Kuantum yarı iletken tasarımı karanlık madde arayışını genişletebilir

Karanlık madde evrendeki maddenin %85’ini oluşturuyor ancak bilim insanları onun neden oluştuğunu hâlâ bilmiyor. Yayınlanan bir çalışma Fiziksel İnceleme MektuplarıRice Üniversitesi araştırmacıları, birçok fizikçinin karanlık maddeyi oluşturabileceğini düşündüğü varsayımsal parçacıklar olan eksenleri aramaya yardımcı olabilecek bir dedektör tasarımı öneriyor.

Önerilen dedektör, manyetik alan içinde yönelimleri değiştiğinde tepkisi değişen bir yarı iletken malzeme sınıfına dayanacaktır. Bu maddi tepki, dedektörün ayarlanmasını kolaylaştırarak araştırmacıların mevcut teknolojilerle keşfedilmesi zor olan bir dizi eksenel kütleyi araştırmasına olanak tanıyor.

Çalışmanın ilk yazarı olan Rice’ın Uygulamalı Fizik Yüksek Lisans Programında doktora öğrencisi olan Jaanita Mehrani, “Yeni bir uygulama için yoğun madde fiziğinden iyi çalışılmış bir materyal öneriyoruz – eksen tespiti” dedi. “Bu malzemenin farklılığı, karmaşık mekanik ayar mekanizmalarını kullanmak zorunda olmaması, sadece manyetik alanla uyum sağlamasıdır.”

Axionların ışığa dönüşmesine yardımcı olmak

Karanlık madde sıradan maddeyle çok zayıf etkileşime girdiği için doğrudan gözlemlenemiyor. Bilim insanları onun varlığını galaksiler üzerindeki çekimsel etkilerinden ve evrenin evriminden çıkarıyorlar. Ancak teori, eksenlerin güçlü bir manyetik alana maruz kaldıklarında ışık parçacıklarına veya fotonlara dönüşebileceğini öngörüyor.

Yarı İletken Kuantum Kuyusu Axion Radyometre Deneyi veya SQWARE olarak adlandırılan dedektör, eksenlerin fotonlara dönüşmesine yardımcı olmak için tasarlandı. Bunu başarmak için SQWARE, elektronları düz, iki boyutlu tabakalar halinde hapseden çoklu kuantum kuyuları adı verilen ultra ince yarı iletken katman yığınlarını kullanıyor.

Bu şekilde sınırlandırıldığında elektronlar bir plazma gibi davranarak ışığın malzeme içinde hareket etme şeklini değiştirir.

Mehrani, “Olan şu ki, bu plazma fotonlara etkili bir kütle veriyor, bu da eksen ile foton arasındaki momentumun korunmasına yardımcı oluyor, çünkü boşlukta eksenlerin kütlesi var ama fotonların yok.” dedi. “Momentum uyumsuzluğuna yardımcı olmaya ve eksenleri rezonans halinde fotonlara dönüştürmeye, foton sinyalini geliştirerek karanlık maddeyi daha kolay tespit etmeye çalışıyoruz.”

Teoriden laboratuvar testlerine

Çalışma teorik olmasına rağmen araştırmacılar tasarımı pratik kısıtlamaları göz önünde bulundurarak geliştirdiler. Önerilen yarı iletken yapıların mevcut veya yakın vadeli teknolojiyle üretilip üretilemeyeceğini değerlendirdiler ve dedektörün gerçekçi deneysel koşullar altında nasıl performans göstereceğini tahmin ettiler.

Bir sonraki adım, malzemelerin laboratuvarda beklendiği gibi performans gösterip göstermediğini belirlemektir. Ekip şu anda aday yarı iletken yapıları karakterize ediyor ve konsepti deneysel olarak test etmek için prototip cihazlar geliştiriyor.

Rice’ta elektrik ve bilgisayar mühendisliği ile malzeme bilimi ve nanomühendislik doçenti ve çalışmanın ortak yazarlarından biri olan Shengxi Huang, “Yarı iletken malzemelerdeki ilerlemeler, orijinal uygulamalarının çok ötesinde fırsatlar yarattı” dedi.

“Bu çalışma, aynı malzemelerin parçacık fiziği ve kozmolojideki temel sorulardan birine yanıt verecek şekilde uyarlanıp uyarlanamayacağını araştırıyor.”

Rice’ın Karl F. Hasselmann Mühendislik Profesörü, elektrik ve bilgisayar mühendisliği, fizik ve astronomi, malzeme bilimi ve nanomühendislik profesörü ve Smalley-Curl Enstitüsü fakülte direktörü Junichiro Kono da çalışmanın ortak yazarlarından biridir.