Önceden iki boyutlu (2D) sistemler için bilinen Kuantum Hall Etkisi’nin (QHE)*, 1987’de Bertrand Halperin tarafından üç boyutlu (3D) sistemler için mümkün olacağı tahmin edildi. Ancak teori, yakın zamana kadar kanıtlanamadı. Singapur Teknoloji ve Tasarım Üniversitesi‘nden (SUTD) araştırmacılar ve dünyanın dört bir yanından araştırma ortakları bunu başardı.
Malzeme karakterizasyonu için temel bir teknik olan Hall Etkisi, manyetik bir alan elektron akışı yanlara saptığında ve enlemesine doğrultuda bir voltaj düşüşüne yol açtığında oluşur. 1980’de; yarı iletken bir yapıya hapsolmuş iki boyutlu (2D) bir elektron gazı için Hall Etkisi’nin ölçülmesi sırasında şaşırtıcı bir gözlem yapıldı. Ölçülen Hall Direnci, 10 milyarda bir kısmı dikkate değer bir hassasiyetle ölçülen, tamamen düz bir plato dizisi gösterdi. Bu, QHE olarak bilinir hale geldi.
QHE; o zamandan beri yoğun bir fizik araştırması alanı yaratan yoğun madde fiziği konusundaki temel anlayışımızı değiştirmiştir. Topolojik materyaller gibi yeni ortaya çıkan birçok konu da geriye doğru izlenebilir.
Araştırmanın başlamasından kısa bir süre sonra, araştırmacılar; QHE’yi 2D sistemlerden, 3D genelleme olasılığını sürdürdüler. Bertrand Halperin, 3D QHE adı verilen böyle bir genelleştirilmiş etkinin 1987’de yayınlanan seminal bir makalede gerçekten mümkün olduğunu belirtti. Teorik analizden; 3D QHE’ye imza attı ve manyetik alan altındaki elektronlar arasındaki gelişmiş etkileşimlerin olabileceğini belirtti. Bu; metal bir malzemeyi 3D QHE durumuna getirme anahtarıdır.
Halperin’in öngörüsünden bu yana 30 yıl geçti ve deneylerde 3D QHE’yi gerçekleştirmeye çalışırken sürekli çalışmalar devam ederken, 3D QHE için gereken katı koşullar nedeniyle net kanıtlar belirsizdi. (Malzemenin çok saf olması, yüksek mobiliteye sahip olması, ve düşük taşıyıcı yoğunluğu…)
SUTD Çin’deki Güney Bilim ve Teknoloji Üniversitesi (SUSTech) deneysel işbirlikçisi; 2014’ten beri ZrTe5 olarak bilinen eşsiz bir malzeme üzerinde çalışıyor. Bu malzeme, istenen koşulları sağlayıp 3D QHE’nin imzalarını sergileyebiliyor.
Nature dergisinde yayınlanan araştırma makalesinde, araştırmacılar; malzemenin ılımlı bir manyetik alan altında iken çok düşük bir sıcaklığa soğutulduğunda, uzunlamasına direncinin sıfıra düştüğünü ve böylece malzemenin bir metalden bir yalıtkana dönüştüğünü göstermektedir. Bunun nedeni; elektronların kendilerini yeniden dağıttığı ve manyetik alan yönü boyunca (resimde gösterildiği gibi) şarj yoğunluğu dalgası olarak adlandırılan, periyodik bir yoğunluk dalgası oluşturduğu elektronik etkileşimlerden kaynaklanmaktadır.
SUSTech Profesör Zhang Liyuan: “Bu değişiklik genellikle elektron hareketini dondurur ve malzeme yalıtılır, elektronun malzemenin içinden akmasına izin vermez. Ancak, bu benzersiz malzemeyi kullanarak, elektronlar; yüzeyler arasında hareket edebilir, dalga boyu tarafından ölçülen bir Hall Direnci verir. Böylece; ünlü QHE’yi 2D’den 3D’ye iten uzun spekülasyonlu 3D QHE’nin ilk gösterisi kanıtlandı.”
SUTD Yardımcı Doçent Doktor Yang Shengyuan: “3D QHE’nin keşfedilmesinin fizik bilgimizde yeni atılımlara yol açmasını ve yeni fiziksel etkilerin bir bereketini sağlamasını bekleyebiliriz. Bu yeni bilgi; bir şekilde pratik teknolojik gelişim için bize yeni fırsatlar sağlayacaktır.”
*Kuantum Hall Etkisi (Quantum Hall Effect-QHE): Hall Etkisi’nin kuantum mekaniği sürümüdür. Birbirine dik elektriksel ve manyetik alan içerisindeki bir iletken veya yarı iletkenden hem elektriksel alan yönünde hem de elektriksel ve manyetik alana dik yönde akım geçer.
