Araştırmacılar kuantum özelliğini açıp kapamak için manyetik şalter geliştirdiler.
Bulunduğu yerde tam dönüş yapan bir balerin; başladığı noktaya aynı şekilde geri döner. Ancak, kuantum teorisinin kurallarında elektronlar ve diğer atom altı parçacıklar için, bu durum geçerli değildir. Bir elektron, bir yolun çevresindeki hareketini başladığı yerde bitirirse, fiziksel durumu bıraktığı zamanki gibi olmayabilir.
Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) bilim insanları tarafından yönetilen uluslararası araştırma grubu, kuantum kurallarındaki bu sonucu kontrol altına almanın bir yolunu buldular. Ekip, bu gizemli kuantum davranışını açıp kapayan ilk anahtarı geliştirdi.
Keşif, kuantum teorisinin temelleri hakkında yeni fikirler vermeyi vaat ediyor. Ayrıca yeni kuantum elektronik cihazların gelişimine de yardımcı oluyor.
Kuantum özelliğini incelemek için NIST Fizikçi Joseph A. Stroscio ve meslektaşları, nanometrelik bir grafenin (yüksek gergin, sıkı paketlenmiş karbon atomu) tek tabakası içinde özel yörüngede kümelenmiş elektronları inceledi. Karmaşık elektronlar, elektronların bir atomun merkezini yörüngeye çektiği gibi, grafen örneğinin merkezini de yörüngede döndürür.
Yörüngedeki elektronlar, grafende bir devir döndükten sonra, aynı fiziksel özellikleri normalde korurlar. Ancak, uygulanan manyetik alan kritik bir değere ulaştığında, yörüngenin şeklini değiştirmesini ve elektronların bir deviri tamamladıktan sonra, farklı fiziksel özelliklere sahip olmasını sağlayan bir anahtar görevi görür.
Araştırmacılar bulgularını 26 Mayıs 2017 tarihli Science Dergisi’nde yayınladılar.
Yeni geliştirilen kuantum anahtarı aslında, 1983’te Kuantum Fenomeni Teorisi’ni geliştiren İngiliz Fizikçi Sir Michael Berry’nin buluşu, Berry Fazı olarak adlandırılan bir geometrik özelliğe dayanıyor.
Berry Fazı, bir parçacığın dalga fonksiyonuyla ilişkilidir. Kuantum teorisinde ise; bir parçacığın fiziksel durumunu tanımlar.
Dalga fonksiyonu (okyanus dalgasında); hem genliğe (dalga yüksekliğine), hem de dalga çevriminin başlangıcına göre yükselti veya düşüşün bulunduğu bir faza sahiptir.
Elektron, kapalı konumdaki döngü etrafında, komple bir deviri oluşturduğunda, ilk konumuna dönerse dalga işlevinin fazı orijinal değerine dönmek yerine, kayabilir. Bu faz kayması (Berry Fazı) kuantum sisteminde dönüşün bir anısıdır. Ayrıca zamana, sistemin geometrisine, yani yolun şekline bağlı değildir. Üstelik, değişim, geniş bir kuantum sistemi yelpazesinde gözlemlenebilir sonuçlara sahiptir.
Berry Fazı tamamen kuantum fenomeni olmasına rağmen, kuantum sistemlerinde bir analoga sahiptir.
- yüzyılda Dünya’nın rotasyonunu göstermek için kullanılan Foucault Sarkacının hareketi düşünüldüğünde; askıdaki sarkaç, aynı düşey düzlemde ileri geri salınır. Ancak altındaki Dünyanın dönmesi nedeniyle her salınım esnasında yavaş yavaş döndürülür. Bir çeşit faz kayması yaşanır.
1980’lerin ortalarından beri deneyler, çeşitli kuantum sistemlerinin Berry Fazı ile ilişkili olduğunu göstermiştir. Fakat bugünkü çalışmaya kadar hiç kimse Berry Fazını istediği gibi açıp kapayacak bir anahtar bulamamıştır.
Ekip tarafından geliştirilen, manyetik alanın küçük bir değişimiyle kontrol edilen anahtar, elektronlara ani ve büyük bir enerji artışı sağlar.
Şu anki araştırma ekibinin üyeleri, Massachusetts Teknoloji Üniversitesi ve Harvard Üniversitesi’nden araştırmacılar; Berry Faz Anahtarı teorisini geliştirdiler.
Berry evresini incelemek ve geçiş oluşturmak için, NIST Üyesi Fereshte Ghahari, enerji seviyelerini ve grafen içine konan elektronların Berry Fazını incelemek için, yüksek kaliteli bir Grafen Cihazı inşa etti.
Anahtarın İşleyişi
İlk önce, ekip elektronları belirli yörüngeleri ve enerji seviyelerini tutmak için sınırladı. Ekip Üyesi Daniel Walkup, elektronların orada kalmasını sağlamak için, grafenin altındaki izolasyon katmanında iyonize edilmiş yabancı maddeler kullanarak, elektrik çitinin kuantum versiyonunu yarattı.
NIST’in Nanoteknoloji Kullanıcı Tesisi Nanoscale Bilim ve Teknoloji Merkezi’nde, taranmış elektronların kuantum enerji düzeylerini ve Berry Fazını taramak için, Tarama Tünelleme Mikroskopu oluşturdu.
Ekip daha sonra grafen levhaya yöneltilen zayıf manyetik bir alan uyguladı. Saat yönünde hareket eden elektronlar için, manyetik alan daha sıkı, daha kompakt yörüngeleri yarattı. Ancak elektronların saat yönünün tersine yörüngelerinde hareket etmesi durumunda, manyetik alan ters etki yaptı, elektronları daha geniş yörüngelere çekti.
Kritik bir manyetik alan kuvveti ile, alan Berry faz anahtarı gibi davrandı. Elektronların saat yönünün tersine yörüngelerini bükmüş, yüklü parçacıkların elektrikli çit sınırının yakınında saat yönünde piroüet yürümesine (tek ayakla dönme) neden olmuştur.
Christopher Gutiérrez: “Normalde Piroüet etkisinin önemi yoktur. Ancak, grafende elektronlar özel bir Berry fazına sahipler. Manyetik olarak indüklenen piroüetler, tetiklendiğinde devreye giriyor.”
Stroscio: “Berry Fazı açıldığında, yörüngede olan elektronlar aniden daha yüksek bir enerji seviyesine atlar. Kuantum anahtarı, bilim insanlarının geleneksel yarı iletken sistemlerde analog olmayan, yeni kuantum cihazları için fikirleri kullanmalarına yardımcı olacak, zengin bir bilimsel araç kutusu sağlıyor”
