Elektronlar; en küçük ölçeklerde, bir metrenin dörtte birinden az olan ve femtosaniye hızında (bir saniyenin dörtte biri) dönen bir atomun yörüngesinde bulunur. Elektron davranışını gözlemlemek isteyen deneyciler; elektronlarla etkileşime girmek için lazer darbeleri kullanır. Lazer ışığı tarafından probdan atılan elektronların özelliklerini analiz ederek, elektronların enerjisini ve momentumunu hesaplayabilirler.
Araştırmacılar için zorluk; bir femtosaniye ölçeğinde gerçekleşen olayları kaydetmektir. Bu süreçte; önce lazer atımlı bir sistemi uyarmalı, ardından bir sonraki birkaç femtosaniye’ye dikkat etmelidirler. Daha sonra, birkaç femtosaniyelik kısa bir gecikme süresine sahip ikinci bir lazer darbesi gönderirler. Femtosaniye içinde çok kısa bir ışık olması nedeniyle bu çözünürlük seviyesini elde etmek zordur. Işık bir saniyede 300.000 km yol kat edebilirken bir femtosaniye içinde yalnızca 300 nanometre seyahat edebilir.
Atomların Değerlik Elektronları
İlk lazer darbesiyle uyarıldıktan sonra; atomların değerlik elektronları*, kimyasal bağların oluşturulmasına yardımcı olmak için aday olan bir atomun dışındaki elektronları, yeni kimyasal bağlar oluşturacak şekilde yeniden düzenleyebilir. Bu da yeni moleküller ortaya çıkarır. Bu etkileşimlerin hızı ve ölçeğinden dolayı, araştırmacılar yeniden düzenlemenin nasıl gerçekleşeceğini varsaydılar.
Deneysel yöntemlere ek olarak, Yüksek Performanslı Bilgi İşlem (HPC); bu atom düzeyinde etkileşimleri anlamak, deneysel gözlemleri doğrulamak ve bir kimyasal reaksiyon sırasında elektron davranışını daha ayrıntılı olarak incelemek için giderek daha önemli bir araç haline gelmiştir.
Elektronların kimyasal bir reaksiyon sırasındaki davranışlarını daha iyi anlamak; Schmidt ve ortakları bu fenomeni modellemek için Stuttgart Yüksek Performanslı Bilgi İşlem Merkezindeki (HLRS) süper bilgi işlem kaynaklarını kullanıyorlar. Schmidt, “Fritz Haber Enstitüsü’ndeki deney grubu bize bu araştırma için geldi ve simülasyonu çoktan oluşturduk. Bu durumda, bir tahmin yaptığımız ve deney doğruladığımız için teori denemenin ilerisindeydi.”
Lazer Benzeri Odaklanma
Geçen yıl, Schmidt’in grubu, atom ölçekli bir sistemi uyarmak ve gerçek zamanlı olarak foto-kaynaklı faz geçişlerini (PIPT’ler) gözlemlemek için Duisburg-Essen Üniversitesi’nden araştırmacılar ile ortak çalıştı. Bir madde bir fiziksel durumdan diğerine değiştiğinde, buza değişen su gibi faz geçişleri, bir maddenin özellikleri içinde bulunduğu duruma bağlı olarak çılgınca değişebileceği için malzemeleri incelemek ve tasarlamak önemlidir.
Örneğin, ekip, bir lazer darbesi ile indiyum bazlı nano ölçekli tellerin esasen bir yalıtkandan bir elektrik iletkenine değişeceğini tespit etti. Bu indiyum telleri, elektronik uygulamalardda teknolojik açıdan zorunlu olmasa da, deneylerle simülasyonları doğrulamak için iyi bir test durumu ve sağlam bir temel teşkil eder.
Bu yıl, ekip daha önce indiyum telleri hakkında öğrendiklerini ele alarak kurucu elektronların bir lazer darbesi tarafından uyarıldıktan sonra nasıl davrandıklarını takip ederek; kimyasal reaksiyonları daha da temel bir seviyede incelemek istedi. Schmidt, “Geçen yıl, atom hareketinin bu ölçekte ölçülmesini gösteren bir makale yayınladık. Söz konusu çalışma Nature dergisinde yer aldı. Atomların kimyasal reaksiyon sırasında nasıl hareket ettiğini gösterebildik. Bu yıl ise, reaksiyon gerçekleştiğinde elektronları izleyebildik.”
Mecazi anlamda, elektronlar, atomları kimyasal olarak birbirine bağlayan bir tutkal görevi görür. Bununla birlikte, bir lazer darbesi bir elektron atabilir. Araştırmacıların “foto delik” dediği şeyi yaratabilir. Bu foto delikler yalnızca birkaç femtosaniye dayanır. Ancak kimyasal bağların kopmasına ve yeni bağların oluşmasına yol açabilir. İndiyum nanoteline bir lazer darbesiyle çarpıldığında, sistem metal bir bağ oluşturur ve bu da faz değişimini elektrik iletkeni olarak açıklar.
Süper bilişim simülasyonları, araştırmacıların elektronların yollarını harekete geçirmelerine izin vererek nihayetinde tam tepki olan “yol” u incelemelerine yardımcı olur. Araştırmacılar ilk prensip simülasyonlarını kullanıyorlar. Yani bir atom sisteminin nasıl çalıştığı hakkında hiçbir varsayım olmadan başlıyorlar, sonra deneysel koşullar altında atomları ve elektronlarını hesaplamalı olarak modelliyorlar. Bu yoğun ilk prensip hesaplamaları, HLRS’deki Süper Hesap Gauss Merkezi’nden sağlananlar gibi öncü süper hesaplama kaynaklarını gerektirir.
Eski çalışması ile mevcut projesi arasında, ekip artık foto deliklerin enerjinin bir sisteme nasıl dağıldığını şekillendirmede oynadığı önemli rolü daha iyi anlıyor ve sonuçta araştırmacılara son derece hızlı faz geçişlerini simüle etmeleri için güvenilir bir hesaplama yöntemi sunuyor.
Karmaşık Kimya
Takımın mevcut simülasyonları, küçük olmasına rağmen, bir sistemin atomlarının ve bunların kurucu elektronlarının nasıl etkileşime girdiğiyle ilgili temsili bir örnek almalarına izin veren yaklaşık 1000 atomdan oluşuyor. Paderborn grubu, HLRS ekibinden kodunu optimize etmek için yardım aldı ve paralel olarak 10.000 çekirdeğe kadar verimli bir şekilde çalışmasına izin verdi. Schmidt, genel araştırmanın sistem boyutunu 10.000 atom dizisine fayda sağlayacağını, ekibin bir sonraki adımının daha karmaşık sistemler üzerinde çalışmak olduğunu açıkladı.
Schmidt: “Mevcut araştırma; karmaşık bir hesaplama, ancak basit bir sistemdir. Bir sonraki adımımız, bu araştırmayı, büyük ölçekli enerji üretimi ile ilgili fotokatalistler veya sistemler ile ilgili olduğu için geliştirmek, bunu gerçek bir sisteme uygulamak istiyoruz.”
Elektronların davranışlarını atomik seviyede daha iyi anlayarak, araştırmacılar enerjiyi dönüştürmek, taşımak ve depolamak için daha iyi malzemeler tasarlamayı amaçlamaktadır.
* Değerlik Elektronu (Valence Electron): Bir atomun en yüksek enerji seviyesinde bulunan, yani en dış elektron kabuğunda yer alan elektronlarıdır.
