2 boyutlu malzemelerin hesaplama modellerinin karıştırılması ve eşleştirilmesi üzerine yapılan bir deneyde, Rice Üniversitesi‘nden bilim insanları, kuasiparçacıkların (quasiparticles) yani vakumda farklı zayıf etkileşimdeki parçacıklar içeriyormuş gibi davranan parçacıkların, yeni ve kullanışlı yollarla manipüle edilebileceğini fark ettiler. Keşif, elektronik, spintronik ve kuantum hesaplama uygulamaları olması açısından oldukça umut ve heyecan verici bir bilimsel keşif.
Dilerseniz biz de bu heyecan verici keşfin arka planını biraz tanıyalım:
Önce deneyin başrol elemanları eksitonlardan başlayalım. 🙂
Eksiton nedir?
Bir eksiton (exciton), elektrostatik Coulomb kuvveti tarafından birbirine çekilen bir elektronun ve bir elektron deliğinin bağlı halidir. İzolatörlerde, yarı iletkenlerde ve bazı sıvılarda bulunan elektriksel olarak nötr bir yarı parçacıktır. Eksiton, net elektrik yükü taşımadan enerji taşıyabilen yoğunlaştırılmış maddenin temel uyarımı olarak kabul edilir.
Bir materyal, bant aralığından daha yüksek enerjili bir fotonu absorbe ettiğinde bir eksiton oluşabilir. Bu, bir elektronu değerlik bandından iletim bandına değin uyarır. Buna karşılık, bu, pozitif yüklü bir elektron deliğinin (bir elektronun hareket ettiği yer için bir soyutlama) gerisinde kalmaktadır. İletim bandındaki elektron, deliği çevreleyen çok sayıda elektrondan ve uyarılmış elektrondan itici Coulomb kuvvetleri tarafından etkili bir şekilde bu lokalize deliğe çekilir. Bu durum, dengeleyici bir enerji dengesi oluşmasını sağlar.
Sonuç olarak, eksiton bağlanmamış elektron ve delikten biraz daha az enerjiye sahiptir. Bağlı durumun dalga fonksiyonunun, hidrojen atomuna benzeyen egzotik bir atom durumu olan hidrojenik yani hidrojen benzeri atom olduğu söylenir. Bununla birlikte, bağlanma enerjisi çok daha küçüktür ve parçacığın boyutu bir hidrojen atomundan çok daha büyüktür. Bunun nedeni, hem Coulomb kuvvetinin yarı iletkendeki diğer elektronlar tarafından taranması (yani nispi geçirgenliği) hem de uyarılmış elektron ve deliğin küçük etkili kütlelerinden kaynaklanmaktadır. Elektronun ve deliğin rekombinasyonu, yani eksitonun bozulması, elektron ve delik dalgası fonksiyonlarının üst üste binmesi nedeniyle rezonans stabilizasyonu ile sınırlandırılır ve bu da eksitonun ömrünü uzatır.
Eksitonlar bazı 2B kombinasyonlarda aşırı akışkan oluşturması
Araştırmacılar, bir araya getirildiğinde eksitonların (excitons) kendiliğinden oluşmasına izin verecek benzer atomik kafes boyutlarına sahip küçük bir 2 boyutlu bileşikler seti belirlediler.
Rice Üniversitesi’nden malzeme teorisyeni Boris Yakobson ve ekibi tarafından öngörülen birkaç kombinasyonda eksitonların malzemelerin temel durumunda stabilize olduğu gözlemlendi. En düşük enerji durumlarındaki bu eksitonlar, aşırı akışkan bir faza yoğunlaşabilirler.
Binlerce olasılığı değerlendirdikten sonra, araştırma takımı 23 katmanlı iki heteroyapıyı (heterostructure) kesin olarak modellemeyi başardı. Katmanları zayıf van der Waals kuvvetleri tarafından gevşek bir şekilde oluşumu ve bant boşluklarının yan yana yerleştirildiklerinde nasıl hizalandığı hesaplandı. (Bant boşlukları, bir elektronun bir malzemeye yarı iletken özelliklerini vermek için atması gereken mesafeyi tanımlar. Mükemmel iletkenler – metaller veya grafen gibi yarımetallar – bant boşluğuna sahip değildir.)
Deneyin sonucunda, her bir kombinasyon için faz diyagramları oluşturdular, deneysel çalışma için hangisinin en iyi potansiyele sahip olduğunu görmelerini sağlayan haritalar hazırladılar. En iyi kombinasyonun, bizmut-tellür-klorin ile antimon-tellür-selenyumun heteroyapı çift katmanlarının bir araya getirilmesi olduğu gözlemlendi.
Kombinasyonların gerginlik, eğrilik veya harici bir elektrik alanı yoluyla stres uygulanarak ayarlanabileceği farkedildi. Bu, eksitonların faz durumunun, bir Bose-Einstein kondensatının veya bir süper iletken BCS kondensatının “mükemmel sıvı” özelliklerini alması için ayarlanmasına izin verebilir.
Bir kuantum kondensatında, düşük sıcaklıklardaki bosonik parçacıklar kolektif bir kuantum zemin durumunu işgal eder. Bu, aşırı akışkanlık ve süper iletkenlik kadar önemli olan makroskopik kuantum fenomenlerini destekler. Kondens durumları ilgi çekicidir, çünkü tuhaf kuantum özelliklere sahiptirler ve günlük ölçekte bulunurlar, mikroskop olmadan erişilebilirler ve sadece düşük sıcaklık gereklidir. Mümkün olan en düşük enerji durumunda oldukları ve kuantum yapıları nedeniyle, kondensler enerji kaybedemez ve mükemmel sürtünmesiz bir sıvı gibi davranamazlar.
Araştırmacılar, bu tür sistemlerin oldukça nadir olmasından dolayı, bunları çeşitli katı ve gaz sistemlerinde gerçekleştirmek istiyorlar. Bu gelişmenin potansiyel uygulamaları kuantum dünyasını büyük ölçüde genişletebilir ve yeni, şaşırtıcı cihazlarda kullanım fırsatları oluşturabilir.
Kaynakça
- Rice Üniversitesi tarafından Materyal
- Sunny Gupta, Alex Kutana, Boris I. Yakobson. Heterobilayers of 2D materials as a platform for excitonic superfluidity. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-16737-0
Yoruma kapalı.