Araştırma kuantum malzemedeki yeni elektronik özellikleri ortaya çıkarıyor

Florida Eyalet Üniversitesi fizikçileri, grafenin bazı kısımlarında beklenmedik kuantum teknolojilerini harekete geçirme potansiyeline sahip olağandışı süper iletken durumları keşfeden bir ekibin parçası.

Fizik Yardımcı Doçenti Cyprian Lewandowski ve doktora sonrası araştırmacı Phong Võ Tiến, kiral istifleme olarak bilinen bir şekilde merdiven basamakları gibi istiflenmiş sadece birkaç karbon atomu katmanından oluşan bir sistem olan eşkenar dörtgen grafende süperiletkenlik ve topolojinin yeni yönlerini ortaya çıkaran uluslararası bir işbirliğinin parçasıdır. Çalışma şu adreste yayınlandı: Doğa Fiziği.

Lewandowski, “Eşkenar dörtgen grafen sistemi, bilim adamlarının daha önce diğer atomik olarak ince sistemlerde gördükleri ilgi çekici elektronik olayların çoğunu yakalıyor gibi görünüyor, ancak cihazların içsel karmaşıklığı veya tekrarlanabilirlik sorunları nedeniyle daha önce teknik uygulamalar için ideal değildi.” dedi.

“Fizikte, genel bir fenomeni tanımladığımızda, altta yatan mekanizmayı anlamak için onu temel biçimine ayırmaya çalışırız. Bu eşkenar dörtgen sistem bunu yapmamıza izin verir.

“Bu etkinin doğal oluşumunu belirledik ve daha önce daha karmaşık sistemlerde görülen özelliklere ulaşmak için bunu geliştirebilir ve optimize edebiliriz.”

Atomik olarak ince eşkenar dörtgen grafen pulları, doğal olarak oluşan grafit kristallerinden izole edilebilir. Bu yapıda, düşük enerjide, elektronlar neredeyse yalnızca üst ve alt yüzeylerdeki belirli atomlarda lokalizedir. Buna karşılık malzemenin büyük kısmında çok az yük bulunur.

Dış yüzeylerde büyük yoğunlukta elektronların toplanması, ilginç kuantum özelliklerinin ortaya çıkmasına neden olur; çünkü yükler, aynı anda birbirlerini iterken, yüzeylerde nasıl kalacakları konusunda kolektif olarak “seçimler yapmaya” zorlanırlar.

Ekip, süperiletkenliğin, zıt yüzeylerdeki elektron ve delik taşıyıcılarının süperiletken bir durum oluşturmak için bir araya geldiği bu çift yüzeyli konfigürasyondan doğrudan ortaya çıktığını buldu.

Etkili bilim konusunda işbirliği

FSU’ya, Seattle’daki Washington Üniversitesi’nde fizik profesörü olan eşbaşkan araştırmacılar Matthew Yankowitz ve Vancouver, Kanada’daki British Columbia Üniversitesi’nde fizik profesörü Joshua Folk liderliğindeki deney ekipleri işbirliğine katıldı.

Ekip birlikte, son derece hassas ve optimize edilmiş elektronik cihazlar oluşturmak için gereken malzeme ve yapı montaj uzmanlığını, bunlardan ortaya çıkan ultra hassas süper iletken durumları araştırmak için ölçüm uzmanlığını ve deneysel verileri süperiletkenliğin tutarlı bir anlayışına dönüştürmek için teorik uzmanlığı bu yeni platformda birleştirdi.

Yankowitz, “Bu sistemin ek bir karmaşıklığı da negatif ve pozitif yüklerin bir arada bulunmasıdır” dedi. “Bir yüzeyde yükler elektrondur ve dolayısıyla negatif yüklüdür. Diğer yüzeyde ise delik adı verilen ve fiilen pozitif olan parçacıklar gibi davranırlar.

“Bu çalışma, gelecekteki kuantum teknolojilerinin geliştirilmesine yönelik bir yol olabilecek, güçlü bir şekilde ilişkili ve topolojik aşamaların etkileşimi hakkındaki temel anlayışımızı geliştiriyor.”

Ekip, süperiletkenliğe ek olarak kuantum anormal bir Hall etkisi (bir elektrik akımının malzemenin kenarları boyunca dirençsiz olarak aktığı bir topolojik durum) gözlemledi.

FSU Kuantum Bilimi ve Mühendisliği Girişimi direktörü Mike Shatruk, “Cyprian parlak teorik içgörülerini kuantum malzemeleri bilimindeki en ileri sorunlara uyguluyor” dedi.

“Eğer süperiletken davranış ve topolojik durumlardan oluşan bu iki fenomen eninde sonunda bir arada varolabilirse, teori, hataya dayanıklı kuantum hesaplama için aday yapı taşları olan Majorana sıfır modları olarak adlandırılan modların ortaya çıkacağını öngörüyor; bunlar doğal olarak kuantum bilgisini yok eden yerel gürültü ve eşevresizlikten korunuyor.”

Yeni nesil kuantum cihazları

Ekibin yol gösterici hedeflerinden biri, araştırmayı sonunda yeni nesil cihazların ve dedektörlerin geliştirilmesi için kuantum mühendisliği alanına dönüştürmektir.

Sistemin bir diğer önemli yönü, dikey olarak ayrılmış iki elektronik yük katmanının bulunmasıdır; bu, daha önce manuel olarak oluşturulması gereken bir geometridir. Doğal olarak meydana gelen bu tür maddi durumların keşfedilmesi, temel fizikte ve potansiyel teknolojik uygulamalarda heyecan verici yeni yollara yol açabilir.

Çalışmalarında FSU Araştırma Hesaplama Merkezi ve FSU merkezli Ulusal Yüksek Manyetik Alan Laboratuvarı’ndan yararlanan Lewandowski, “20. yüzyılda bilim insanları, yoğun madde fiziği ve faz geçişleri hakkındaki modern anlayışımızın çoğunu helyumla çalışarak kazandılar ve eşkenar dörtgen grafenin burada bize maddenin benzersiz kristal fazlarını öğretme konusunda aynı amaca hizmet edebileceğini iddia ediyorum.” dedi.