Kuantum mikroskobu kullanılarak yapılan araştırma, buzul hızında hareket eden elektronları ortaya çıkarıyor. Stuttgart Üniversitesi’ndeki fizikçiler, Profesör Sebastian Loth’un gözetiminde, elektronların atomik düzeydeki hareketlerini benzeri görülmemiş bir uzamsal ve zamansal çözünürlükle yakalamalarını sağlayan bir teknik olan kuantum mikroskopisinde devrim yaratıyorlar.
Stuttgart Üniversitesi’nden Profesör Loth, yeni oluşturdukları yöntemin daha önce görülmemiş olguları ortaya çıkarabileceğini iddia ediyor. Sonuç olarak, katılarda elektronların iletimiyle ilgili 1980’lerden beri süregelen sorunlar nihayet çözülebilir. Ayrıca, Loth’un araştırmasından elde edilen sonuçlar, yeni malzemelerin yaratılması için önemli pratik etkilere sahiptir.
Fiziksel evren yarı iletkenler, yalıtkanlar ve metallerin varlığında basittir. Atomik ölçekte az sayıda atomu değiştirseniz bile makroskopik özellikler değişmeyecektir. Örnek olarak, yalıtkanların aksine, değişen metaller elektrik iletkenliklerini korurlar.
Ancak sadece laboratuvarlarda yapılabilen daha karmaşık malzemelerde, atomik seviyedeki küçük değişiklikler bile yeni makroskopik özelliklere yol açar. Örneğin bu malzemelerden bazıları, yalıtkanlardan süper iletkenlere dramatik bir dönüşüm sergiliyor, yani sıfır ısı kaybıyla elektriği iletiyorlar.
Bu değişiklikler, malzeme boyunca elektron taşınmasını atomik ölçekte etkilediğinden, pikosaniye hızında gerçekleşebilir. Saniyenin trilyonda biri, pikosaniye olarak bilinen inanılmaz derecede kısa bir birimdir. Üç bin yıldan fazla bir süreyle karşılaştırıldığında, yaklaşık bir göz kırpma süresi kadardır.
Loth’un ekibi, elektronların kolektif hareketini izleyerek, bu malzemelerin bu boyuttaki atomik ölçekli değişikliklere nasıl tepki verdiğini incelemek için bir yöntem geliştirdi. Daha kesin olmak gerekirse, araştırmacılar bir etkinin (elektronların bir yük yoğunluğu dalgası içinde toplu göçü) nispeten engellenmeden görülebildiği bir niyobyum-selenyum malzemesine baktılar.
Loth ve ekibi bunu bulmak için yola çıktı. Stuttgartlı bilim insanları bunu başarmak için malzemeyi inanılmaz derecede kısa süreli -sadece bir pikosaniye- bir elektrik darbesine maruz bırakıyor. Safsızlık yük yoğunluğu dalgasına baskı yaptığında, elektron kolektifine nano ölçekte bozulmalar gönderiyor ve kısaca malzemede son derece karmaşık elektron hareketine neden oluyor.
Loth, elektron kolektifinin hareketinin nasıl durdurulduğunu anlayabilirsek, istenen özelliklere sahip malzemeler geliştirmek için daha hedefli bir yaklaşımın mümkün olduğunu söylüyor. Tekrar ifade etmek gerekirse: Hiçbir malzeme tamamen safsızlık içermediğinden, geliştirilen mikroskopi yöntemi, hedeflenen teknik sonuca ulaşmak için safsızlıkların en uygun şekilde düzenlenmesini anlamaya yardımcı olur.
Loth’a göre, atomik seviyeye kadar inen tasarım, malzemenin makroskopik özelliklerini belirliyor. Bu etkinin potansiyel uygulamaları arasında, gelecekteki elektronik bileşenlerde veya sensörlerde kullanılmak üzere ultra hızlı anahtarlama malzemeleri yer alıyor.
Loth’a göre, atomları ya da hareketlerini görmenin denenmiş ve doğru yolları var. Ancak bu teknikler yalnızca çok yüksek zamansal veya çok yüksek uzamsal çözünürlüğe izin veriyor.
Taramalı tünelleme mikroskobu ve pompa problu spektroskopi adı verilen ultra hızlı spektroskopi tekniği, her iki hedefe de ulaşmak için yeni Stuttgart mikroskobunda bir araya getirilmiştir. Birincisi malzemeleri atomik düzeyde çözebilirken, ikincisi ışığı çok daha yavaş bir hızda algılayabilir.
Gerekli ölçümlerin yapılabilmesi için laboratuvar cihazının yüksek derecede yalıtılmış olması gerekir. Gürültü, hava hareketi, titreşimler, nem ve sıcaklıktaki değişimlerin hepsi zararlıdır. Loth bunun, ölçümlerimizin çok zayıf sinyaller olmasından kaynaklandığını ve aksi takdirde ortam gürültüsü tarafından gizleneceğini belirtiyor.
Ayrıca ekibin faydalı veriler elde edebilmesi için bu ölçümleri sık sık tekrarlaması gerekiyor. Bazı ince ayarlar sayesinde, araştırmacıların mikroskobu artık deneyi saniyede 41 milyon kez çalıştırabiliyor ve bu da olağanüstü yüksek kaliteli veriler elde edilmesini sağlıyor. Loth, “Şimdiye kadar bunu sadece biz başarabildik” diyor.
https://phys.org/news/2024-07-quantum-microscopy-electrons-visible-motion.html
