2D malzemedeki ‘yavaş’ elektronların keşfi yeni hafıza cihazının yolunu açabilir

Son on yılda araştırmacılar, yeni nesil teknolojiler için kullanılabilecek büyüleyici kuantum etkilerine sahip iki boyutlu materyaller geliştirdiler.

Bu tür malzemeler süperiletkenlik (enerji kaybı olmadan elektrik iletme) ve elektronların malzeme içinde serbestçe hareket etmek yerine donmuş desenler halinde düzenlendiği şarj düzenleri göstermiştir.

Chicago Üniversitesi Pritzker Moleküler Mühendislik Okulu’ndan (UChicago PME) bir araştırma ekibi böyle bir materyalin Fe olduğunu keşfetti.₅GeTe₂elektronların kuantum tutarlılığını korurken topluca ve alışılmadık derecede yavaş hareket ettiği, yük sıralı bir durum sergiler.

Araştırmada yayınlandı Bilim Gelişmeleri Yardımcı doçent Shuolong Yang’ın laboratuvarında gerçekleştirilen bu araştırma, malzemeyle ilgili mevcut bilgiyi yeniden yazıyor ve yeni teknolojik uygulamaların kilidini açabilir.

Yang, “Bu, teorik tahminlerden sapan temel bir keşiftir” dedi. “Şimdi geri dönüp bu malzemenin manyetik etkileşimlerini sıfırdan düşünmeliyiz, ancak bu aynı zamanda bu malzemenin yeni türdeki bellek cihazları için kullanılmasında yeni olanaklara da yol açıyor.”

Çok vücutlu bir fenomen

Yedi yıl önce keşfedilen Fe₅GeTe₂ Van der Waals mıknatısları olarak bilinen malzeme sınıfının bir parçasıdır. Atomik olarak ince katmanları, geleneksel manyetik malzemelere dayalı olanlara göre avantajlara sahip yeni türde bellek teknolojilerine olanak sağlayabilir.

Yang ve doktora sonrası akademisyenler Gabriele Berruto ve Qiang Gao’nun da aralarında bulunduğu ekibi, materyali, bir materyalin yüzeyinden elektronları çıkarmak için fotonları kullanan açı çözümlü fotoemisyon spektroskopisi (ARPES) ile inceledi. Bu, bilim adamlarına malzemenin elektronik yapısını ve manyetik durumlarını gözlemleme yeteneği veriyor.

Ekip, ultraviyole lazeri 10 mikrometreye odaklayarak gözlemlediklerine şaşırdı. Elektronik bant (bir malzemenin elektriği iletip iletmediğini belirleyen, elektronların sahip olabileceği enerji aralığı) düzdü.

Düz bant, bir malzeme içindeki elektronların olması gerektiği kadar hızlı hareket etmediği garip bir olgudur. Aslında hep birlikte çok yavaş hareket ediyorlar.

Yang, “Bir elektronu ölçmüyoruz” dedi. “Binlerce veya milyonlarca elektronun etkileşimini ölçüyoruz ve hepsi tutarlı bir şekilde birlikte hareket ediyor. Bu bir kuantum çoklu-cisim olgusu ve aslında çok tuhaf bir şey.”

Yang bunu bir şelaleye benzetiyor: Eğim dik olduğunda su daha hızlı akar. Ancak eğim sığ olduğunda su daha yavaş akar. Bu çok yavaş elektronların bulunması, bilim adamlarının ve mühendislerin, içinde birçok farklı yapısal atom düzenine sahip olan malzemeye bakış açısını değiştiriyor.

Berruto, “Bilimsel bir perspektiften bakıldığında, malzeme içindeki manyetik etkileşimlerin teorinin öngördüğünden tamamen farklı olduğunu öne sürüyor” dedi.

Teknolojik açıdan bakıldığında bu olay, malzemenin farklı manyetik durumlarının bir bellek depolama sistemindeki bilgiyi kodlamak için kullanılabileceğini gösteriyor. Aslında Yang ve ekip şu anda mikro odaklı bir lazer kullanarak bu kuantum çoklu cisim fazı ile diğer fazlar arasında geçiş yapmak için çalışıyor ve bu geçişin mümkün olduğunu ve bir hafıza cihazında kullanılabileceğini gösteriyor.

Oda sıcaklığına doğru ilerlemek

Bu kuantum olaylarının çoğu yalnızca aşırı soğuk sıcaklıklarda gözlemlenip kontrol altına alınabilse de ekip, bu tepkinin mutlak sıfırın 100 dereceye kadar tutarlı olduğunu buldu. Hala oda sıcaklığının altında, ancak benzer malzemelerle karşılaştırıldığında oldukça umut verici.

Şu anda Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nda araştırma bilimcisi olan Gao, “Sonunda onu bir hafıza cihazında kullanmak istiyorsak, oda sıcaklığında çalışması gerekiyor” dedi.

Daha sonra ekip, malzemeyi tek bir atomik katmana kadar pul pul döktüğünde aynı özellikleri bulup bulamayacağını görmek için çalışmaya devam edecek.

Bu makale, UChicago’da 15 Haziran’da ölen seçkin fizikçi Peter Littlewood’un son araştırma yayınlarından biriydi.

Yang, “O büyük bir teorik fizikçiydi ve UChicago’da kuantum malzeme araştırmalarının lideriydi” dedi. “Bu makaleyi ona ithaf ediyoruz.”

Makaledeki diğer yazarlar arasında Khanh Duy Nguyen, Chaowei Hu, Paul Malinowski, Haoran Lin, Beomjoon Goh, Bo Gyu Jang, Xiaodong Xu ve Jiun-Haw Chu yer alıyor.