Önümüzdeki birkaç on yılda devrim yaratan teknoloji keşifleri; günlük hayatı değiştirecek olanlar ve nanomalzemeleri yuvarlak behemothlara (kurumsal ilginç yaratıklar) benzeyen küçük materyallerden gelebilir.
Bu yeni malzemeler; bir nanometreden bin kat daha küçük ya da mikrometreden milyonlarca kat daha küçük (insan saçı genişliğinden daha küçük) olan pikometre ölçeğinde tasarlanacak ve geliştirilecektir. Bu çalışmayı yapabilmek için, bilim insanlarının zarif şekilde kontrol edilen malzemeleri ölçebilecek ve yönlendirebilecek bir dizi yeni ekipman konusunda eğitime ihtiyaçları olacak. Çalışma materyallerin teorik olarak tasarlanmasını, üretilmesini ve özelliklerini karakterize etmeyi içerir.
Yale Üniversitesi’nde, buna “picoscience” (pikobilim) diyorlar.
Charles Ahn Laboratuvarı, John C. Malone Uygulamalı Fizik, Makine Mühendisliği ve Malzeme Bilimi ve Fizik Profesörü ve Uygulamalı Fizik Anabilim Dalı Başkanı Araştırmacı Bilim İnsanı Frederick Walker: “Yale’deki araştırmacılar; küçük, hızlı bir şekilde beyindeki nöronları taklit etmek, mıknatıslarla ve kuantum mekaniğiyle hesaplamak gibi birçok yolla yeni malzemeler icat ediyorlar.”
Ahn, picoscience’ı başka bir yönde ilerleten yeni bir çalışmanın kıdemli yazarıdır. Bu çalışmanın bazı konuları, periyodik tablodaki elementleri almak ve yeni materyalleri anlatmak için atomaltı seviyede onlarla bağlantı kurmaktır.
Ahn Laboratuvarı’nda yüksek lisans öğrencisi ve çalışmanın ilk yazarı Sangjae Lee; lantan, titanyum, kobalt ve oksijen elementlerinden oluşan yapay, katmanlı bir kristal olan yeni malzemeyi tasarladı ve geliştirdi.
Araştırmacılar elementleri bir seferde bir atomik düzlemde katmanlandırdılar, böylece bir atom kalınlığında titanyum oksit tabakaları bir elektronu bir atom kalınlığında kobalt oksit tabakalarına aktarıyordu. Bu kobalt oksit tabakasının elektronik konfigürasyonunu ve manyetik özelliklerini değiştirdi.
Lee, New York’taki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki Ulusal Synchrotron Işık Kaynağı II’de geliştirilmekte olan çeşitli enstrümanlar konusunda eğitim aldı. Synchrotron; elektronları neredeyse ışık hızına kadar hızlandıran bir futbol sahasının büyüklüğünde bir makinedir. Elektronlar, araştırmacılar tarafından deneylerde kullanılan son derece parlak X-ışını ışınlarını üretir.
Yeni malzemeleri tasarlamak ve büyütmenin yanında; Sangjae Lee bunları karakterize etti ve sonuçları analiz etti. Teorik açıdan, şu anda Flatiron Enstitüsü’nde Hesaplamalı Kuantum Fiziği Merkezi’nde bulunan Alex Taekyung Lee ve Alexandru Georgescu meslektaşları, malzemelerin yapısını ve bunların elektronik konfigürasyonları üzerindeki etkisini hesaplamak için kuantum mekanik hesaplamaları kullandı. Bu çalışma ekibin malzemelerin manyetik durumunu tanımlamasını sağladı.
Yale, günümüz bilgisayarlarından çok daha fazla ön plana çıkacak yeni hesaplama sistemlerinde kullanılmasını öngören kuantum malzemelerin geliştirilmesini öncelikli bir araştırma alanı olarak tanımlamıştır. Üniversite ayrıca, ülkenin en yeni senkrotronu da dahil olmak üzere Amerika Birleşik Devletleri’ndeki en gelişmiş malzeme karakterizasyon tesislerinden bazılarına sahip olan Brookhaven ile işbirliğinin önemine dikkat çekti.
Yale Uygulamalı Fizik Profesörü İsmail-Beigi: “Yeni malzemelerin icadı hayatımızı değiştiren teknolojik gelişmelerin merkezinde yer aldı. Yeni elektronik malzemeler; cep telefonlarının, bilgisayarların, tabletlerin, akıllı saatlerin ve tıbbi cihazların giderek artan yeteneklerini artırdı.”
Araştırmacı Walker, pycoscience araştırması yürütürken, deneyciler ve teorisyenler arasındaki iletişimin önemini vurguladı: “Teorik tasarım ile deneysel üretim arasındaki sinerjik bir geri besleme döngüsü, yeni malzeme özelliklerini başarılı bir şekilde keşfetmek için çok önemlidir. Bu geri bildirim döngüsü, Ulusal Bilim Vakfı’nın malzeme bulma programının bir imzası haline geldi ve başlangıçta Yale’de geliştirildi.”
