Hamburg’daki Max Planck Maddenin Yapısı ve Dinamiği Enstitüsü’ndeki (MPSD) fizikçiler, kuantum davranışının çarpıcı yeni bir biçimini keşfettiler. Adını geleneksel Japon bambu sepeti dokuma deseninden alan yıldız şeklindeki Kagome kristallerinde, genellikle gürültülü bir kalabalık gibi davranan elektronlar aniden senkronize oluyor ve kristalin şekliyle birlikte gelişen kolektif bir “şarkı” oluşturuyor. Çalışma, şu tarihte yayınlandı: Doğageometrinin kendisinin kuantum tutarlılığını ayarlayabildiğini ve formun işlevi tanımladığı materyaller geliştirmek için yeni olanaklar açtığını ortaya koyuyor.
Süperiletkenlik olmadan tutarlılık
Kuantum tutarlılığı (parçacıkların örtüşen dalgalar gibi eşzamanlı olarak hareket etme yeteneği) genellikle elektronların eşleşip tutarlı bir şekilde aktığı süperiletkenlik gibi egzotik durumlarla sınırlıdır. Sıradan metallerde çarpışmalar bu tutarlılığı hızla yok eder.
Ancak Kagome metali CsV₃Sb₅’de, sadece birkaç mikrometre çapında küçük kristal sütunlar şekillendirdikten ve manyetik alanlar uyguladıktan sonra MPSD ekibi, elektrik direncinde Aharonov-Bohm benzeri salınımlar gözlemledi. Böylece elektronların kolektif olarak girişimde bulunduğunu ve tek parçacık fiziğinin izin verebileceğinin çok ötesinde tutarlı kaldığını gösterdi.
Araştırmanın baş yazarı Chunyu Guo, “Etkileşime girmeyen elektronların yapması gereken şey bu değil” diyor. “Tutarlı bir çok vücut durumuna işaret ediyor.”
Şekle duyarlı bir kuantum durumu
Daha da şaşırtıcı olanı ise salınımların kristalin geometrisine bağlı olmasıydı. Dikdörtgen örnekler desenleri dik açılarda değiştirirken paralelkenarlar bunu 60° ve 120° açılarda yaptı; bu da geometrilerine tam olarak uyuyordu. Sorumlu MPSD Direktörü Philip Moll şöyle açıklıyor: “Elektronlar sanki dikdörtgen mi yoksa paralelkenar mı içinde olduklarını biliyorlar.” “Uyum içinde şarkı söylüyorlar ve şarkı bulundukları odaya göre değişiyor.”
Keşif, kuantum durumlarını kontrol etmenin yeni bir yolunu öneriyor: bir malzemenin geometrisini şekillendirerek. Tutarlılık sadece gözlemlenmek yerine şekillendirilebilirse, araştırmacılar ayarlanmış enstrümanlar gibi davranan materyaller tasarlayabilirler; burada sadece kimya değil, yapı da rezonanslarını tanımlar. Moll, “Kagome metalleri bize hem sağlam hem de şekle duyarlı bir tutarlılık görüntüsü veriyor” diyor. “Bu, beklemediğimiz yeni bir tasarım prensibi.”
Daha geniş bir rezonans
Kagome kafesi, genellikle geometrik olarak elektronları engelleyen ve maddenin egzotik evrelerine yol açan iç içe geçmiş üçgenler ve altıgenlerden oluşan karmaşık tasarımı nedeniyle bilim adamlarının uzun zamandır ilgisini çekmektedir.
Hamburg ekibinin son bulguları, bu etkileri atom seviyesinden cihaz ölçeğine kadar genişletiyor ve geometrinin elektronların kolektif kuantum davranışını etkilediğini gösteriyor. Bir koronun bir katedralde konser salonundan farklı şekilde rezonansa girmesi gibi, bu yıldız şeklindeki kristallerdeki elektronlar yeni bir ses üretiyor gibi görünüyor; bu ses yalnızca atomların düzeninden değil aynı zamanda şekillerinden de etkileniyor.
Şu anda bu fenomen, odaklanmış iyon ışınlarının kristalleri mikrometre boyutunda sütunlar halinde şekillendirdiği laboratuvar ortamlarıyla sınırlıdır. Ancak bu araştırmanın sonuçları geniş kapsamlıdır. Guo, “Tutarlılık sadece keşfedilmek yerine şekillendirilebildiğinde, kuantum malzemelerinin sınırı kimyadan mimariye kayabilir” diyor.
“Malzeme geometrisini yeniden şekillendirerek geleceğin elektronikleri için kuantum işlevselliği tasarlamada yeni bir yol açıyor.”
