Fizikçiler 90 Yıl Sonra Gizemli Wigner Kristalini Yakaladılar
Elektronlar harikulade küçük şeylerdir. Genellikle atom çekirdeğinin yörüngesinde dolanırlar, ama buna gerek yoktur. Evren başıboş dolaşan elektronlarla doludur.
Doksan yıl önce, teorik fizikçi Eugene Wigner, onların da takırdamak zorunda olmadıklarını öne sürdü: serbest elektronlar, hiç atomu olmayan, sadece kendi itmeleriyle düzgün, kristal bir kafese hapsolmuş elektronlar olan tuhaf bir madde türünde bir araya gelmeye zorlanabilir.
Bu, Wigner kristali olarak bilinir ve fizikçiler nihayet var olabileceğine dair doğrudan gözlemsel kanıtlar elde ettiler.
Princeton Üniversitesi’nden fizikçi Al Yazdani, “Wigner kristali, maddenin tahmin edilen en büyüleyici kuantum evrelerinden biridir ve oluşumu için en iyi ihtimalle dolaylı kanıtlar bulduğunu iddia eden çok sayıda çalışmanın konusudur” diyor.
“Bu kristali görselleştirmek yalnızca oluşumunu izlememize ve birçok özelliğini doğrulamamıza olanak tanımakla kalmıyor, aynı zamanda geçmişte yapamadığımız şekilde inceleyebiliyoruz.”
Kristal, atomların katı madde içinde düzenlenme biçimini ifade eder. Tipik kristal malzemelerde atomlar, uzayda tekrar eden bir desen oluşturacak şekilde birbirlerine bağlanırlar.
Wigner’in çığır açan 1934 tarihli makalesi, elektronların da benzer düzenlemeler oluşturabileceğini, tüm elektronların taşıdığı negatif yükün yarattığı karşılıklı itme kuvvetinin buna engel değil, yardımcı olacağını öne sürmüştü.
Son derece düşük sıcaklıklarda ve düşük yoğunluklarda, elektronlar arasındaki itici etkileşim, teorisine göre, potansiyel enerjilerinin yakınlaştırma ihtiyaçlarına hükmederek kristal benzeri kafes düzenlemelerine düşmelerine neden olmalıdır.
Bu kristaller klasik fiziğe göre değil, kuantum mekaniğine göre davranacak, bağlı elektronlar ayrık parçacıklar gibi değil, bireysel bir dalga gibi davranacaktı. Bu davranışın sonuçlarını tespit etmek için tasarlanmış iki boyutlu sistemleri içeren çeşitli deneyler, Wigner kristallerinin dolaylı kanıtlarını ortaya koymuştur, ancak doğrudan kanıt elde etmek biraz daha zor olmuştur.
“Bu etkileri inceleyen ve sonuçların Wigner kristalinden kaynaklanması gerektiğini iddia eden yüzlerce bilimsel makale var” diyor Yazdani, “ancak emin olamıyoruz, çünkü bu deneylerin hiçbiri kristali gerçekten görmüyor.”
Bu deneylerin kusurlarını akılda tutarak, Princeton Üniversitesi’nden fizikçiler Yen-Chen Tsui, Minhao He ve Yuwen Hu liderliğindeki bir ekip, önceki sorunları çözeceğini ve kristali ortaya çıkaracağını umdukları bir deney tasarladı.
Grafende bir elektron Wigner kristalini indüklemek için manyetik alanlar kullandılar, ancak herhangi bir eski grafen değil. Atomik kusurların yaratabileceği etkileri ortadan kaldırmak için malzemenin mümkün olduğunca bozulmamış olması gerekiyordu.
İki grafen tabakası hazırlandı ve mutlak sıfırın sadece bir miktar üzerine soğutulmadan önce belirli bir konfigürasyonda düzenlendi. Daha sonra katmanlar arasına sıkıştırılan elektron gazının yoğunluğunu ayarlamak için bir manyetik alan uygulandı.
STM kullanılarak ortaya çıkarılan Wigner kristali. (Yen-Chen Tsui, Princeton Üniversitesi)
Wigner kristalinin bir elektron yoğunluğu tatlı noktası vardır. Yoğunluk çok düşükse, elektronlar birbirlerini iter ve bir nevi uzaklaşırlar. Yoğunluk çok yüksekse, elektronlar bir elektron sıvısına dönüşeceklerdir.
Goldilocks noktasında elektronlar birbirlerini itmeye çalışacaklardır… ancak kaçışları diğer elektronlar tarafından kesilecektir. Böylece, aralarında mümkün olduğunca eşit mesafeyi koruyarak kendilerini bir ızgara şeklinde düzenleyecekler.
Araştırmacılar bu kristal fazı ölçmek için yüksek çözünürlüklü taramalı tünelleme mikroskobu (STM) kullandılar. STM, optik mikroskobun tam olarak ulaşamadığı atomik ölçekte malzemeleri araştırmak için kuantum tünelleme kullanır.
“Deneyimizde, birim alan başına elektron sayısını ayarlarken sistemi görüntüleyebiliyoruz. Sadece yoğunluğu değiştirerek bu faz geçişini başlatabilir ve elektronların kendiliğinden düzenli bir kristal oluşturduğunu görebilirsiniz,” diye açıklıyor Tsui.
“Çalışmamız bu kristalin ilk doğrudan görüntülerini sağlıyor. Kristalin gerçekten orada olduğunu ve onu görebildiğimizi kanıtladık.”
Ölçümleri, kafesi 2 boyutlu bir alanla sınırlandırıldığında üçgen olarak tanımlayan modelleri de doğruladı, ancak yoğunluk oldukça büyük bir dereceye kadar ayarlandığında kararlı kalabileceğini buldu – yoğunluk aralığının oldukça küçük olması gerektiği yönündeki önceki teorilerle çelişiyor. Ayrıca elektronların kafes içinde tek bir noktayı işgal etmediğini, sıfır nokta hareketi olarak tanımlanan bulanık bir pozisyon aralığını işgal ettiğini buldular.
Yazdani, “Elektronlar, bir Wigner kristalinde donmuş olsalar bile, güçlü sıfır noktası hareketi sergilemelidirler” diyor. “Bu kuantum hareketinin aralarındaki mesafenin üçte birini kapsadığı ve Wigner kristalini yeni bir kuantum kristali haline getirdiği ortaya çıktı.”
Kaynak: https://www.sciencealert.com
Derleyen: Figen Berber
Fizikçiler Elektronların Hareket Edemediği Garip Bir Kristal Formunu Ortaya Çıkardı