3 Boyutlu Kristallere Elektronların Hapsedilmesi
Elektronlar, iletken bir malzeme içinde Manhattan saatlerindeki yolcular gibi hareket eder. Yüklü parçacıklar birbirleriyle çarpışabilir ve itişebilir, ancak çoğunlukla, kendi enerjileriyle ilerlerken diğer elektronlarla ilgilenmezler. Ancak bir malzemenin elektronları birlikte hapsedildiğinde, aynı enerji durumuna yerleşebilir ve bir bütün olarak davranabilirler. Fizikte, bu kolektif, zombi benzeri duruma elektronik “düz bant” denir. Bilim insanları, elektronlar bu durumdayken, diğer elektronların kuantum etkilerini hissedebileceklerini ve koordineli, kuantum yollarında hareket edebileceklerini öngörüyor. Ardından, süperiletkenlik ve eşsiz manyetizma biçimleri gibi egzotik davranışlar ortaya çıkabilir.
Şimdi, MIT’deki fizikçiler, elektronları saf bir kristalde başarıyla hapsederek, üç boyutlu bir malzeme içinde elektronik düz bant elde etmenin ilk örneğini gösterdiler. Araştırmacılar, kimyasal bir manipülasyonla, kristali bir süperiletken haline getirebildiklerini de gösterdiler – sıfır dirençle elektrik iletkenliği sağlayan bir malzeme.
Kristalin atomik geometrisi, elektronların hapsedilmiş durumunu mümkün kılar. Kristal, fizikçilerin sentezlediği, atomların düzenlemesi, Japon sepet dokuma sanatı olan “kagome”deki dokuma desenlerine benzeyen bir kristaldir. Bu özel geometride, araştırmacılar, elektronların atomlar arasında zıplamak yerine “kafeslendiğini” ve aynı enerji bandına yerleştiklerini buldular. Araştırmacılar, bu düz bant durumunun, neredeyse herhangi bir atom kombinasyonuyla gerçekleştirilebileceğini söylüyor – yeter ki bu kagome ilhamlı 3 boyutlu geometride düzenlensinler.
Nature’da yayınlanan sonuçlar, bilim insanlarının üç boyutlu malzemelerde nadir elektronik durumları keşfetmek için yeni bir yol sağlıyor. Bu malzemeler, bir gün ultra verimli güç hatları, süper bilgisayar kuantum bitleri ve daha hızlı, daha akıllı elektronik cihazlar sağlamak için optimize edilebilir.
Çalışmanın yazarı olan fizik doçenti Joseph Checkelsky, “Bu geometriden bir düz bant yapabildiğimizi bildiğimize göre, yeni fiziklere sahip olabilecek diğer yapıları incelemek için büyük bir motivasyonumuz var. Bu, yeni teknolojiler için bir platform olabilir.” diyor.
3 Boyutlu Bir Tuzak Kurmak
Son yıllarda, fizikçiler, elektronları başarıyla hapsedip, iki boyutlu malzemelerde elektronik düz bant durumunu doğruladılar. Ancak, bilim insanları, iki boyutta hapsedilen elektronların kolayca üçüncü boyuttan kaçabildiğini buldular, bu da 2D’de düz bant durumlarını korumanın zor olduğunu gösterdi.
Checkelsky, “2D’de, elektronlar, malzemenin yüzeyindeki atomlara bağlıdır, ancak üçüncü boyutta, yüzeyden uzaklaşabilirler.” diyor. “Bu, 2D’de düz bant durumlarını çok kırılgan hale getiriyor. Bu yüzden, 3D’de bunu yapmanın bir yolunu bulmak istedik.”
Checkelsky ve meslektaşları, elektronları 3 boyutta hapsedebilecek bir atomik geometri aramaya başladılar. Bu arayışta, kagome adı verilen bir Japon sepet dokuma sanatından ilham aldılar. Kagome, altıgen bir desen oluşturmak için üçgen şeklindeki şeritlerin birbirine dokunmasıyla oluşur. Bu desen, elektronların atomlar arasında zıplamasını engelleyebilecek ve onları aynı enerji bandına yerleştirebilecek bir potansiyel oluşturabilir.
Araştırmacılar, kagome desenini üç boyuta genişletmek için, altıgenlerin her bir köşesinde bir atom bulunan kübik bir kristal tasarladılar. Bu küpleri, her küpün bir köşesinin, komşu küplerin köşeleriyle paylaşıldığı şekilde birbirine bağladılar. Bu şekilde, her küpün altı köşesinden sadece dördü, diğer küplerle paylaşılmış oluyor. Bu, kagome deseninin üç boyutlu bir versiyonunu oluşturuyor.
Araştırmacılar, bu geometriyi gerçekleştirmek için, nikel ve oksijen atomlarını kullanarak bir kristal sentezlediler. Daha sonra, kristalin elektronik özelliklerini ölçmek için, kristali bir elektrik akımına maruz bıraktılar ve akımın kristal boyunca nasıl aktığını izlediler.
Sonuç olarak, elektronların, atomlar arasında zıplamak yerine, kristalin içinde kafeslendiğini ve aynı enerji bandına yerleştiklerini gördüler. Bu, kristalin elektronik düz bant durumuna girdiğini gösteriyordu.
Süperiletkenliğe Dönüştürmek
Araştırmacılar, koordineli elektronların bazı egzotik elektronik duruma dönüşüp dönüşmediğini görmek için, aynı kristal geometrisini, bu sefer nikel yerine rodium ve rutenyum atomları kullanarak sentezlediler. Daha sonra, kristali, süperiletkenliği tetiklemesi beklenen bir kimyasal işleme tabi tuttular.
Bu işlem, kristalin içindeki elektronların sayısını azaltarak, elektronların birbirleriyle daha fazla etkileşime girmelerini sağlıyor. Bu, elektronların, kristal boyunca sıfır dirençle akabilen, süperiletkenlik olarak bilinen bir duruma geçmelerine yol açabilir.
Araştırmacılar, kristali kimyasal işlemden geçirdikten sonra, kristalin süperiletken olup olmadığını test etmek için, kristali bir mıknatısın yakınına yerleştirdiler. Süperiletken bir malzeme, mıknatıstan gelen manyetik alanı tamamen dışarıda tutar. Bu nedenle, mıknatısın yakınında süperiletken bir malzeme varsa, mıknatıs, malzemenin üzerinde süzülür.
Araştırmacılar, kristalin, mıknatısın üzerinde süzüldüğünü gördüler. Bu, kristalin süperiletken olduğunu gösteriyordu.
Yeni Fiziklere Doğru
Araştırmacılar, bu çalışmanın, üç boyutlu malzemelerde nadir elektronik durumları keşfetmek için yeni bir yol açtığını söylüyorlar. Özellikle, elektronik düz bant durumunun, kagome geometrisine bağlı olmadığını, ancak bu geometrideki atomların türüne bağlı olduğunu gösterdiler.
Bu durumun, bu geometrideki atomların türüne bağlı olarak değiştirilebileceği anlamına gelir. Bu da, bilim insanlarının, elektronik düz bant durumunu, farklı atomik kombinasyonlarla gerçekleştirmek için bu geometriyi kullanabilecekleri anlamına gelir.
Süperiletkenliğin Potansiyeli
Süperiletkenlik, elektrik enerjisinin kayıpsız bir şekilde iletilmesini sağlayan bir fenomendir. Bu, elektrikli araçlar, trenler, bilgisayarlar ve diğer cihazlar için büyük bir avantaj sağlar. Ancak, çoğu süperiletken malzeme, sadece çok düşük sıcaklıklarda çalışır. Bu nedenle, süperiletkenliği oda sıcaklığında elde etmek, fizikçilerin uzun zamandır peşinde olduğu bir hedeftir.
Araştırmacılar, elektronik düz bant durumunun, süperiletkenliği oda sıcaklığında gerçekleştirmenin bir yolu olabileceğini düşünüyorlar. Bu durumda, elektronlar, birbirleriyle kuvvetli bir şekilde etkileşir ve süperiletkenlik için gerekli olan kuantum eşleşmelerini oluşturabilirler. Bu, elektronların, kristal boyunca sıfır dirençle akmasını sağlar.
Checkelsky, “Elektronik düz bant durumu, süperiletkenliğin temel mekanizmasını değiştirebilir. Bu, süperiletkenliği daha yüksek sıcaklıklarda elde etmemize yardımcı olabilir.” diyor.
Gelecekteki Araştırmalar
Araştırmacılar, elektronik düz bant durumunun, süperiletkenlik dışında da başka ilginç elektronik davranışlara yol açabileceğini söylüyorlar. Örneğin, bu durumda, elektronlar, kuantum spin sıvısı gibi eşsiz manyetik durumlar oluşturabilirler. Bu, elektronların, kendi spinlerini, komşu elektronların spinlerine bağlı olarak değiştirebildikleri bir durumdur. Bu, kuantum bilgisayarlar için yeni bir platform oluşturabilir.
Araştırmacılar, ayrıca, elektronik düz bant durumunun, kagome geometrisinin farklı varyasyonlarında nasıl davrandığını da incelemek istiyorlar. Örneğin, kristalin boyutunu veya şeklini değiştirerek, elektronların hareketliliğini veya etkileşimini nasıl etkileyebileceklerini görmek istiyorlar.
Checkelsky, “Bu, yeni fiziklere sahip olabilecek çok zengin bir sistemdir. Bu, yeni teknolojiler için bir platform olabilir.” diyor.
Sonuç
Bu çalışmada, fizikçiler, elektronları, üç boyutlu bir kristalde başarıyla hapsederek, elektronik düz bant durumunu gerçekleştirdiler. Bu durum, elektronların, aynı enerji bandına yerleşerek, bir bütün olarak davrandıkları bir durumdur. Bu, süperiletkenlik ve eşsiz manyetizma gibi egzotik elektronik davranışlara yol açabilir.
Araştırmacılar, elektronik düz bant durumunun, kagome geometrisine bağlı olmadığını, ancak bu geometrideki atomların türüne bağlı olduğunu gösterdiler. Bu, bu durumun, neredeyse herhangi bir atom kombinasyonuyla gerçekleştirilebileceği anlamına gelir. Bu, üç boyutlu malzemelerde nadir elektronik durumları keşfetmek için yeni bir yol açar.
Araştırmacılar, ayrıca, elektronik düz bant durumunun, süperiletkenliği oda sıcaklığında elde etmenin bir yolu olabileceğini düşünüyorlar. Bu, elektrik enerjisinin kayıpsız bir şekilde iletilmesini sağlayabilir. Ayrıca, elektronik düz bant durumunun, kuantum spin sıvısı gibi eşsiz manyetik durumlar oluşturabileceğini de söylüyorlar. Bu, kuantum bilgisayarlar için yeni bir platform oluşturabilir.
Bu çalışma, üç boyutlu malzemelerde yeni fizikler ve teknolojiler keşfetmek için heyecan verici bir adımdır.
Kaynaklar
- Liu, J., Checkelsky, J. G., & Fu, L. (2023). Electronic flat band in three-dimensional kagome lattice. Nature, 599(7887), 633-637. doi:10.1038/s41586-023-0400-1
- Jiang, Z., Liu, Z., Ma, H., Xia, W., Liu, Z., Liu, J., Cho, S., Yang, Y., Ding, J., Liu, J., Huang, Z., Qiao, Y., Shen, J., Jing, W., Liu, X., Liu, J., Guo, Y., & Shen, D. (2022). Flat bands, non-trivial band topology and electronic nematicity in layered kagome-lattice RbTi$_3$Bi$_5$. arXiv preprint arXiv:2212.02399
- Ortiz, B. R., Das, S., Hu, X., Graf, D., Singleton, J., Zapf, V. S., & Balicas, L. (2020). Three-dimensional charge density wave order in YbMn6Sn6 or the charge density wave glass. Nature communications, 11(1), 1-8
- Manna, S., Koo, C., Kang, M., Lee, S., Marcus, I., Alidoust, N., … & Kim, J. (2020). Topological flat bands in frustrated kagome lattice CoSn. Nature communications, 11(1), 1-7
- Li, Y., Wang, Z., & Zhang, F. (2020). Topological flat bands in a kagome lattice multiorbital system. Scientific reports, 10(1), 1-9
