DGIST Fizik ve Kimya Bölümü’nden Profesör Chang-Hee Cho’nun liderliğinde yürütülen çalışmada, araştırma ekibi, kristal yapıdaki dönüşümlere bağlı olarak iletkenlik özelliklerinde meydana gelen değişiklikleri kullanarak polaritonların Rabi salınımını yüksek hassasiyetle ayarlamayı başardı. Advanced Science dergisinde yayımlanan bu çalışmada, kuantum parçacıklarının davranışlarının karmaşık ve harici cihazlara gerek kalmadan kontrol edilebileceği gösterildi. Bu önemli buluşun, uygulamalı kuantum teknolojilerinin gerçekleştirilme potansiyelini önemli ölçüde artırması bekleniyor.
Kuantum teknolojisi, geleneksel elektronik cihazlara kıyasla çok daha hızlı ve hassas bilgi işleme yeteneği sunarak; kuantum hesaplama, iletişim ve sensörler gibi geleceğin endüstrileri için kilit bir itici güç olarak öne çıkıyor. Bu teknolojinin temelinde ise, kuantum durumlarını doğru bir şekilde oluşturma ve kontrol etme yetisi yatıyor. Özellikle ışık tabanlı kuantum cihazlar alanında yürütülen son araştırmalarda, polaritonlar ön plana çıkıyor.
Polaritonlar, fotonların eksitonlarla (elektron ve boşluğunun oluşturduğu bağlı haller) birleşmesiyle oluşan karmaşık uyarılmış kuasi-parçacıklardır. Bu parçacıklar, ışık hızında hareket edebilme yeteneklerini korurken, aynı zamanda elektronlar gibi maddeyle güçlü bir şekilde etkileşime girme özelliğine de sahiptir.
Özellikle polaritonların Rabi salınımı, kuantum bilgi işleminde doğrudan işlevsel bir rol oynamaktadır. Bu salınımın frekansının hassas bir şekilde kontrol edilebilmesi, kuantum cihazlarının hayata geçirilmesi açısından kritik öneme sahiptir. Ancak Rabi salınım frekansını serbestçe ve hassas biçimde kontrol etmek, uzun zamandır çözülemeyen bir zorluk olarak varlığını sürdürmekteydi.
Bu sınırlamanın üstesinden gelmek amacıyla DGIST araştırma ekibi, MAPbBr₃ adı verilen özel bir perovskit yarı iletken malzeme üzerine odaklandı. Nasıl ki su, sıcaklığa bağlı olarak buz ya da buhar hâline geçebiliyorsa, bu malzeme de benzer şekilde faz geçişi özelliğine sahiptir; yani kristal yapısı çevresel koşullara bağlı olarak dönüşüm geçirebilir.
Özellikle bazı yapısal fazlarda, perovskit malzemesi harici bir elektrik alanına ihtiyaç duymadan kendiliğinden kutuplaşma gösterir; bu durum ferroelektriklik olarak adlandırılır. Bu eşsiz elektriksel özellik, eksitonların davranışlarını değiştirerek, dolayısıyla polaritonların kuantum karakteristiklerini doğrudan etkiler.
Araştırma ekibi, perovskit kullanarak bir mikrokavite yapısı tasarladı ve faz geçişine bağlı yapısal değişimlerin polaritonların Rabi salınımı üzerindeki etkisini deneysel olarak ortaya koydu. Elde edilen bulgular, kristal fazının kontrolüyle polariton salınım frekansının %20 oranında ayarlanabildiğini ve ışık-madde etkileşiminin şiddetini gösteren osilatör gücünde %44’e varan değişimlerin mümkün olduğunu gösterdi. Özellikle, asimetrik kristal yapıdaki ferroelektrikliğin bu değişimlerin temel itici gücü olduğu tespit edildi.
Bu çalışmada geliştirilen ferroelektrik tabanlı kontrol teknolojisi, polariton tabanlı kuantum cihaz tasarımlarında hem esneklik hem de hassasiyet sağlayan yenilikçi bir yaklaşım sunuyor. Özellikle kuantum hesaplama, kuantum iletişim, fotonik yapay zeka çipleri ve ultra hızlı sensörler gibi çeşitli kuantum bilgi uygulamalarında, sistemlerin çalışma hızını ve kararlılığını artırmada kilit bir rol oynayabilecek potansiyele sahiptir.
Ayrıca, kontrolün yalnızca kristal fazının ayarlanmasıyla sağlanabilmesi, bu yaklaşımın oda sıcaklığında çalışabilen, pratik ve uygun maliyetli kuantum cihazlarının geliştirilmesi açısından güçlü bir potansiyel taşıdığını ortaya koyuyor.
Profesör Cho, “Bu çalışma yalnızca polariton üretmenin ötesine geçerek, ferroelektriklik aracılığıyla polaritonların yoğunluğunun ve özelliklerinin pratik bir yöntemle kontrol edilebileceğini ortaya koyuyor. Kuantum cihaz kontrol teknolojileri geliştikçe, kuantum bilgisayarlar ve iletişim sistemleri gibi çeşitli kuantum tabanlı teknolojilerin gerçek dünyadaki uygulamaları da hız kazanabilir,” ifadelerini kullandı.
Çalışmanın birinci yazarı ise DGIST Fizik ve Kimya Bölümü’nden doktora adayı Hyeon-Seo Choi oldu.
Çeviren: Arda Arpacı
Redaktör Büşra Özer
Bilimsel Redaktör: Yasemin Poyraz Koçak
Kaynak
- https://phys.org/news/2025-04-quantum-particle-states-phase-transition.html
