Elektronları Yönetmek Artık Mümkün
Araştırmacılar, elektronların malzemeler içinde nasıl etkileşime girdiğini daha iyi anlamak için yeni bir teknik geliştirdi. Ultra ince atomik katmanların bükülmesiyle oluşturulan bir moiré malzemesi kullanarak, yakındaki bir yarı iletkende yapay bir kristal kafes oluşturdular ve elektron davranışının daha hassas bir şekilde incelenmesine olanak sağladılar.
Bilim insanları, yarı iletken malzemelerde büyük bir kafes sabitine sahip yapay kristal kafesler oluşturmak için bir yöntem geliştirdiler.
Artan örgü sabiti elektronların hareket enerjisini azaltarak etkileşimlerini daha belirgin hale getiriyor.
Bu teknik, araştırmacıların farklı malzemelerdeki elektron etkileşimlerini incelemelerine yardımcı olacak.
Bu etkileşimlerin daha iyi anlaşılması, fazladan elektronlar eklendiğinde bazı yalıtkanların nasıl süper iletkenlere dönüştüğünü açıklayabilir.
Elektron Etkileşimlerinin Açığa Çıkarılması
Fizikçiler elektronların malzemeler içinde nasıl etkileşime girdiğini incelemek için uzun zamandır yaratıcı yöntemler geliştiriyorlar. Bu etkileşimler çok önemlidir çünkü süperiletkenlik gibi önemli olguları yönlendirirler. Ancak çoğu malzemede elektron etkileşimleri son derece zayıftır ve bu da gözlemlenmelerini zorlaştırır. Bu etkileşimleri güçlendirmek için yaygın bir yaklaşım, elektronların hareket enerjisini azaltmayı içerir. Bilim insanları bunu yapay olarak büyük bir kafes sabitine sahip bir kristal kafes oluşturarak başarıyor – yani kafes bölgeleri arasındaki mesafe artırılıyor. Etkileşim enerjisi küçük kalsa da, nispeten daha önemli hale gelir ve etkileşim etkilerinin tespit edilmesini kolaylaştırır.
Geleneksel olarak araştırmacılar bu amaçla moiré malzemeleri kullanmışlardır. İki atom inceliğindeki katmanın istiflenmesi ve hafifçe bükülmesiyle oluşturulan bu malzemeler, elektron davranışını etkileyen bir süper kafes oluşturur. Bununla birlikte, hareli malzemeler diğer fiziksel özellikleri de değiştirerek elektron etkileşimleri çalışmalarını zorlaştırır.
ETH Zürih Kuantum Elektroniği Enstitüsü’nde Ataç İmamoğlu liderliğindeki bir araştırma ekibi şimdi bu zorluğun üstesinden gelmek için yeni bir yöntem geliştirdi. Hareli malzemeler içindeki elektronları doğrudan incelemek yerine, bu malzemeleri kullanarak belli bir mesafede uzaysal olarak periyodik bir elektrik alanı oluşturuyor ve yalnızca ayrı bir yarı iletken katmandaki elektronları etkiliyorlar.
Yakın zamanda Physical Review X dergisinde yayınlanan bu yeni teknik, bilim insanlarının elektron etkileşimlerini daha hassas bir şekilde izole etmelerine ve incelemelerine olanak tanıyarak farklı malzemelerdeki araştırmalar için yeni olanaklar sunuyor.
Yeni yöntemde, birbirine göre bükülmüş iki bor nitrür (n-BN) katmanı, molibden diselenid yarı iletkeninde (MoSe2) bir elektrik alanı oluşturuyor. Yarı iletkendeki elektronların özelliklerini incelemek için bir ışık demeti (kırmızı) kullanılıyor. Kredi: ETH Zürih
Bükülmüş Kristal Kafesler
Moiré malzemeleri, her biri sadece bir atom kalınlığında olan bir malzemenin iki katmanının ayrı ayrı çıkarılması, birbirlerine göre hafifçe bükülmesi ve ardından tekrar bir araya getirilmesiyle üretilir. İki katmanın kristal kafesleri artık tam olarak birbirinin üzerinde olmadığından, bir tür vuruş etkisi meydana gelir: tıpkı biraz farklı frekanslara sahip iki ses dalgasının ses hacminde yavaş periyodik bir artış ve azalmaya yol açması gibi, bükülmüş kristal kafeslerde elektronların hareket edebileceği çok daha büyük bir kafes sabitine sahip bir “süper kafes” ortaya çıkar.
İmamoğlu’nun grubunda doktora öğrencisi olan Natasha Kiper, “Yeni yöntemimizde de hareli bir malzeme üretiyoruz, ancak bunu tamamen farklı bir şekilde kullanıyoruz” diyor. Kiper ve meslektaşları, birbirlerine göre 2 dereceden daha az bükülmüş iki katman altıgen bor nitrür (neredeyse elmas kadar sert olan yapay olarak sentezlenmiş bir katı) kullanıyor.
Bu bükülme, malzemenin ötesinde bir mesafede de etkili olan periyodik bir elektrik alanına yol açıyor. Araştırmacılar bükülmüş bor nitrürün altına yarı iletken molibden diselenidin atomik bir katmanını yerleştiriyor. Elektrik alanı molibden diselenid içindeki elektronlara etki ediyor ve böylece yapay bir kristal kafes oluşturuyor.
Eksitonlar Kullanılarak Algılama
Kiper, “Buradaki en büyük avantaj, elektrik alanının yalnızca molibden diselenitteki elektronlar üzerinde etkili olması, nötr eksitonlar üzerinde etkili olmamasıdır” diyor. Araştırmacılar elektronları incelemek için bu eksitonlara ihtiyaç duyuyor. Eksitonlar, bir malzemedeki bir elektron belirli bir frekanstaki ışık tarafından uyarıldığında oluşur. Sonuç olarak, elektron daha yüksek bir enerji seviyesine tırmanır ve geride daha düşük enerji seviyesinde delik olarak da adlandırılan bir kusur bırakır. Negatif yüklü elektron ve pozitif yüklü delik daha sonra birbirlerini çeker ve elektriksel olarak nötr bir eksiton haline gelmek üzere eşleşirler.
Araştırmacılar, eksitonların uyarıldığı ışık frekansından elektronların davranışları hakkında sonuçlar çıkarabildiler. Bir elektrik voltajı uygulayarak yarı iletkendeki elektron sayısını değiştirdiler. Eksiton uyarım frekansından yola çıkarak, örneğin kafes bölgelerinin üçte biri ya da üçte ikisi elektronlarla dolu olduğunda, elektronların düzenli bir şekilde dizildiklerini kanıtlayabildiler.
lektron sayısı daha da artırıldığında, yani bir kafes bölgesinde birden fazla elektron yer aldığında, elektronlar arasındaki etkileşimler elektronların durumlarında açıkça görülebilen bir değişikliğe yol açmıştır. Güçlü etkileşimlerin etkilerine dair bu tür kavrayışlar, fizikçilerin, örneğin bazı elektrik yalıtkanlarının fazla elektron ekleyerek nasıl süper iletkenlere dönüşebildiğini anlamalarına yardımcı olur.
Yeni Malzeme ve Fenomenlere Açılım
İmamoğlu, “Yeni yöntemimiz heyecan verici çünkü son derece kontrol edilebilir ve prensipte birçok başka malzemeye de uygulanabilir” diyor. İlave malzeme katmanları eklenerek elektrik alanının gücü değiştirilebilir. Dahası, gelecekte elektronların iki katman arasında hareket ettiği süreçleri incelemek mümkün olacak.
Bir elektronun “pusula iğnesinin” hangi yönde olduğunu gösteren spininin yanı sıra elektron, kendisini içinde bulduğu katmana bağlı olarak yukarı ya da aşağı bakan bir sözde spin de kazanacaktır.
İmamoğlu, “Bunu, şimdiye kadar deneysel olarak hiç gözlemlenmemiş olan kiral spin sıvıları gibi egzotik fiziksel süreçleri incelemek için kullanabiliriz” diyor.
Kaynak: https://scitechdaily.com
Fizikçiler, Fotonların ve Elektronların Hareketini Aynı Yasalar Altına Almayı Başardılar