Buzlu su dolu bir bardak, aynı anda var olan iki faz için tanıdık bir örnek sunar. Aynı madde hem sıvı su hem de katı buz olarak karşımıza çıkabilir. Belirli kuantum malzemelerinde de farklı fazlar bir arada bulunabilir, ancak altta yatan davranış çok daha karmaşıktır.
MIT'li fizikçiler, aynı kuantum malzemenin içinde elektronların nasıl iki farklı biçimde organize olabildiğine dair yeni detaylar ortaya çıkardı.
Nature Physics dergisinde yayımlanan bu bulgular, bilim insanlarının süper iletkenlik, manyetizma ve diğer elektronik fazları sergileyen malzemeleri anlama kapasitesini artırabilir. Bu fazların nasıl ortaya çıktığını ve birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini öğrenmek, araştırmacıların elektronik özellikler üzerinde daha fazla kontrol sahibi olmasına ve daha güçlü kuantum cihazlar geliştirmesine yardımcı olabilir.
Çalışmanın ortak yazarlarından, MIT'deki lisansüstü eğitimi sırasında çalışmayı ortaklaşa yürüten ve şu anda Stanford Üniversitesi'nde doktor öğretim üyesi olan Alfred Zong (PhD '20), "İnsanlar silikonun yerini almasının temel taşının, birden fazla bir arada var olan faza sahip kuantum malzemelerde yattığına inanıyor" diyor. "Deneyimiz, bu çoklu fazları incelemek için oldukça temiz bir yol sunuyor."
Elektronların Atomik Dama Tahtası
MIT'de Donner Fizik Profesörü olan Nuh Gedik liderliğindeki araştırmacılar, alışılmadık elektronik davranışlara sahip nadir toprak elementlerinden oluşan erbiyum tritelürür malzemesini inceledi.
Normal koşullar altında, elektronlar erbiyum tritelürür içinde nispeten eşit bir şekilde dağılır. Ancak malzeme belirli sıcaklıklara soğutulduğunda, elektronlar kendilerini "yük yoğunluğu dalgası" (CDW) olarak bilinen dalga şekilli bir düzende organize etmeye başlar.
Malzeme daha da soğutulduğunda, ilkiyle dik açı yapan ikinci bir dalga deseni ortaya çıkar. Bu iki elektronik faz bir araya geldiğinde, atomik ölçekte bir dama tahtasını andıran bir yapı oluşur.
Gedik ve meslektaşları, bu iki fazın davranışlarını birbirinden ayırmayı ve her birinin nasıl geliştiğini gözlemlemeyi başardı. İlk faz, malzeme genelinde kademeli olarak ortaya çıktı; bu durum, sıvı suyun istikrarlı bir şekilde buhara dönüşmesine biraz benziyor. Bu gözlem, birçok elektronik faz geçişinin nasıl gerçekleştiğine dair geleneksel tabloyla örtüşüyor.
İkinci faz ise çok farklı bir davranış sergiledi. Malzeme boyunca pürüzsüz bir şekilde ortaya çıkmak yerine, yalıtılmış bölgelerde başladı ve dışa doğru genişledi; tıpkı sıvı suyun içinde buz kristallerinin oluşmaya başlaması gibi.
Gedik, "Bu ikinci fazın ortaya çıkmasından sorumlu olan mekanizma uzun süredir tartışılıyordu ve bizim yaklaşımımız, kuantum malzemelerdeki faz geçişlerinin arkasındaki gizli fiziği ortaya çıkarmak için güçlü yeni bir yol sağlıyor" diye konuşuyor.
Çalışmanın MIT'deki diğer ortak yazarları arasında ilk yazarlar Yifan Su (PhD '24) ve eski postdoktora araştırmacısı Bai-Qing Lv; Dongsung Choi (SM '17, PhD '24); eski postdoktora araştırmacıları Doron Azoury ve Masataka Mogi ile çeşitli diğer kurumlardan işbirlikçiler yer alıyor.
Yük Yoğunluğu Dalgaları Nasıl Oluşur?
Yük yoğunluğu dalgası, elektronlar gibi elektrik yüklerinin kendiliğinden tekrarlayan bir dalga deseni halinde organize olmasıyla gelişir. Dalgaların tepelerine denk gelen bölgeler daha fazla elektron içerirken, çukurlar daha az elektron barındırır. Bazı malzemelerde bu koordine durum yalnızca aşırı düşük sıcaklıklarda ortaya çıkar.
Fizikçiler onlarca yıldır yük yoğunluğu dalgalarını inceliyor. Daha yakın zamanlarda araştırmacılar, bunları manyetizma ve elektronların bir araya gelerek malzeme içinde sürtünmesiz hareket ettiği süper iletkenlik gibi daha karmaşık kolektif elektron davranışı biçimlerini de destekleyen malzemelerde buldu.
İlk yazar Yifan Su, "Tıpkı süper iletkenlik gibi, yük yoğunluğu dalgaları da elektronların belirli şekillerde birlikte hareket ettiği kolektif bir olgudur" açıklamasını yapıyor. "Yük yoğunluğu dalgalarının gücü, süper iletkenliğe kıyasla çok daha basit bir madde formu olmalarından geliyor. Temel bir anlayış için harika bir oyun alanı sunuyorlar."
Araştırmacılar, aynı anda iki CDW fazının var olduğu bir malzemeyi incelemek istedi. İki dalganın nasıl ortaya çıktığını ve bir arada bulunduğunu anlamak, süper iletkenlik ve diğer sıra dışı elektronik durumlarla ilgili daha karmaşık faz geçişlerine dair ipuçları sağlayabilirdi.
Gedik, "Fizikteki en büyük sorulardan biri, bazı malzemelerin neden birden fazla faza ev sahipliği yaparken diğerlerinin yapmadığıdır. Ve birden fazla faz var olduğunda, bunlar birbirleriyle nasıl etkileşime girer? Birbirlerini güçlendirirler mi, rekabet mi ederler yoksa bağımsız mı var olurlar?" diyor. "Bu, bizim için çok daha karmaşık malzemeleri anlamamız adına bir vaka çalışması niteliğinde."
Kuantum Düzenini Bozmak İçin Lazer Kullanımı
Bilim insanları zaten erbiyum tritelürürün iki farklı yük yoğunluğu dalgasını destekleyebildiğini biliyordu. Nadir toprak elementi olan bu malzeme, laboratuvar ortamında atomik incelikte levhalar olarak üretilebiliyor ve bu sayede araştırmacılar onun sıra dışı kuantum ölçekli özelliklerini inceleyebiliyor.
Daha önceki deneyler, erbiyum tritelürür -8 santigrat dereceye soğutulduğunda ilk yük yoğunluğu dalgasının ortaya çıktığını göstermişti. Bu "baskın" dalga, malzeme boyunca tek bir yönde uzanıyor.
Sıcaklık -113 santigrat dereceye düştüğünde, ilkiyle dik açı yapan ikinci bir "baskın olmayan" yük yoğunluğu dalgası beliriyor. Bu iki desen bir araya gelerek, bir arada var olan elektronik fazların dama tahtası düzenini oluşturuyor.
Yeni çalışma için Gedik'in ekibi, her bir fazın tam olarak nasıl oluştuğunu belirlemek istedi.
Araştırmacılar, Stanford'daki işbirlikçiler tarafından oluşturulan erbiyum tritelürürün küçük, atomik incelikteki numunelerini elde etti. Gedik'in laboratuvarında, her iki yük yoğunluğu dalgasının dama tahtası deseninde aynı anda var olabileceği yaklaşık -230 santigrat dereceye soğuttular.
Ardından bu elektronik deseni bozdular veya yok ettiler ve iki dalganın nasıl geri döndüğünü izlediler.
Deney, dikkatli bir şekilde zamanlanmış iki lazer darbesine dayanıyordu.
Gedik, "Sistemi bu şekilde 'sallıyoruz' ve ardından 'dinliyoruz'" diyor.
İlk lazer darbesi "sallama" işlevi görerek elektronik dama tahtasını parçaladı. Araştırmacılar, darbenin yoğunluğunu değiştirerek yük yoğunluğu dalgalarını ne kadar güçlü bozacaklarını kontrol edebiliyordu.
Yüksek enerjili fotonlar içeren ikinci bir darbe ise elektronları malzemeden dışarı fırlattı. Araştırmacılar bu ikinci darbeyi ilkinden sonra farklı zaman aralıklarında uyguladı ve atılan elektronların enerjisini ve momentumunu ölçtü. Bu ölçümler, elektronik fazların zaman içinde nasıl toparlandığını gösteren bir dizi anlık görüntü sağladı.
Gedik, "Bu fazların yok oluşunu görüyoruz ve sonra yeterince uzun süre beklersek geri geldiklerini görüyoruz" açıklamasını yapıyor. "Ve onlara nasıl vurduğunuza bağlı olarak, iki faz farklı şekillerde tepki veriyor."
Yeniden Oluşum İçin İki Çok Farklı Yöntem
Baskın yük yoğunluğu dalgası, araştırmacılar malzemeyi başlangıçta ne kadar güçlü bozmuş olurlarsa olsunlar, kademeli ve eşit bir şekilde geri döndü.
Bu pürüzsüz toparlanma, ders kitaplarındaki "ikinci dereceden" bir faz geçişi olarak kabul ediliyor. Bir mıknatısın sıcaklığı arttıkça manyetizmasını kademeli olarak kaybetme şekline benziyor.
İkinci yük yoğunluğu dalgası ise daha büyük bir sürpriz yarattı.
Baskın olmayan faz, düzgün bir şekilde geri dönmek yerine dağınık cepler halinde oluşmaya başladı. Bu bölgeler daha sonra malzeme boyunca genişledi; tıpkı sıvı suyun içinde büyüyen buz kristalleri gibi.
Bu davranış, daha az yaygın olan "birinci dereceden" bir geçişe karşılık geliyor ve araştırmacıların beklediği bir durum değildi. Bu gözlemler, ekibin baskın olmayan CDW fazının ortaya çıkmasından sorumlu olan ve uzun süredir tartışılan mekanizmayı tanımlamasını sağladı.