Elektromanyetik boşlukların içindeki 2 boyutlu malzemelerde kuantum salonu şeritlerinin mühendisliği

Kuantum mekaniği yasalarına tabi özelliklere sahip malzemeler olan kuantum malzemelerinin, ultra verimli elektronik cihazların, kuantum işlemcilerin, son derece hassas sensörlerin ve diğer çeşitli teknolojilerin geliştirilmesi için son derece umut verici olduğu kanıtlanmıştır. Bu malzemelerin kuantum fazlarının güvenilir bir şekilde kontrol edilmesi, mühendislerin özelliklerini belirli uygulamalar için uyarlamalarına ve optimize etmelerine olanak sağlayacağından oldukça avantajlı olacaktır.

ETH Zürih’teki Prof. Dr. Jérôme Faist ve Prof. Dr. Giacomo Scalari liderliğindeki Kuantum Optoelektronik Grubundaki araştırmacılar, iki boyutlu (2D) elektron sistemlerinde kuantum Hall şeritleri olarak bilinen kendi kendine organize olan elektronik kalıpları stabilize etmek için yeni bir strateji ortaya çıkardılar.

Yayınlanan bir makalede özetlenen yaklaşımları Doğa Fiziğiyüksek kaliteli 2 boyutlu elektron sistemleri oluşturmayı, bunları dikkatlice tasarlanmış boşluklara (yani elektromanyetik alanları sınırlayan yapılara) yerleştirmeyi ve ultra düşük sıcaklıklara kadar soğutmayı gerektirir.

Beklenmedik bir keşif

Araştırmacıların çalışması, daha önceki deneyleri yürütürken gözlemledikleri şaşırtıcı bir etkiden kaynaklandı. Spesifik olarak ekip, bazı beklenmedik koşullar altında, bir boşluğun içine yerleştirilen kuantum malzemenin direncinin sıfıra yakın olduğunu gözlemledi.

Makalenin ilk yazarı Lorenzo Graziotto, CEİD’a şöyle konuştu: “Keşifler genellikle siz aslında başka bir şeye bakarken gerçekleşir ve kökenini anlamak istediğiniz sıra dışı bir özellik dikkatinizi dağıtır.”

“Bizim durumumuzda, ışık (boşluk rezonatörünün içindeki sınırlı elektromanyetik alan) ile madde (iki boyutlu bir düzlemde hareket eden elektronlar) arasındaki ultra güçlü bağlantıyı manyetotransport ölçümleriyle araştırıyorduk: Düzleme dik olarak uygulanan manyetik alanı değiştirirken akımı ve voltajı ölçüyorsunuz.”

Daha önceki araştırmalarında Graziotto ve meslektaşları başlangıçta kuantum Salonu platolarını araştırıyorlardı. Bu terim, Hall iletkenliğinin kesin, nicemlenmiş değerlerde sabit kaldığı bölgeleri tanımlamak için kullanılır.

Graziotto, “Son 40 yıldır anlaşılan bu bölgelerin, elektromanyetik alan dalgalanmalarının etkisi altında herhangi bir değişikliğe uğrayıp uğramayacağını görmek istedik” diye açıkladı.

“Bu aslında geçen yıl yayınladığımız başka bir çalışmanın konusuydu. Ancak bir noktada, kuantum Hall platolarından uzaktaki bazı belirli manyetik alanlar için direncin neredeyse sıfıra yaklaştığını fark ettik. Bu alışılmadık bir durumdu, çünkü elektronların metalik bir sistem gibi, yani sonlu, önemli bir dirence sahip olması beklenirdi.”

Araştırmacılar ilk önce şaşırtıcı gözlemlerinin basitçe kullandıkları ölçüm şemalarındaki sorunlarla bağlantılı olabileceği ihtimalini elemeye çalıştılar. Öyle olmadığını doğruladıktan sonra, ETH Zürih’teki teorik fizikçilerle yakın çalışmaya başladılar; bu bilim adamları, etkinin fiziksel temellerini tahmin etmelerine yardımcı oldu.

Graziotto, “ETH’deki teorisyen arkadaşlarımız, bu kadar düşük direncin, elektronların hizalanmış şeritler oluşturacak şekilde kolektif olarak düzenlenmesine atfedilebileceğini öne sürdüler” dedi.

“Bu şeritler, elektronların akması için otoyol görevi görecek ve böylece dirençlerini güçlü bir şekilde bastıracaktır. Bu iddiayı, direnci dik yönde ölçerek, bunun yerine bir artış bekleyerek değerlendirebiliriz.”

Yeni kuantum salonu şeritlerinin mühendisliği

Teorik tahminlerini test etmek için araştırmacılar, elektronların çok az saçılmayla (yani diğer parçacıklarla çarpıştıktan sonra yörüngelerini değiştirmeden) serbestçe hareket edebildiği yeni bir 2 boyutlu malzemeyi dikkatlice tasarladılar. Bu materyallerde üretilen kuantum Hall şeritleri, ekibin direnci dik olarak ölçebileceği şekilde hizalandı.

Graziotto, “Deneylerimiz, şeritlerin hizalandığı mekanizmayı ortaya çıkardı; bu da onların hizalanmalarının, elektronların boşluk rezonatörümüz içindeki polarize vakum dalgalanmalarına bağlanmasından kaynaklandığını gösterdi” dedi.

“Özellikle, elektron dalgası fonksiyonlarının manyetik alanda üstlendiği özel halka benzeri şekil nedeniyle çizgiler mikroskobik ölçekte oluşma eğilimindedir. Bununla birlikte, bu mikroskobik şeritler genellikle rastgele yönlendirilir. Bizim yaklaşımımızda onları vakum dalgalanmalarının polarizasyon yönüne dik olarak hizalayarak kontrol ettik, bu da onları bir tork, özellikle bir Casimir torku yoluyla yeniden yönlendirmemize olanak tanıyor.”

Ekibin örneğindeki elektronlar, galyum arsenit ve alüminyum galyum arsenitten yapılmış yarı iletken heteroyapıların içinde barındırıldıkları için iki boyutla sınırlıydı. Ekip daha sonra numunelerini 20 mK’nin altına soğutmak için seyreltme buzdolabı olarak bilinen bir cihaz kullandı ve süper iletken bir mıknatıs kullanarak buna güçlü bir manyetik alan uyguladı.

Graziotto, “En önemlisi, yalnızca aralarındaki etkileşimin özel biçimi nedeniyle ortaya çıkan, kuantum belirsizliği nedeniyle karanlıkta her zaman mevcut olan dalgalanmalardan başka bir şey kullanmadan, boşluk rezonatörümüz içinde uygun şekilde güçlendirildiğinde, elektronların ilişkili fazını kontrol ediyoruz” diye açıkladı.

“Geçmişte bu şeritleri hizalamak için başarılı bir şekilde başka girişimlerde bulunulmuştu, ancak yaklaşımımızla elde ettiğimiz stabilizasyon çok daha sağlamdır ve diğer tekniklerle hizalamanın kaybolduğu sıcaklığın yaklaşık iki katına kadar devam eder.”

Olası uygulamalar ve gelecekteki araştırma adımları

Graziotto ve meslektaşları, direnci bastırarak 2 boyutlu malzemelerdeki kuantum Hall şeritlerini hizalamak için umut verici bir yaklaşım ortaya çıkardılar. Gelecekte, çalışmaları kuantum işlemciler, sensörler, hafızalar ve diğer ileri teknolojilerdeki elektronik durumların ayarlanması için yeni olanaklar açabilir.

Graziotto, “Yaklaşımımız aynı zamanda enerji kaybı olmaksızın, tamamen dengede malzeme modifikasyonları elde etmemize olanak tanıyor ve bu, kuantum cihazlarının ve işlemcilerinin gerçekleştirilmesine yönelik çıkarımlarla birlikte diğer ilişkili fazların yapılandırılmasında yararlı olabilir” dedi.

Araştırmacılar şimdi yaklaşımlarını daha da geliştirmeyi amaçlayan yeni çalışmalar planlıyorlar. En önemlisi, kuantum Hall şeritlerini güvenilir bir şekilde hizalamanın yanı sıra gerçek zamanlı olarak değiştirmek istiyorlar.

Graziotto, “Daha spesifik olarak, vakum dalgalanmalarının polarizasyonunu sürekli olarak döndürerek şeritleri döndürmek istiyoruz” diye ekledi.

“Bu, dengedeyken bile sistemin dinamik kontrolünün mümkün olduğunu gösteriyor. Ancak vakum dalgalanmalarına sahip malzemeleri kontrol etmeye yönelik uzun vadeli hedefimiz çok daha geniş. Bu paradigmayı, başka hiçbir yerde gözlemlenmemiş birçok yeni, ilginç aşamaya ev sahipliği yapan iki boyutlu van der Waals malzemelerine de uygulamak istiyoruz.”