ARAŞTIRMACILAR, İKİ KATMANLI GRAFENDE İLGİNÇ KUANTUM PARÇACIKLARINI GÖZLEMLİYOR
Kolombiya Üniversitesi Fizik Bölümü Yardımcı Doçenti Cory Dean ve Columbia Mühendisliği'nden Makine Mühendisliği Bölümü'nden James Hone tarafından yönetilen bir ekip, madde fiziğinde yoğun olarak incelenen bir anomali 'çift katmanlı grafen içinde taşınım ölçümü yoluyla kesin olarak gözlemlendi.
Dean, "Herhangi bir sistemdeki 5/2 durumunu (hali) gözlemlemek, ortaya çıkan, yarı partikül oluşumu, niceleme ve hatta süperiletkenlik gibi modern madde fiziğindeki en şaşırtıcı kavramların bazılarını kapsadığı için dikkate değer bir bilimsel fırsattır" diye belirtiyor. Dean, 'çift katmanlı grafende, 5/2 durumunun önceden düşünülenden çok daha yüksek sıcaklıklara ulaşabildiğini gözlemlediğimizde, bu fenomeni yeni yollarla incelememize izin vermekle kalmıyor, aynı zamanda FQH (kesirli kuantum hall etkisi) durumu konusundaki görüşümüzü, bilimsel bir meraktan büyük oranda, özellikle kuantum hesaplamada, gerçek dünya uygulamaları için büyük potansiyele sahip olmaktan uzaklaştırıyor.
İlk kez 1980'lerde galyum arsenit (GaAs) hetero yapılarında keşfedilen 5/2 kesirli kuantum hall durumu, kesirli kuantum salınım durumlarının yalnızca kesirsiz olarak var olabileceğini söyleyen katı kuralın tek istisnasıdır. Keşif sonrasında teorik çalışma, bu durumun ilginç bir süper iletken türü gösterebileceğini ileri sürdü. Bu kısmen, böyle bir aşamanın kuantum hesaplamaya temelde yeni bir yaklaşım sağlayabileceği ihtimali var. Bununla birlikte, bu teorilerin doğrulanması, büyük ölçüde durumun kırılgan doğasından dolayı; GaAs'da sadece en yüksek kalitede ki örneklerde ve hatta sadece milikelvin sıcaklıklarında (suyun donma noktasına göre 10,000 kat daha soğuk) gözlemlenebilir. Kolombiya ekibi, aynı durumun iki katmanlı grafende gözlemledi ve çok daha yüksek sıcaklıklarda görünmesini sağladı. Modern yoğunlaştırılmış madde fiziği alanında göze çarpan sorunlardan biri "ortaya çıkma" fenomenini anlamaktır.
Modern yoğunlaştırılmış madde fiziği alanında göze çarpan sorunlardan biri, büyük miktarda kuantum parçacıklarının partiküller arasındaki etkileşimlerden ötürü uyum halinde davrandıkları ve bu yeni özelliklerin ortaya çıkmasına neden olan 'ortaya çıkış' fenomenini anlamaktır. Örneğin, süper iletkenlerde, çok sayıda elektron, daha sonra herhangi bir enerji kaybı olmaksızın bir metalden geçebilen tek bir kuantum haline çöker. Kesirli kuantum Hall efekti, elektronların manyetik alan varlığında birbirleriyle birleştiği ve potansiyel olarak ilginç kuantum özelliklere sahip olan quasipartiküllerin oluştuğu bir başka durumdur.
Teorik olarak tahmin etmek çok zor, ortaya çıkma, çoğunlukla parçacıkların nasıl davrandığına dair temel anlayışımıza meydan okuyor. Örneğin, iki elektronda aynı yük olduğu için, elektronları birbirini itmek isteyen nesneler olarak düşünüyoruz. Bununla birlikte, bir süper iletken metalde, elektronlar beklenmedik bir şekilde çift oluşturur, (cooper pair (cooper çifti) olarak bilinen yeni bir nesne). Bireysel elektronlar, bir metal içerisinden geçerken direnç oluşturarak dağılırlar, ancak kendiliğinden oluşturulan cooper çiftleri, dirençsiz malzeme boyunca hareket edecek şekilde topluca hareket eder.
Kuantum mekaniğine göre, temel parçacıklar iki kategoriye ayrılır: Fermiyonlar ve Bozonlar ve çok farklı şekillerde davranırlar. Elektronlar gibi iki Fermiyon aynı hali alamaz, bu nedenle atomların içindeki elektronlar birbiri ardına gelen orbitalleri doldururlar. Fotonlar ya da ışık parçacıkları gibi bosonlar aynı durumu işgal edebilir, bir lazerin ışık emisyonunda olduğu gibi tutarlı bir şekilde hareket etmelerini sağlar. İki özdeş parçacıklar değiştirildiğinde, bileşik halini tanımlayan kuantum mekanik dalga fonksiyonu Bozonlar için 1, Fermiyonlar için -1 ile çarpılır.
Kesirli kuantum hall efektinin keşfinden kısa süre sonra, teorik gerekçelerle bu durumla ilişkili olan quasipartiküllerin hem Bozons hem de Fermiyonlar gibi davranmadığı, bunun yerine bir anyon olarak davranıldığı önerildi: anyon quasiparticles değiş tokuş edildiğinde, faz faktörü ne 1 ne -1 ne de kesirli. Onyıllarca çabaya rağmen, bu quasipartiküllerin anyon olduğunu doğrulayan kesin bir deneysel kanıt bulunmamaktadır. 5/2 durumu -bir abelian olmayan anyonun daha ilginç olduğu düşünülmektedir. Teorik olarak, olmayan anyonlar, diğer kesirli kuantum Hall durumundaki gibi, anyonik istatistiklere uyarlar; ancak özelliğiyle, bu aşamayı süreci tersine çevirerek kolayca geri alamazsınız. Bu aşamayı gevşetmenin bu imkânsızlığı, sistemde depolanan tüm bilgileri eşsiz bir şekilde sabit hale getirebilir ve bu nedenle birçok kişi, 5/2'in kuantum hesaplaması için mükemmel bir aday olabileceğine inanıyor.
Dean, "Tahmin edilen 5/2 istatistiklerin gösterilmesi büyük bir başarı anlamına gelebilir" dedi. "Birçok bakımdan, bu doğru kalınlık ve sadece doğru elektron sayısı olan bir materyal sistemi imal ederek ve sadece doğru manyetik alanları uygulayarak, evrende doğal olarak bulunan bilinen parçacıklar arasında aksine var olmayan özelliklerle, temelde yeni parçacık sınıflarını etkin bir şekilde mühendisliğini yapabiliriz. 5/2 durumun abelian olmayan özellikleri sergilediğine dair kesin bir kanıtımız yok, ancak iki katmanlı grafendeki bu durumun keşfedilmesi, bu teorileri test etmek için heyecan verici yeni fırsatlar yaratıyor "dedi.
Şimdiye kadar, bu şartların hepsinin sadece doğru değil aynı zamanda aşırı olması gerekiyordu. Konvansiyonel yarı iletkenlerde, eşit payda izole etmek çok zordur ve yalnızca ultra saf maddeler için, aşırı düşük sıcaklıklarda ve yüksek manyetik alanlarda bulunur.
"Yeni bir platforma ihtiyaç duyduk," diyor Hone. "Grafenin başarılı bir şekilde izole edilmesiyle, karbon atomlarının atomik olarak ince tabakaları, genel olarak 2D'de elektronların çalışılması için umut verici bir platform olarak ortaya çıktı. Genetik alanlardan bir tanesi, grafendeki elektronların geleneksel 2D elektron sistemlerinden daha güçlü bir şekilde etkileşime girmesi, teorik olarak eşit payda durumu daha sağlam gibi etkiler yapar. Ancak çift katmanlı grafenin, daha önce görülenden daha yüksek sıcaklıklarda aranan, eşit payda bulunan durumları ağırlayabileceği yönünde tahminlerde bulunulmasına rağmen, çoğunlukla grafenin yeterince temiz olmasının zorluğu nedeniyle bu öngörüler gerçekleşmedi. "
Kolombiya ekibi, grafen cihazlarının kalitesini artırmak, tamamen atomik düz 2D malzemelerden ultra-temiz cihazlar yaratmak için yıllarca öncü çalışmalar üzerine kurulmuştur: İletken kanal için iki katmanlı grafen, koruyucu izolatör olarak altıgen bor nitrür, ve elektrik bağlantıları için kullanılan grafit ve kanaldaki yük taşıyıcı yoğunluğunu değiştirmek için iletken bir kapak.
Araştırmanın önemli bir bileşeni, Tallahassee'deki Ulusal Yüksek Manyetik Alan Laboratuvarı'ndaki yüksek manyetik alan araçlarına erişmekti. Bu tesis, Hone ve Dean'in kapsamlı işbirliği yaptığı ulusal çapta bir kullanıcı tesisinde bulunuyordu. 34 Tesla'ya kadar manyetik alan üreten cihazları aracılığıyla elektrik iletimini incelediler ve eşit payda durumlarının net gözlemini yaptılar.
Columbia ekibinin araştırma sonucu, eşit payda durumunun olası egzotik kökenini teyit etmek için atılmış önemli bir adımdır. Bulguları, University of California, Santa Barbara'daki (UCSB) bir araştırma grubunun benzer bir raporuyla eşzamanlı olarak rapor edildi. UCSB çalışması, başlangıç noktasına bağlı bir elektrik boşluğunun varlığını araştıran kapasitans ölçümü ile eşit paydaş durumunu gözlemledi.
Ekip, şimdi çift katmanlı grafende gözlemlediği sağlam ölçümlerin, abelian olmayan doğasını kesin olarak kanıtlayabilecek yeni deneyler yapmasını sağlayacaklarını düşünüyor. Bu kurulduktan sonra ekip, eşit payda durumunu kullanarak hesaplama yapmaya başlamayı umuyor.
Çeviri:Celal DEMİRTAŞ
Kaynak: Science
Yayınlama tarihi: 09.10.2017