Bilim İnsanları Grafende Yeni Kuantum Halleri Sınıfı Keşfetti

Kanada'daki British Columbia Üniversitesi, ABD'deki Washington Üniversitesi ve Johns Hopkins Üniversitesi ile Japonya'daki Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü'nden araştırmacılar kısa bir süre önce grafen katmanlarından akan akımların dinamiğinde maddenin garip ve yeni bir halini keşfettiler.

Bulgular, elektronların kristal düzenlemelere sıkıştırıldığında nasıl davranması gerektiğine dair tahminleri doğruluyor ve kuantum hesaplamaya güvenilir yaklaşımların nasıl elde edileceğine dair yeni fikirlere katkıda bulunabilir veya oda sıcaklığında süper iletkenliği geliştirmenin yollarını ortaya çıkarabilir.

British Columbia Üniversitesi'nde yoğun madde fizikçisi olan çalışmanın kıdemli yazarı Joshua Folk, “Bu çalışmanın başlangıç noktası, bal peteği yapısında düzenlenmiş karbon atomlarından oluşan iki grafen parçacığıdır” diyor.

“Elektronların karbon atomları arasında zıplama şekli grafenin elektriksel özelliklerini belirliyor ve bu da yüzeysel olarak bakır gibi daha yaygın iletkenlere benziyor.

Grafen, son yıllarda giderek artan bir şekilde harika bir malzeme olarak görülüyor; karbon atomlarından oluşan kafesi, elektronların kuantum dama oyunundaki jetonlar gibi sıçramasına izin verecek şekilde bağlanıyor.

Fizikçiler bu oyunun kurallarını sürekli olarak esnetmiş, direnç özelliklerini değiştirmek ya da egzotik durumlara koordine etmek için yeni ve alışılmadık yollar bulmuşlardır. Bu nedenlerle grafen, düşük dirençli iletkenlik konusunda ipuçları aramak veya çeşitli kuantum etkilerinin sınırlarını test etmek için mükemmel bir oyun alanı haline gelmiştir.

Bu etkilerden biri, elektronların kısıtlı pozisyonlarda 'dondurulması' ve akan sıvı benzeri bir kütleden yapıya sahip bir şeye dönüştürülmesidir. Wigner kristali olarak bilinen bu elektron fazı, araştırmacıların iyi anladıklarını düşündükleri karakteristik şekillere ve davranışlara sahiptir.

Bu deneylerde araştırmacılar, tek atomlu grafen tabakalarının yığınlarını, bağlanmamış karbon atomlarını moiré (mwa-ray olarak okunur) etkisi olarak tanımlanan şekilde hizalanmaya zorlayacak şekilde büktüler.

Moiré efektlerini günlük dünyamızda bulmak zor değil. Ağ veya ekran yığınlarında görüldüğünde, ağı oluşturan karanlık ve aydınlıktaki zıtlıkların birleşmesi veya iptal olmasıyla tekrar eden çizgiler, daireler veya eğriler olarak görünürler.

Ancak bu durumda, bükülmüş grafendeki zıt yapılar elektronun geometrisine veya manzarasının topolojisi olarak adlandırılan şeye zarar veriyor. Sonuç, elektronun hızında bir kayma, hatta bazılarının malzemenin kenarları boyunca hareket ederken bir bükülme geliştirmesidir.

Folk, “Bu, topolojik elektronik kristalin geçmişteki geleneksel Wigner kristallerinde görülmeyen paradoksal bir davranışına yol açıyor - kristal, elektronları düzenli bir dizi halinde dondurarak oluşmasına rağmen, yine de sınırları boyunca elektrik iletebiliyor” diyor.

Elektron davranışının bu tuhaf yeni alanında, kuantum Hall etkisi olarak bilinen direncin kuantizasyonu gibi garip faaliyetler ortaya çıkıyor

Bunun gibi yeni topolojik aktivite durumları, temel parçacıklara dayalı geleneksel türlerden daha dayanıklı olan ve kübit olarak bilinen kuantum hesaplama birimleri yaratmanın yollarını keşfetmeye hevesli fizikçiler için potansiyel bir altın madeni.

Dar grafen yığınlarını bir Möbius şeridinin elektron eşdeğeri haline getirmek sadece bir başlangıç olabilir. Bu ölçekteki geometrinin, her türlü bükülmüş yeni fiziğe sahip tuhaf bir elektron kuasipartikül hayvanat bahçesi sunacağı teorize ediliyor.

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.