Yarımetalde Tespit Edilen Kuantum 'Kasırgaları' Elektronikleri Yeniden Tanımlayabilir

Elektronların hareketsiz durması neredeyse imkansızdır ve hareketleri bazı tuhaf biçimler alabilir. Tantal arsenit adı verilen bir kuantum malzemesindeki elektron davranışının analizi girdapları ortaya çıkarıyor.

Ama hikaye daha da garipleşiyor. Bu elektronlar fiziksel bir yerde spiral çizmiyorlar - bunu momentum uzayı adı verilen kuantum bulanıklığında yapıyorlar. Parçacıkların potansiyel konumlarının veya konum uzayının bir haritasını çizmek yerine, momentum uzayı hareketlerini enerjileri ve yönleri aracılığıyla tanımlar.

Benzer girdaplar daha önce konum uzayında da gözlemlenmişti. Elektronların momentum değerleri ölçülüp üç boyutlu bir grafik üzerinde çizildiğinde, burada da çarpıcı bir girdap deseni ortaya çıkıyor.

Bu keşif tamamen yeni bir elektronik formunun önünü açmaya yardımcı olabilir: elektronik devrelerde veya kuantum bilgisayarlarda bilgi taşımak için elektrik yükleri yerine elektronların bükülme gücünden yararlanabilecek 'orbitronik' adı verilen bir alan.

Keşif, tantalum arsenit adı verilen ilgi çekici bir yarı metal kristalde yapıldı. Bir bakıma bu şaşırtıcı değil - uzun zamandır tahmin edilen Weyl fermiyonu ilk kez bu malzemede bulundu. Bu kütlesiz parçacık esasen süper verimli bir elektron gibi işlev görüyor ve keşfi tantalum arsenidin özel kuantum özelliklerini gerektiriyordu.

Bu özellikler malzemeyi kuantum kasırgalarını avlamak için mükemmel bir seçim haline getirdi. Sorun, onları nasıl gözlemleyeceğimizi bulmakta ortaya çıktı.

Almanya'daki Kuantum Maddede Karmaşıklık ve Topoloji (ct.qmat) adlı bir araştırma merkezindeki bilim insanları, bir tantal arsenit örneği üzerinde açı çözümlü fotoemisyon spektroskopisi (ARPES) adı verilen bir teknik kullanarak bunu başaran bir çalışmaya öncülük etti.

“ARPES deneysel katı hal fiziğinde temel bir araçtır. Bir malzeme örneğine ışık tutmayı, elektronları çıkarmayı ve enerjilerini ve çıkış açılarını ölçmeyi içerir,” diyor Würzburg Üniversitesi'nde deneysel fizikçi olan Maximilian Ünzelmann.

“Bu bize bir malzemenin momentum uzayındaki elektronik yapısına doğrudan bir bakış sağlıyor. Bu yöntemi akıllıca uyarlayarak yörüngesel açısal momentumu ölçmeyi başardık.”

Ancak her gözlem, malzemedeki elektronların yalnızca iki boyutlu bir anlık görüntüsünü alıyor. Kuantum kasırgalarının bu alemde oluştuğunu doğrulamak için ekibin her bir ölçümü CT taraması gibi 3D bir modele yığması gerekti. Sonuçta çok net bir girdap yapısını gösteren renkli bir model ortaya çıktı.

Ünzelmann, “Tıbbi tomografinin işleyişine benzer şekilde numuneyi katman katman analiz ettik” diyor. “Tek tek görüntüleri bir araya getirerek, yörüngesel açısal momentumun üç boyutlu yapısını yeniden oluşturabildik ve elektronların momentum uzayında girdaplar oluşturduğunu doğruladık.”

Ekip, daha ileri çalışmaların sadece daha verimli elektroniklere değil, orbitronik adı verilen tamamen yeni bir cihaz sınıfına yol açabileceğini söylüyor. Bu aynı zamanda elektronik teknolojisinin bir başka potansiyel halefi olan ve bilgiyi elektronların spinine kodlayan spintronik ile birlikte çalışabilir.

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.