Fizikçilerden yeni bir elektronik kuantum malzemesi keşfi: “Kagome metali”

Japonya’nın Kagome deseni olarak bilinen sepet örme motifi fizikçilerinin aklını uzun süredir meşgul etmekte. Kagome sepetleri bambu ağacından koparılan şeritlerin birbirinin üstünden geçirilmesiyle köşe paylaşan üçgen şeklindeki aşırı simetrik desenlerden oluşuyor.

Eğer bir metal ya da başka bir iletken malzeme atomik boyutta kagome desenine benzer bir biçime sokulabilirse, ilginç elektronik özellikler gösterebilir.

Nature’da yayınlanan makaleye göre, MIT, Harvard Üniversitesi ve de Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki fizikçiler ilk defa bir kagome metali üretmeyi başardılar. Bu metal demir (Fe) ve kalay (Sn) atomlarının oluşturduğu iletken kristal katmanlardan oluşuyor ve her katman kagome desenini tekrarlıyor.

Araştırmacılar kristallerin içindeki kagome katmanlarından akım geçirdiklerinde üçgensel dizilim içindeki atomların kuantum benzeri ilginç davranışlar gösterdiğini gözlemlediler. Elektronlar Kagome örgüsünün oluşturduğu kristal kafesten (lattice) direk geçmek yerine ya yön değiştirdiler ya da kafes içinde geri döndüler.

Bu davranış şekli Quantum Hall etkisi adı verilen fenomen ile oldukça benzerlik gösteriyor. Quantum Hall etkisi de örneğin iki boyutlu malzemelerde elektronların enerji kaybetmeden daha dar ve dairesel yolları takip etmesini ve de kiral topolojik bir statü (chiral, topological state) göstermesini açıklar.

MIT Fizik Bölümü’nde doçent olan Joseph Checkelsky’e göre doğasında manyetizma bulunan demir eğer kagome deseni şeklini alabilirse, bu egzotik davranış oda sıcaklığı ve hatta daha yüksek sıcaklıklara dayanaklılık gösterebilir.

Bu buluşları daha da detaylı incelemek için, araştırma grubu Heinrich Hertz tarafından bulunan ve Einstein tarafından anlatılan, fotoelektrik etki olarak bilinen yöntemi kullanarak kristal içindeki enerji spektrumunu ölçtüler.

(Soldan Sağa) Joe Checkelsky, Linda Ye, Min Gu Kang,veRiccardo Comin. Credit: Takehito Suzuki

MIT’teki fizikçi Riccardo Comin ise şu açıklamayı yapıyor: “Temel olarak, elektronlar önce malzemenin yüzeyinden çıkarlar ve bu elektronlar çıkış açısına ve kinetik enerjiye bağlı olan bir fonksiyon olarak tanımlanırlar. Alınan görüntüler (veriler) elektronların bulunduğu enerji seviyelerinin direk fotoğraflarıdır. Bu durumda da elektrik yüklü foton ve kuantaların bir versiyonu olan nerdeyse kütlesiz Dirac parçacıklarını yaratırlar.”

Ölçülen spektrum, elektronların Dirac ferminonlarına benzer bir şekilde kristalden aktıklarını ve göreceli bir kütle kazandıklarını gösteriyor. Teorik olarak bu, kristal kafes (lattice) bileşenleri demir ve kalay atomlarının varlığıyla açıklanıyor. Demir manyetik ve bu sayede taşınılabilirlik ve kiralliğe olanak veriyor. Kalay ise daha ağır bir nükleer yüke sahip ve lokalde büyük bir elektrik alan yaratıyor. Harici akım aktıkça, akım kalayın alanını bir elektrik alan değil de bir manyetik alan olarak algılıyor ve de bükülüp yön değiştiriyor.

“Simyaya gerek yok”

Fizikçiler uzun yıllardır elektronik malzemelerin kendi içlerindeki doğal manyetik özellikleri ve latis geometrisiyle Quantum Hall davranışını destekleyebileceği teorisi üzerinde çalışıyorlar. Ancak son birkaç sene önceye kadar bu malzemeler konusunda bu kadar ilerleme gerçekleşmemişti.

Diğer araştırma grupları da bu şekilde Quantum Hall etkisini teşvik etmeyi başardılar. Ama maalesef bunu sadece mutlak sıfır gibi çok soğuk sıcaklıklarda başarabildiler, ki bu da doğal olarak yaratılmayan “shoehorning” adıyla bilinen manyetizmayla mümkün oluyordu.

MIT’teyken, Checkelsky bu davranışı doğal manyetizmayla nasıl yönlendirebileceğini düşünmeye başladı. Doktora öğrencisi Evelyn Tag ve Professor Xiao-Gang Wen’in çalışmalarından ilham alarak bu davranışı kagome latisinde aramaya başladı. Bunu anlamak için, makalenin baş yazarı Ye, demir (Fe) ve kalay (Sn) toz metallerini birbiriyle karıştırıp öğüterek bu atomların kagome benzeri desen şeklini aldığı derecede fırında pişirmiş. Daha sonra ise bu kristalleri latis desenlerinin oda sıcaklığında kalabilmesi için bir buz banyosuna sokmuş.

Ye’ye göre kagome deseni büyük boşluklar içeriyor, bu dokumayı kolaylaştırsa da genellikle bu durum düzenli atom sıralamasını tercih eden kristal katılarda bir kararsızlık yaratıyor: “Burada püf nokta bu boşlukları en azından yüksek sıcaklıklarda kararlı olan ikinci bir atom tipiyle doldurmak. Bu kuantum malzemelerini anlamak için ise simya değil, malzeme bilimi ve sabır gerekiyor”.

Sıfır enerji kaybına doğru ilerlerken

Araştırmacılar her biri 1cm genişliğinde birkaç kristal örnekleri yetiştirdiğinde, TEM mikroskobunda atomik katmanları görmeleri için bu örnekleri Harvard’daki birlikte çalıştıkları araştırmacılara verdiler. İncelenen mikroskop resimlerinde demir ve kalay atomlarının dizilişlerinin aynı kagome latisi gibi üçgensel desenler içinde oldukları görüldü. Özellikle, demir atomları üçgen köşelerinde konumlanmıştı. Kalay atomları ise bu ağ gibi örülmüş üçgenlerin arasındaki büyük altigen boşlukların içinde yer alıyordu.

Ye daha sonra bu kristal katmanlardan elektrik akımı geçirip, akımın yaratılan voltajlarda nasıl hareket ettiğini gözlemledi. Fark ettiği şey ise kristalin üç boyutlu olmasına rağmen yüklerin iki boyutlu bir şekilde dağıldığıydı. Bununla ilgili bir diğer kanıt da beraber çalıştıkları makalenin bir diğeri yazarı Kang’dan geldi. Kang yaptığı fotoelektron deneyleriyle spektrumun iki boyutlu elektronlara uyum gösterdiğini söyledi.

“Elektronik bantlarına daha da yakından bakınca olağandışı bir şey farkettik” diye ekliyor Kang. “Manyetik malzemenin içindeki elektronlar büyük Dirac parçacıkları gibi davranıyordu; bu daha önce bilim insanları tarafından tahmin edilen ama şimdiye kadar bu sistemlerde hiç görülmemiş bir davranıştı.”

“Bu malzemenin kendine mahsus özelliği manyetizma ve topolojinin birbiriyle harmanlanması; bu da başka fenomenleri ortaya çıkarabilir” diye konuşuyor Comin. “Bir sonraki hedefimiz ise bu kuantum elektronik fazlarının sahip olduğu topolojik özelliklerin yarattığı “kenar durumlarını (edge state)” belirlemek ve manipüle etmek.

Araştırma grubu ilerisi için şu anda iki tane daha farklı iki boyutlu kagome latis yapısını inceliyor. Eğer bu tür malzemeler sentezlenebilirse, bu sadece enerji kaybı yaşamayan cihazları araştırmak için değil kuantum bilgisayarları gibi uygulamalar için de kullanılabilecek.

Kuantum biliminin ilerleyen araştırmalarında, Checkelsky’e göre kayıpsız yeni kuantum devreleri için artan bir ilgi var: “Kagome metalleri önerdiği yeni malzeme dizaynları ile kuantum devrelerini anlamak için yeni platformlar sunuyor.”

Matematiksel için çeviren:  Pelin Yilmaz

Daha Fazla Bilgi İçin Massive Dirac fermions in a ferromagnetic kagome metal, Nature (2018). nature.com/articles/doi:10.1038/nature25987

 

Yazıyı Hazırlayan: Matematiksel

Bu yazı gönüllü yazarlarımız tarafından hazırlanmış veya sitemiz editörleri tarafından belirtilen kaynaktan aslına uygun kalınarak eklenmiştir.

Bunlara da Göz Atın

Çocuklara Matematiği Sevdirme Konusunda Bazı Öneriler

İlköğretimde, özellikle matematik dersinde öğretmenlerle öğrenciler arasında sevgisizlik, anlayışsızlık ve benzeri olumsuz tutumlar oldukça sık …

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

ga('send', 'pageview');