Elektroniği Kökten Değiştirebilecek Gizli Kuantum Hortumlarını Keşfetti

Bilim İnsanları Elektroniği Kökten Değiştirebilecek Gizli Kuantum Hortumlarını Keşfetti.

Elektronlar, momentum uzayında hortum benzeri yapılar oluşturabiliyor—bu fenomen deneysel olarak doğrulandı. Kuantum tomografisiyle gerçekleştirilen bu buluş, yörünge torkunu kullanarak elektroniği kökten değiştirebilecek orbitronik alanının kapılarını aralıyor.

Bilim insanları, ilk kez elektronların momentum uzayında hortum benzeri yapılar oluşturabildiğini deneysel olarak doğruladı. Bu devrim niteliğindeki keşif, yeni kuantum teknolojilerinin önünü açabilir.

Bu buluş, yörüngesel açısal momentum ile elektron hareketi arasındaki etkileşimi göstererek, elektronik bileşenlerdeki enerji kaybını azaltabilecek orbitronik alanının temelini attı.

Kuantum Hortumları: Çığır Açan Bir Keşif

Bilim insanları, elektronların kuantum malzemelerde girdap oluşturabileceğini uzun zamandır biliyordu. Ancak, bu küçük parçacıkların momentum uzayında hortum benzeri yapılar oluşturduğunun deneysel olarak kanıtlanması gerçekten çığır açıcı bir gelişme. Bu keşif, Würzburg ve Dresden Üniversiteleri’ndeki ct.qmat – Kuantum Maddede Karmaşıklık ve Topoloji biriminin grup lideri Dr. Maximilian Ünzelmann öncülüğünde gerçekleştirildi.

Bu buluş, kuantum malzeme araştırmalarında önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor. Araştırmacılar, elektronların momentum uzayındaki girdap benzeri davranışının, özellikle orbitronik alanında yeni kuantum teknolojilerinin önünü açabileceğine inanıyor. Geleneksel elektronik, bilgi iletmek için elektronların yükünü kullanırken, orbitronik, elektronların yörüngesel hareketini kullanarak elektronik cihazlardaki enerji kaybını büyük ölçüde azaltabilir.

Momentum Uzayında Kuantum Hortumu

Momentum uzayında kuantum hortumu: Kuantum malzeme tantalum arsenür (TaAs) içinde elektronlar, momentum uzayında girdap oluşturuyor. Momentum uzayı, elektronların katılardaki davranışını analiz etmek için kullanılan bir fizik kavramıdır. Würzburg ve Dresden’deki ct.qmat Mükemmeliyet Kümesi’nden bir araştırma ekibi, bu kuantum hortumlarının ilk deneysel kanıtını sundu.

Momentum Uzayı vs. Konum Uzayı

Fizikte momentum uzayı, elektronların hareketini enerji ve yön açısından tanımlar. Buna karşılık, konum uzayı—günlük fiziğin alanı—kasırgalar veya su girdapları gibi bildik girdap benzeri yapıların gözlemlendiği yerdir. Şimdiye kadar, kuantum malzemelerde bile araştırmacılar yalnızca konum uzayında kuantum girdapları gözlemlemişti.

Birkaç yıl önce, başka bir ct.qmat araştırma ekibi, bir kuantum malzemenin konum uzayındaki girdap benzeri manyetik alanın ilk üç boyutlu görüntüsünü yakalayarak manşetlere çıkmıştı (Nature Nanotechnology 17 (2022) 250–255). Şimdi, momentum uzayındaki kuantum hortumlarının keşfiyle, bilim insanları elektron davranışının tamamen yeni bir boyutunu ortaya çıkardı—bu da bizi yeni nesil kuantum teknolojilerine bir adım daha yaklaştırıyor.

Teori Doğrulandı: Uzun Zamandır Beklenen Bir Buluş

Sekiz yıl önce, Roderich Moessner momentum uzayında da bir kuantum hortumu oluşabileceğini teorize etmişti. O zamanlar, Dresden merkezli ct.qmat kurucu ortağı bu fenomeni “duman halkası” olarak tanımlamıştı çünkü duman halkaları gibi girdaplardan oluşuyordu. Ancak şimdiye kadar kimse bunları nasıl ölçeceğini bilmiyordu. Yapılan çığır açıcı deneyler, kuantum girdabının yörüngesel açısal momentum—elektronların atom çekirdeği etrafındaki dairesel hareketi—tarafından oluşturulduğunu ortaya çıkardı. “Öngörülen kuantum girdaplarının gerçekten var olduğunu ve ölçülebileceğini ilk gördüğümüzde, hemen Dresden’deki meslektaşımıza ulaştık ve ortak bir proje başlattık,” diye hatırlıyor Ünzelmann.

Standart Bir Yöntem Geliştirilerek Kuantum Hortumu Keşfedildi

Momentum uzayındaki kuantum hortumunu tespit etmek için Würzburg ekibi, ARPES (açıya bağlı fotoemisyon spektroskopisi) adlı iyi bilinen bir tekniği geliştirdi. “ARPES, deneysel katı hal fiziğinde temel bir araçtır. Bir malzeme örneğine ışık tutarak elektronları çıkarır ve enerjileri ile çıkış açılarını ölçer. Bu bize momentum uzayında bir malzemenin elektronik yapısına doğrudan bakma imkanı verir,” diye açıklıyor Ünzelmann. “Bu yöntemi akıllıca uyarlayarak yörüngesel açısal momentumu ölçebildik. Bu yaklaşımla doktora tezimden beri çalışıyorum.”

Kuantum Tomografisi: Görünmeyeni Görmek

ARPES, Albert Einstein tarafından ilk kez tanımlanan ve lise fiziğinde öğretilen fotoelektrik etkisine dayanıyor. Ünzelmann, 2021 yılında bu yöntemi geliştirerek tantalum arsenürde yörüngesel tek kutupları tespit etmesiyle uluslararası tanınırlık kazanmıştı. Şimdi ise kuantum tomografisi formunu entegre ederek ekibi, kuantum hortumunu tespit etmek için bu tekniği bir adım öteye taşıdı—başka bir büyük dönüm noktası. “Örneği katman katman analiz ettik, tıpkı tıbbi tomografide olduğu gibi. Tek tek görüntüleri birleştirerek yörüngesel açısal momentumun üç boyutlu yapısını yeniden oluşturduk ve elektronların momentum uzayında girdap oluşturduğunu doğruladık,” diye açıklıyor Ünzelmann.

Würzburg-Dresden Ağı: Küresel Bir İş Birliği

“Kuantum hortumunun deneysel olarak tespiti, ct.qmat’ın takım ruhunun bir kanıtıdır,” diyor Dresden Teknik Üniversitesi’nde Teorik Katı Hal Fiziği Profesörü ve ct.qmat’ın Dresden sözcüsü Matthias Vojta. “Würzburg ve Dresden’deki güçlü fizik merkezlerimizle teori ve deneyi sorunsuz bir şekilde entegre ediyoruz. Ayrıca, ağımız lider uzmanlar ile kariyerlerinin başındaki bilim insanları arasında takım çalışmasını teşvik ediyor—bu yaklaşım, topolojik kuantum malzemeler üzerine yaptığımız araştırmayı besliyor. Ve elbette, bugün neredeyse her fizik projesi küresel bir çaba—bu da öyleydi.”

Tantalum arsenür örneği ABD’de büyütüldü ve Hamburg’daki Alman Elektron Senkrotronu (DESY) bünyesindeki PETRA III adlı büyük uluslararası araştırma tesisinde analiz edildi. Çin’den bir bilim insanı teorik modellemeye katkıda bulunurken, Norveç’ten bir araştırmacı deneylerde kilit rol oynadı. Geleceğe bakıldığında, ct.qmat ekibi tantalum arsenürün gelecekte yörüngesel kuantum bileşenler geliştirmek için kullanılıp kullanılamayacağını araştırıyor.

Kaynak: SciTechDaily

Haber Veriyoruz