Ağır çekim elektron kamerası, grafendeki ışık kaynaklı kuantum sıçramalarını ortaya koyuyor

Regensburg, Marburg ve Jülich’ten fizikçiler, yeni bir ağır çekim elektron kamerası kullanarak, yoğun elektrik alanlarının grafendeki elektronları nasıl yönlendirdiğini ve görünüşte paradoksal bir şekilde enerji boşlukları üzerinden atlamalarına neden olduğunu ortaya çıkardı. Bu, lazer teknolojisi ve elektron mikroskobunun yeni bir kombinasyonuyla mümkün oldu.

Elektronların davranışı kabaca kat göstergesinin aniden “1”, “2” ve “3”ten “20”ye atladığı bir asansöre binmeye eşdeğerdir. Aradaki 17 katı hiç geçmiyorsunuz ama 20. kata ulaşıyorsunuz. İmkansız gibi görünen bir sıçrama aslında kuantum dünyasında mümkün. Bu tür süreçlere Landau-Zener-Majorana geçişleri denir. Uzun süredir bu geçişlerin yüksek hızlı yarı iletken elektroniklerde giderek daha önemli bir rol oynayabileceğinden şüpheleniliyordu.

Regensburg Üniversitesi, Philipps-Universität Marburg ve Forschungszentrum Jülich’ten bir araştırma ekibi, malzeme grafendeki bu tür geçişlerin ultra hızlı dinamiklerini görselleştirmeyi başardı. Ekip bu başarıyı dergide yayınlanan son çalışmasında rapor ediyor Doğa.

Araştırmacılar, elektronların bir ışık darbesinin elektrik alanı tarafından nasıl hızlandırıldığını ve hareket ettikçe enerji bantları arasında nasıl geçiş yaptığını gözlemlediler. Yarı iletkenlerde ve ilgili malzemelerde elektronlar yalnızca bant olarak bilinen ve yasak bir enerji aralığıyla ayrılan belirli enerji aralıklarını işgal edebilir. Tipik olarak elektronlar kendi bantlarında sıkı bir şekilde sıkışıp kalırlar. Ancak Landau-Zener-Majorana geçişi sırasında elektronların bu yasak bölgeyi kolaylıkla aştığı görülüyor.

Elektronlar için ağır çekim kamera

Bu kadar hızlı süreçleri gözlemlemek için ekip, lazer teknolojisi ve elektron mikroskobunun yeni bir kombinasyonunu geliştirdi. Araştırmanın baş yazarı Vincent Eggers, “Bir yarışı kimin kazandığını bilmek istiyorsanız tüm katılımcıları izlemelisiniz” diye açıklıyor. “Aynı şekilde, hareket halindeyken kuantum mekaniksel bir geçişe uğrayanları yakalamak için aynı anda mümkün olduğu kadar çok elektronu gözlemlemeliyiz.” Bu, fotoemisyon momentum mikroskobu adı verilen bir cihazla mümkün olmaktadır. Geleneksel mikroskoptan farklı olarak nesnelerin büyütülmüş görüntülerini göstermez. Bunun yerine elektronların enerjilerini ve hareket durumlarını kaydediyor ve bunları dağılımlarının bir haritasını oluşturmak için kullanıyor.

Özel zorluk, elektron spektroskopisini, elektronları hedefli bir şekilde harekete geçiren güçlü, son derece hızlı salınan ışık alanlarıyla birleştirmekti. Rupert Huber, “Ekibimiz bu deney üzerinde uzun yıllar çalıştı. Artık bir katının tüm enerji alanı boyunca hareket eden elektronları gerçek zamanlı olarak takip edebiliyoruz” diyor.

Ultra hızlı elektron spektroskopisinin öncülerinden biri olan işbirliği ortağı Ulrich Höfer şunu ekliyor: “İlk ölçüm kampanyamız sırasında böylesine temel bir kuantum mekaniksel süreci gözlemleyebilmek bizim için çok özel bir andı; bunu, kullandığımız örnekler sayesinde de mümkün kıldık.”

Ölçümler, Forschungszentrum Jülich’te üretilen, en yüksek saflıkta, özel yapım, atomik olarak ince karbon katmanlarına dayanıyordu. Forschungszentrum Jülich’ten Stefan Tautz, “Bu hassas deneyler atomik düzeyde neredeyse mükemmel malzeme gerektirir. Bu, safsızlıkların elektronların hassas kuantum dinamiklerini engellememesini sağlar. Çalışma için bir diğer önemli faktör, Jülich’in bir özelliği olan ve kuantum dinamiğinin özellikle net bir şekilde ortaya çıkmasına olanak tanıyan ‘döndürülmüş’ grafenin kullanılmasıydı” diye vurguluyor.

Ağır çekim görüntülerde şaşırtıcı bir sonuç ortaya çıktı: Güçlü ışık alanlarının etkisi altındaki elektronlar, bant aralığını %100’e varan tünelleme olasılığıyla aşıyor. Landau-Zener-Majorana geçişleri, ilgili enerji durumları birbirinden açıkça ayrılmış olsa bile yüksek olasılıkla meydana gelebilir. Belirleyici faktör elektronların bant aralığına ne kadar hızlı yaklaştığıdır. Bu bakımdan, bu dinamik geçişler, uzaysal bir enerji bariyeri yoluyla standart kuantum mekaniksel tünellemeden temel olarak farklıdır.

Kuantum dünyasının panoramik görünümü

Yeni yöntem yalnızca temel kuantum mekaniksel geçişleri değil aynı zamanda elektronların hedeflenen kontrolünü sınırlayan süreçleri de araştırmak için kullanılabilir. Grafen üzerindeki ölçümler, kristal kafesle etkileşimlerin elektronların başlangıçtaki düzenli hareketini nasıl bozduğunu zaten gösteriyor. Bu tür bulgular, elektronların artık yalnızca elektrik voltajlarıyla değil, doğrudan ışığın son derece hızlı salınımlarıyla kontrol edildiği gelecekteki teknolojilerin geliştirilmesi açısından özellikle önemlidir.

Ya da Regensburg Üniversitesi’nden Giacomo Inzani’nin özetlediği gibi: “Deneyimiz kuantum dünyasına panoramik bir pencere açıyor. Artık elektronların bir malzemenin enerji ortamında nasıl hareket ettiğini gerçek zamanlı olarak takip edebiliyoruz. Ve bu sadece bir başlangıç. Yöntemimiz diğer birçok kuantum malzemesine uygulanabilir ve bunların elektronik özelliklerini ışıkla seçici olarak kontrol etmek için tamamen yeni olasılıklar açabilir.”