Kuantum alanında yeni bir keşif

Peter Dockrill

Süper ince bir yapıya sahip olan “harika malzeme” grafen, inanılmaz özellikleriyle yıllardır bilimi şaşırtıyor; fakat bu 2 boyutlu nano-malzemeyi kendi kendisiyle birleştirdiğiniz zaman, işler gerçekten daha da ilginç bir hale geliyor.

ABD’deki fizikçiler, yeni yaptıkları deneylerde, grafen tabakası çift katmanlı bir dikey tabaka halinde bir araya getirildiğinde –yüzeyleri neredeyse birbirine yapıştırılan iki grafen tabakası-, yüzeyler arasındaki yakınlığın daha önce gözlemlenmemiş kuantum durumları yarattığını keşfettiler.

GRAFEN MALZEME YENİ DURUMLAR YARATTI

Elektronların iki grafen katmanı arasındaki karmaşık etkileşimlerinden ortaya çıkan ve yeni ölçülen bu durumlar, ‘kesirli kuantum Hall etkisi’** adı verilen bir olgunun timsalleri ve grafen tabakaların yalnızca iki boyutu etkin bir biçimde doldurduğunda, fizik bilimin ne kadar tuhaf bir hale gelebildiğinin en son örneği.

Brown Üniversitesi’nde görev yapan fizikçi Jia Li, “Bulgular, 2 boyutlu malzemelerin birbirlerine yakın bir mesafede tutulmasının tam anlamıyla yeni fizik durumları ürettiğini ortaya koyuyor,” diyor.

“Malzeme mühendisliği açısından bakıldığında, yeni araştırma, böylesi katmanlı sistemlerin, bu yeni kuantum Hall durumlarından faydalanan yeni elektronik cihaz çeşitleri yaratmada kullanışlı olabileceğini gösteriyor.”

Yeni keşfin kökleri, bilim insanlarının, ‘Hall etkisi’ adıyla bilinen ve voltajın bir manyetik alanın varlığıyla saptırılma şeklini ifade eden olguyu ilk keşfettikleri döneme, yani 140 yıl geriye kadar uzanıyor.

‘Hall voltajı’ diye adlandırılan bu akım, uygulanan manyetik alan daha da güçlenirse, artırılan ‘Hall etkisi’nin bir sonucu olarak enlemesine çalışıyor.

YENİ ‘HALL ETKİSİ’ DURUMLARI KEŞFEDİLDİ

Fizikçiler, bu keşfin yaklaşık bir yüzyıl sonrasında, iki boyutlu elektron sistemlerinde gözlemlenen kuantum Hall etkisinin yarattığı ve grafen gibi daha yakın zamanlarda geliştirilen 2 boyutlu nano-malzemeleri de içeren bir olguyu keşfettiler.

Etkinin kuantum versiyonunda, daha güçlü olan manyetik alanlar sebebiyle Hall etkisinin artma şeklinin düzgün ve doğrusal olmadığı gözlemlendi: Bunun yerine, Hall iletkenliğinin, bir merdiven basamaklarından çıkarcasına sabit değerlere yükseldiği ölçüldü.

Daha sonra yapılan deneyler, bu olguların kimilerinin kesirli sayılarla, yani yukarıda bahsi geçen ‘kesirli kuantum Hall etkisi’ (FQHE) ile açıklanabileceğini açığa çıkardı. Böylece, Li’nin araştırma ekibi, çalışmalarında yeni FQHE türleri keşfetti.

Araştırma ekibinden Columbia Üniversitesi fizikçisi Cory Dean, “Grafenin şaşırtıcı derecede çok yönlü bir malzeme olması, bir kez daha, cihaz yapılarının sınırlarını eskiden mümkün olanın daha ötesine taşımamıza olanak sağladı,” diyor.

“Bu cihazlar aracılığıyla erişebildiğimiz hassasiyet ve ayarlamalar, bugünlerde, henüz tam anlamıyla ulaşılamaz olduğu düşünülen büyük bir fizik alanını (kuantum) açığa çıkarmamıza imkân sağlıyor.”

GRAFEN TABAKALARI YALITILARAK GÖZLEMLENDİ

Sonuçlanan yeni çalışmada, iki grafen tabakası, yalıtkan bir engel işlevi görecek biçimde yerleştirilen ince ve altıgen biçimli bir bor-nitrür tabakası ile birbirinden ayrıldı. Ayrıca, donanımın etrafı altıgen bor-nitrürle çevrildi ve grafit elektrotlara bağlandı.

Araştırma grubu, bu kurulumu çok güçlü –Dünya’nın manyetik alanından milyonlarca kat daha güçlü- manyetik alanlara maruz bırakarak, daha önce hiç görülmemiş FQHE durumlarını elektronların grafen tabakaları arasında etkileşime girmesi biçiminde gözlemleyebildi.

Bu ilginç durumlar bilim açısından yeni olsalar bile, ilk olarak FQHE araştırmasında keşfedilen nicel bir olgu olan ‘bileşik fermiyonlar’ denilen kuazi-parçacıklar (yalancı-parçacık da denir) hakkındaki mevcut anlayışımıza uygun görünüyorlar.

Öte yandan, yeni bulgular, bu bileşik fermiyonların (CF’ler) düşündüğümüzden daha fazla olabileceğine işaret ediyor.

Columbia Üniversitesi’nde görevli fizikçi Qianhui Shi, “Ara katman bileşik fermiyonlar dışında, bileşik fermiyon modelinde açıklanamayan başka bazı özellikler de gözlemledik,” diyor.

“Daha ayrıntılı bir çalışma, bizi şaşırtan biçimde, bu yeni durumların bileşik fermiyonlar arasındaki eşleşmeden kaynaklandığını açığa çıkardı.”

Çalışmanın tüm sonuçlarını anlayıncaya dek yapılması gereken çok daha fazla araştırma olsa da, araştırma ekibi “Bu durumları, çift katmanlı grafen yapılara özgü ve geleneksel CF modeli tarafından tanımlanmayan yeni bir bağlantılı alan durumu çeşidini temsil eden CF’ler arasındaki ‘artık eşleşmenin’ yarattığı etkileşimlerinden kaynaklandığı şeklinde yorumluyoruz,” diyor.

Farklı biçimde söylersek, bir grafen katmanı iyidir ama iki tanesi bir aradayken, bu dünyanın dışındanmış gibi davranırlar.

Araştırmanın detayları Nature Physics adlı dergide yayınlandı.

*Grafen; petek şeklindeki bir kafes içinde düzenlenmiş atomlar vasıtasıyla, bir atom kalınlığında düzlemsel tabakalardan oluşan bir karbon malzeme şekli.

**Kuantum Hall Etkisi, Hall etkisinin kuantum mekaniği çeşididir. Birbirine dik elektriksel ve manyetik alan içerisindeki bir iletken ya da yarı-iletkenden hem elektriksel alan yönünde hem de elektriksel ve manyetik alana dik yönde akım geçer. Geçen akıma göre, her iki doğrultuda da iletkenlik ölçüldüğünde iletkenliğin manyetik alanının tersiyle doğru orantılı olduğu görülür. B=10 Tesla gibi yüksek manyetik alanlardaysa bu orantı doğrusallıktan sapar ve doldurma çarpanının belirli katlarında enine iletkenlikte düz bölgeler gözlenir. Bu bölgeler doldurma çarpanının tam sayı katlarında gözlenirse tam sayı “kuantum Hall etkisi”, kesirli katlarında gözlenirse “kesirli kuantum Hall etkisi” adı verilir.

* Yazının aslı Science Alert sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)