Yeni bir çalışma, atomik olarak ince yarı iletkenlerin katmanlarının hizalanmasının, egzotik yeni bir kuantum materyali verebileceğini ortaya koyuyor.
Araştırmacılar sıradan yarı iletken malzemeleri kuantum makinelere dönüştürebilen basit bir yöntem geliştirdiler. Olağanüstü elektronik davranışla işaretlenmiş cihazlar; enerji tasarruflu elektronik sistemleri hedefleyen, bir dizi endüstride devrim yaratabilecek bir platform sağlayabilirler.
Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab) Araştırma Ekibi, sıradan yarı iletken malzemeleri sıra dışı elektronik davranışlarla işaretlenmiş cihazların üstüne getiren, kuantum makinelere dönüştürecek basit bir yöntem geliştirdi. Böyle bir gelişme, enerji tasarruflu elektronik sistemleri hedefleyen bir dizi sektörde devrim yaratabilir ve egzotik yeni fizik için bir platform sağlayabilir.
2D tungsten disülfür ve tungsten diselenid katmanlarını, karmaşık bir şekilde desenlenmiş bir materyal veya üst düzlem oluşturmak için bir araya getiren yöntemi tarif eden çalışma, Nature Dergisi’nde çevrimiçi olarak yayınlandı.
Berkeley Lab’ın Malzeme Bilimleri Bölümü ve UC Berkeley’de Yoğunlaştırılmış Madde Fizikçisi Prof. Feng Wang: “Yarı iletken malzemelerin güçlü bir şekilde etkileşimde bulunacaklarını daha önce düşünemedik. Çalışma görünüşte sıradan yarı iletkenleri, kuantum malzeme alanına getirdi.”
Sadece bir atom kalınlığında olan iki boyutlu (2D) malzemeler, minik cihazlar oluşturmak için keyfi olarak istiflenebilecek nanosize (nanoölçek) yapı taşları gibidir. İki, 2D malzemenin kafesleri benzer ve iyi hizalanmışsa, moiré superlattice* adı verilen yinelenen bir desen oluşabilir.
Araştırmacılar; 2 boyutlu malzemeleri birleştirmek amacıyla, genellikle grafen ile başlayarak, ısı ve elektriği verimli bir şekilde iletme kabiliyetline sahip malzemeler üzerinde çalışıyorlar. Bu çalışma grubundan başka araştırmacılar ise; grafen ile oluşturulan hareli üst yapıların, katmanları tam açıyla hizalandığında süper iletkenlik gibi egzotik bir fizik sergilediklerini keşfetmişlerdir.
Wang’ın önderlik ettiği yeni çalışmada, 2D yarı iletken malzeme numunesini; (tungsten disülfid ve tungsten diselenid kullanıldı)katmanlar arasındaki büküm açısının, 2D yarı iletken bir sistemi yüksek oranda egzotik bir kuantum malzemeye dönüştürmek için bir “ayar düğmesi” sağladığını göstermek için kullandı.
Yeni Bir Fizik Alanı
Araştırmacılar tungsten disülfid ve tungsten diselenid örneklerini polimer bazlı kullanarak üretti. Her biri sadece onlarca mikron çapındaki bir malzemenin yongalarının toplanması ve nakledilmesi için ayrı bir tekniktir. Bir önceki çalışma için benzer materyal örnekleri üretmişler, ancak iki tabakayı belirli bir açıda istifleyememişlerdi. Bu çalışma için yeni bir tungsten disülfür ve tungsten diselenide numunesinin optik absorpsiyonunu ölçtüklerinde, tamamen şaşırtıcı sonuçlar elde ettiler.
Bir tungsten disülfür/tungsten diselenid cihazında; görünür ışığın emilmesi; ışığın, 2D yarı iletkenlerde ortak bir deliğe bağlı bir elektrondan oluşan kuasipartikül olan bir sistem ekseni ile aynı enerjiye sahip olduğunda en büyük olması durumudur. (Fizikte, bir delik; bir elektronun işgal edebileceği boş bir durumu ifade eder.)
Araştırmacıların düşündükleri enerji aralığındaki ışık için bir eksenin enerjisine karşılık gelen sinyalde, bir tepe görmesi bekleniyordu. Bunun yerine, görmeyi bekledikleri orijinal zirvenin, üç ayrı dışlanma durumunu temsil eden üç farklı tepe noktasına bölündüğünü buldular.
Araştırmacıların sorguladıkları ise;
-“Tungsten disülfid / tungsten diselenide cihazındaki eksilme durumlarının sayısını bir’den üç’e ne yükseltmiş olabilir?”
-“Bir moiré superlattice ilavesi miydi?”
Bu sorunun cevabı için tungsten disülfür/tungsten diselenide cihazının atom çözünürlüklü görüntülerini almak için, Transmisyon Elektron Mikroskobu (TEM) kullandılar ve ‘kafesler’i dizdiler.
Araştırmacıların, baştan beri şüphelendiklerini TEM görüntüleri sayesinde: Materyaller gerçekten bir moiré superlattice oluşturdu.
Araştırmacı Emma Regan: “Bu deneysel gözlemi teorik bir modelle karşılaştırdıktan sonra, Moiré Deseni’nin cihaz üzerinde periyodik olarak büyük bir potansiyel enerji açığa çıkardığını ve bu yüzden egzotik kuantum fenomenlerini getirebileceğini gördük.”
Araştırmacılar, bu yeni kuantum sisteminin, (elektronikte ışığın kullanımıyla ilgili olan) optoelektronikte nasıl uygulanabileceğini ölçmeyi planlıyorlar. Bu çalışmayla elektronik bileşenlerin minyatürleştirilmesiyle Moore Yasası’nın** sınırlarını genişletebilecek bir alan ve elektronların neredeyse hiç direnci olmayan cihazlarda akmasına izin veren süper iletkenliği düşünüyorlar.
*Moiré Deseni (Moiré Superlattice): Çeşitli paralel çizgilerin kendilerine yakın açılı başka çizgilerle kesişmesi sonucu ortaya çıkan ve bir tür göz aldanması olan kavisli patern.
**Moore Yasası: 1970’li yıllara dayanan bir hesaplama terimidir; bu kanunun basitleştirilmiş versiyonu, işlemci hızlarının veya bilgisayarlar için genel işlem gücünün iki yılda bir iki katına çıkacağını belirtir. Farklı bilgisayar şirketlerinde bulunan teknisyenler arasında yapılan hızlı bir kontrol, terimin çok popüler olmadığını ancak kuralın kabul edildiğini göstermektedir.
