Elektronlar katı bir maddeyi terk ettiğinde ne olur? Görünüşte basit olan bu olay şimdiye kadar doğru teorik açıklamalardan kaçmıştı. Yeni bir çalışmada araştırmacılar bulmacanın eksik parçasını buldular.
Bir kutunun içinde oturan bir kurbağa hayal edin. Kutunun belirli bir yükseklikte geniş bir açıklığı vardır. Kurbağa kaçabilir mi? Bu, ne kadar enerjiye sahip olduğuna bağlıdır: Yeterince yükseğe sıçrayabilirse, prensipte bunu başarabilir. Ancak bunun gerçekten başarılı olup olmadığı başka bir sorudur. Sıçramanın yüksekliği tek başına yeterli değildir; kurbağanın da açıklıktan atlaması gerekir.
Benzer bir durum katının içindeki elektronlarda da ortaya çıkar. Biraz fazladan enerji verildiğinde (örneğin, malzemeyi ek elektronlarla bombardıman ederek) malzemeden kaçabilirler.
Bu etki uzun yıllardır bilinmektedir ve teknolojide yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak şaşırtıcı bir şekilde bu süreci doğru bir şekilde hesaplamak hiçbir zaman mümkün olmadı.
TU Wien’deki çeşitli araştırma grupları arasındaki işbirliği artık bu gizemi çözdü: tıpkı kurbağa gibi, önemli olan sadece enerji değil; elektronun da “kapı durumu” olarak adlandırılan doğru “çıkış”ı bulması gerekiyor.
Basit bir durum, şaşırtıcı sonuçlar
Dergide yayınlanan yeni çalışmanın ilk yazarı, TU Wien Uygulamalı Fizik Enstitüsü’nden Anna Niggas, “Göreceli olarak yavaş elektronların ortaya çıktığı katılar fizikte önemli bir rol oynuyor. Bu elektronların enerjilerinden, malzeme hakkında değerli bilgiler elde edebiliriz” diyor. Fiziksel İnceleme Mektupları.
Bir malzemenin içindeki elektronlar farklı enerjilere sahip olabilir. Belli bir enerji eşiğinin altında kaldıkları sürece malzemenin içinde hapsolmaları kaçınılmazdır. Malzemeye ek enerji verildiğinde bazı elektronlar bu eşiği aşar.
TU Wien Atom ve Plazma Fiziği grubunun başkanı Prof. Richard Wilhelm, “Tüm bu elektronların yeterli enerjiye sahip olduklarında materyali terk ettikleri varsayılabilir” diyor.
“Eğer bu doğru olsaydı, işler basit olurdu: Sadece malzemenin içindeki elektronların enerjilerine bakardık ve hangi elektronların dışarıda görünmesi gerektiğini doğrudan çıkarırdık. Ancak görünen o ki, olan bu değil.”
Teorik tahminler ve deneysel sonuçlar birbiriyle örtüşmüyor gibi görünüyordu. Özellikle kafa karıştırıcı: “Farklı malzemeler (farklı miktarlarda katmanlara sahip grafen yapıları gibi) çok benzer elektron enerji seviyelerine sahip olabilir, ancak yayılan elektronlarda tamamen farklı davranışlar gösterebilir” diyor Niggas.
Kapı olmadan çıkış olmaz
Önemli içgörü: Enerji tek başına yeterli değildir. Gerekli enerji eşiğinin üzerinde bulunan ancak yine de malzemenin dışına çıkmayan kuantum durumları mevcuttur ve bu durumlar önceki modellerde hesaba katılmamıştır.
Richard Wilhelm, “Enerji açısından bakıldığında, elektron artık katıya bağlı değildir. Serbest bir elektronun enerjisine sahiptir, ancak yine de uzaysal olarak katının olduğu yerde kalır” diyor. Elektron, yeterince yükseğe sıçrayan ancak çıkışı bulamayan kurbağa gibi davranır.
Teorik Fizik Enstitüsü’nden Prof. Florian Libisch şöyle açıklıyor: “Elektronlar, giriş durumları olarak adlandırılan çok özel durumları işgal etmelidir.”
“Bu durumlar, aslında katının dışına çıkanlarla güçlü bir şekilde çiftleşiyor. Yeterli enerjiye sahip her durum böyle bir kapı durumu değildir; yalnızca dışarıya açılan bir ‘açık kapıyı’ temsil edenler.”
Niggas, “İlk kez, elektron spektrumunun şeklinin yalnızca malzemenin kendisine değil, aynı zamanda bu tür rezonans kapı durumlarının var olup olmadığına ve nerede olduğuna da bağlı olduğunu gösterdik” diyor.
Bu durumlardan bazıları yalnızca bir malzemenin beşten fazla katmanı istiflendiğinde ortaya çıkar. Bu keşif, teknoloji ve araştırmada katmanlı malzemelerin hedeflenen tasarımı ve kullanımına ilişkin tamamen yeni perspektifler açıyor.
