Elektrik, arabalardan telefonlara, bilgisayarlara ve bağımlı olduğumuz hemen hemen her cihaza kadar modern hayata güç sağlar. Bir devre boyunca dolaşan elektronların hareketi ile çalışır. Bu parçacıklar çok küçük görünmelerine rağmen, oluşturdukları elektrik akımı, suyun bir borudan geçmesine benzer şekilde telin içinden akar.
Ancak bazı malzemelerde bu sürekli akış, organize, kristal benzeri desenler halinde aniden bloke edilebilir. Elektronlar bu katı sisteme yerleştiğinde malzeme durum değiştirir ve elektriği iletmeyi bırakır. Metal gibi davranmak yerine yalıtkan gibi davranır. Bu olağandışı davranış, bilim adamlarına elektronların nasıl etkileşime girdiği hakkında değerli bilgiler sağlıyor ve kuantum hesaplamada, enerji ve tıbbi görüntülemede kullanılan yüksek performanslı süper iletkenler, yenilikçi aydınlatma sistemleri ve yüksek hassasiyetli atom saatlerindeki gelişmelere kapıyı açıyor.
Ulusal Yüksek Manyetik Alan Laboratuvarı Dirac Doktora Sonrası Araştırmacısı Aman Kumar, Doçent Hitesh Changlani ve Yardımcı Doçent Cyprian Levandowski’nin de aralarında bulunduğu Florida Eyalet Üniversitesi fizikçilerinden oluşan bir ekip, özel bir tür elektron kristalinin oluşmasına izin veren spesifik koşulları belirledi. Bu durumda elektronlar katı bir ağ halinde düzenlenmiştir ancak daha akışkan bir forma geçebilirler. Bu hibrit aşamaya tek bir Wigner kristali adı veriliyor ve ekibin bulguları bir Nature yayını olan NPJ Quantum Materials’da yer alıyor.
Elektronlar kristalleri nasıl oluşturur?
Bilim adamları, ince, iki boyutlu malzemelerdeki elektronların Wigner kristallerinin içinde sıkışıp kalabileceğini uzun zamandır biliyorlardı; bu fikir ilk kez 1934’te ortaya atıldı. Son yıllarda yapılan deneyler bu yapıları belirledi, ancak araştırmacılar ek kuantum etkileri dikkate alındığında bunların nasıl ortaya çıktığını tam olarak anlayamıyorlar.
“Araştırmamızda, bu faz geçişini tetiklemek ve yalnızca üçgen kafes kristali gösteren geleneksel Wigner kristallerinin aksine, 2D hareli sistemi kullanan ve şeritler veya bal peteği kristalleri gibi farklı kristal şekillerinin oluşturulmasına izin veren tipik bir Wigner kristali elde etmek için hangi ‘kuantum düğmelerinin’ gerekli olduğunu belirledik.”
Ekip, bu koşulları araştırmak için, Bilgi Teknolojisi Hizmetlerinin akademik hizmetler birimi olan FSU’nun Araştırma Bilgi İşlem Merkezi’ndeki gelişmiş hesaplama araçlarının yanı sıra Ulusal Bilim Vakfı’nın ACCESS programından (Gelişmiş Siber Altyapı Ofisi altında gelişmiş bir bilgi işlem ve veri kaynağı) yararlandı. Elektronların farklı koşullar altında nasıl davrandığını incelemek için kesin önyargı, yoğunluk matrisi yeniden yapılandırma grupları ve Monte Carlo simülasyonları gibi yöntemler kullandılar.
Büyük miktarda kuantum verisinin işlenmesi
Kuantum mekaniği her elektrona iki parça veri atar ve yüzlerce veya binlerce elektron etkileşime girdiğinde toplam veri miktarı aşırı derecede büyük olur. Araştırmacılar, bu çok büyük verileri, incelenip yorumlanabilecek ağlar halinde yoğunlaştırmak ve düzenlemek için karmaşık algoritmalar kullanıyor.
Kumar, “Deneysel sonuçları maddenin durumuna ilişkin teorik anlayışımızla simüle edebildik” dedi. “Bir sistemdeki toplam kuantum enerjisini temsil eden kuantum Hamiltonyeni hakkında ayrıntılar elde etmek için fizikte kullanılan güçlü bir sayısal teknik olan son teknoloji tensör kafes hesaplamalarını ve tam deformasyonu kullanarak hassas teorik hesaplamalar gerçekleştiriyoruz. Bu sayede, onların nasıl kristalleştiklerine ve neden güçlü rakip durumlar arasında salındıklarına dair bir resim sağlayabiliriz.”
Yeni bir melez: kuantum tilt aşaması
Ekip, genelleştirilmiş Wigner kristalleri üzerinde çalışırken, maddenin başka bir şaşırtıcı durumunu keşfetti. Yeni tanımlanan bu fazda elektronlar aynı anda hem yalıtkan hem de iletken davranış gösterirler. Bazı elektronlar kristal kafes içinde sabitlenmiş halde kalırken, diğerleri serbest bırakılır ve malzeme boyunca hareket eder. Hareketi, sabit direkler arasında seken bir tilt topunun hareketini andırıyor.
Lewandowski, “Bu tilt aşaması, genelleştirilmiş Wigner kristallerini incelerken gözlemlediğimiz, maddenin çok ilginç bir aşamasıdır” dedi. “Bazı elektronlar donmak isterken diğerleri yüzmek ister, bu da bazılarının yalıtkan olduğu ve diğerlerinin elektriği ilettiği anlamına gelir. Bu, çalışmamızda incelediğimiz elektron yoğunluğuna yönelik bu benzersiz kuantum mekaniksel etkinin ilk kez gözlemlendiği ve rapor edildiği zamandır.”
Bu keşifler neden önemli?
Bu sonuçlar, bilim adamlarının maddenin kuantum düzeyinde nasıl davrandığını anlama ve kontrol etme yeteneğini genişletiyor.
“Bir şeyi yalıtkan, iletken ya da mıknatıs yapan şey nedir? Bir şeyi farklı bir duruma değiştirebilir miyiz?” Lewandowski’nin söylediği şu: “Maddenin belirli evrelerinin nerede var olduğunu ve bir durumun diğerine nasıl geçebileceğini tahmin etmek istiyoruz: Bir sıvıyı gaza dönüştürmeyi düşündüğünüzde, suyu buhara dönüştürmek için bir ısı düğmesini çeviriyorsunuz. Maddenin durumlarını değiştirmek için kullanabileceğimiz başka kuantum düğmelerinin olduğu ortaya çıktı, bu da büyüleyici araştırmalara yol açabilir.”
Araştırmacılar bu kuantum düğmelerini veya enerji ölçeklerini ayarlayarak bu malzemelerdeki elektronları katı fazdan sıvı faza itebilirler. Wigner kristallerini ve ilgili durumlarını anlamak, daha düşük enerji tüketimi ve daha düşük üretim maliyetleri ile daha hızlı, daha verimli nanoelektronik cihazlar vaat eden, hızla gelişen yoğun madde alanı olan kuantum hesaplama ve spintronik dahil olmak üzere kuantum teknolojilerinin geleceğini şekillendirebilir.
Ekip, elektronların karmaşık sistemlerde nasıl işbirliği yaptığını ve birbirlerini nasıl etkilediğini daha fazla araştırmayı amaçlıyor. Kuantum, süperiletken ve nükleer teknolojilerde sonuçta inovasyonu yönlendirebilecek temel soruları ele almayı amaçlıyor.