmıştır.

Geçen hafta şirket, 2025 mali yılı ikinci çeyrek gelirinin 54,5 milyon $’dan 65,9 milyon $’a yükseldiğini bildirdi. Net geliri 4,8 milyon $ ya da hisse başına 0,11 $ idi. 30 Eylül 2025 itibarıyla AMSC’nin nakit, nakit benzerleri ve kısıtlı nakit toplamı 218,8 milyon $ iken, Mart sonu itibarıyla 85,4 milyon $ idi.

Gelirde %20 yıllık büyüme, brüt marjların %30’unu aşması ve beşinci çeyrekten beri kârlılığı işaret eden neredeyse 5 milyon $ net gelir üretimi hakkında konuşurken, CEO Daniel P. McGahn, bunun “enerji ve askeri pazarlar genelinde güçlü sipariş talebi, yerli üretimdeki rüzgarlar ve kilit sektörlerde güvenilir güç ihtiyaçlarıyla desteklenmesi” nedeniyle gerçekleştiğini belirtti.

Üçüncü çeyrek için AMSC, gelirlerin 65 milyon $ ile 70 milyon $ arasında olmasını ve net gelirin 2 milyon $’ı aşmasını, yani hisse başına 0,05 $ olmasını bekliyor.

En Son American Superconductor Corporation (AMSC) Hisse Senedi Haberleri

Sonuç

Süperiletkenlik, modern fizikte enerji verimliliği, bilişim ve malzeme bilimi üzerinde büyük etkisi olan en dönüştürücü kavramlardan biridir. MIT ekibinin büyülü açı bükülmüş üç katmanlı grafen (MATTG) üzerindeki çalışması, süperiletkenliğin geleneksel olmayan mekanizmalarla nasıl ortaya çıkabileceğini ortaya koymada kilit bir ilerleme temsil ediyor.

Bu bulgular, uzun zamandır aranan “Kutsal Kâse” olan oda sıcaklığında süperiletkenliğe ulaşan malzemeler tasarlamamıza da yardımcı olabilir. Gerçekleşirse, bu tür malzemeler elektrikli ulaşım, veri merkezleri ve kuantum bilgisayarlar dahil her şeyi devrim niteliğinde değiştirebilir ve yeni bir teknolojik olasılık çağını getirebilir.

Referanslar

1. Hao, Z., Zimmerman, A. M., Ledwith, P., Khalaf, E., Haie Najafabadi, D., Watanabe, K., Taniguchi, T., Vishwanath, A. & Kim, P. Alternatif bükülme büyülü açı üç katmanlı grafende elektrik alanıyla ayarlanabilir süperiletkenlik. Science 371, 1133–1138 (2021). https://doi.org/10.1126/science.abg0399
2. Oh, M., Nuckolls, K. P., Wong, D., Lee, R. L., Liu, X., Watanabe, K., Taniguchi, T. & Yazdani, A. Bükülmüş çift katman grafende geleneksel olmayan süperiletkenliğe dair kanıt. Nature 600, 240–245 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04121-x
3. Park, J. M., Sun, S., Watanabe, K., Taniguchi, T. & Jarillo-Herrero, P. Moiré grafende nodal süperiletken boşluğa dair deneysel kanıt. Science (2025). https://doi.org/10.1126/science.adv8376
4. Tanaka, M., Wang, J.έ-j., Dinh, T. H., Rodan-Legrain, D., Zaman, S., Hays, M., Almanakly, A., Kannan, B., Kim, D. K., Niedzielski, B. M., Serniak, K., Schwartz, M. E., Watanabe, K., Taniguchi, T., Orlando, T. P., Gustavsson, S., Grover, J. A., Jarillo-Herrero, P. & Oliver, W. D. Büyülü açı bükülmüş çift katman grafenin süperakışkan sertliği. Nature 638, 99–105 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08494-7