1934’te kuantum mekaniğinin öncüsü Eugene Wigner, elektronlardan yapılmış bir kristal olan garip bir madde türünü teorileştirdi. Bu fikir böyle bir şey olamayacağını kanıtlıyordu. Fizikçiler, elektronları bu sözde Wigner kristallerini oluşturmak için dürtmek için seksen yıl boyunca pek çok numara denediler, ancak sınırlı bir başarı elde ettiler. Ancak Haziran ayında, iki bağımsız fizikçi grubu Nature’da Wigner kristallerinin şimdiye kadarki en doğrudan deneysel gözlemlerini bildirdi. Ohio State Üniversitesi’nde çalışmaya katılmamış bir fizikçi olan Brian Skinner, “Wigner kristalizasyonu çok eski bir fikir” dedi. “Bu kadar temiz görmek gerçekten güzeldi.”
Elektronlardan Oluşan Kristal Yapı
Elektronların bir Wigner kristali oluşturması için, bir fizikçinin onları soğutması yeterliymiş gibi görünebilir ancak elektronlar birbirini iter ve böylece soğutma enerjilerini azaltır ve su buza dönüşürken onları bir kafeste dondurur. Yine de soğuk elektronlar kuantum mekaniğinin tuhaf yasalarına uyarlar – dalgalar gibi davranırlar. Düzgün bir şekilde düzenlenmiş bir ızgarada yerine sabitlenmek yerine, dalga benzeri elektronlar da etrafta dolaşıp komşularına çarpma eğiliminde olacaklardır. Bir kristalde olması gereken şey daha çok bir su birikintisi gibi bir şeye dönüşmesinin beklenmesidir.
Yeni çalışmadan sorumlu ekiplerden biri neredeyse tesadüfen bir Wigner kristali buldu. Harvard Üniversitesi’nde Hongkun Park liderliğindeki bir gruptaki araştırmacılar, elektronların içinden geçemeyeceği bir malzemeyle ayrılmış, son derece ince bir yarı iletken tabakadan oluşan bir “sandviç”te elektron davranışı ile deney yapıyorlardı. Fizikçiler bu yarı iletken sandviçi -230 santigrat derecenin altına soğutdular ve her bir katmandaki elektron sayısıyla oynadılar.
Ekip, her katmanda belirli sayıda elektron olduğunda hepsinin gizemli bir şekilde hareketsiz kaldığını gözlemledi. “Her nasılsa, yarı iletkenlerin içindeki elektronlar hareket edemedi. Bu gerçekten şaşırtıcı bir keşifti, ”diyor yeni çalışmanın baş yazarı You Zhou.
Zhou, sonuçlarını, sonunda Wigner’ın eski bir fikrini hatırlayan teorisyen meslektaşlarıyla paylaştı. Wigner, iki boyutlu düz bir malzemedeki elektronların, üçgen karolarla mükemmel bir şekilde kaplanmış bir zemine benzer bir desen alacağını hesaplamıştı. Bu kristal, elektronların tamamen hareket etmesini engelleyecekti. Zhou’nun kristalinde, her katmandaki elektronlar arasındaki ve katmanlar arasındaki itici kuvvetler, elektronları Wigner’ın üçgen ızgarasına yerleştirmek için birlikte çalıştı. Bu kuvvetler, kuantum mekaniğinin öngördüğü elektron dökülmesini ve çalkalanmasını önleyecek kadar güçlüydü. Ancak bu davranış, yalnızca her katmandaki elektron sayısı, üst ve alt kristal ızgaralar hizalanacak şekilde olduğunda gerçekleşti: Bir katmandaki daha küçük üçgenler, diğerindeki daha büyük olanların içindeki boşluğu tam olarak doldurmak zorundaydı. Park, bu koşullara yol açan elektron oranlarını “çift katmanlı Wigner kristallerinin açıklayıcı işaretleri” olarak adlandırdı.
Harvard ekibi, ellerinde bir Wigner kristali olduğunu fark ettikten sonra, elektronları kuantum dalga doğasını benimsemeye zorlayarak kristali eritti. Wigner kristalinin erimesi, bir buz küpünün su haline gelmesine benzeyen, ancak herhangi bir ısıtma içermeyen bir kuantum faz geçişine benzetebiliriz.
Teorisyenler, sürecin gerçekleşmesi için gerekli koşulları önceden tahmin ettiler, ancak yeni deney, doğrudan ölçümler yoluyla bunu doğrulayan ilk deney oldu. Geçmiş deneyler, Wigner kristalleşmesinin ipuçlarını buldu, ancak yeni çalışmalar, yeni bir deneysel teknik nedeniyle en doğrudan kanıtı sunuyor. Araştırmacılar eksiton adı verilen parçacık benzeri bir varlık oluşturmak için yarı iletken katmanları lazer ışığıyla patlattı. Malzeme daha sonra bu ışığı yansıtır veya yeniden yayıyordu.
Eksiton Nedir?
Bir eksiton, elektrostatik Coulomb kuvveti tarafından birbirine çekilen bir elektronun ve bir elektron deliğinin bağlı halidir. Yalıtkanlarda, yarı iletkenlerde ve bazı sıvılarda bulunan elektriksel olarak nötr bir yarı parçacıktır. Eksiton, net elektrik yükünü taşımadan enerjiyi taşıyabilen yoğunlaştırılmış maddenin temel bir uyarımı olarak kabul edilir.
Bir malzeme bant aralığından daha yüksek enerjili bir fotonu emdiğinde bir eksiton oluşabilir. Bu, değerlik bandından iletkenlik bandına bir elektronu uyarır. Buna karşılık, bu, pozitif yüklü bir elektron deliği bırakır (bir elektronun hareket ettiği konum için bir soyutlama). İletim bandındaki elektron, deliği çevreleyen çok sayıda elektrondan ve uyarılmış elektrondan gelen itici Coulomb kuvvetleri nedeniyle bu lokalize deliğe daha az çekilir. Bu itici kuvvetler, dengeleyici bir enerji dengesi sağlar. Sonuç olarak, eksiton, bağlanmamış elektron ve delikten biraz daha az enerjiye sahiptir. Bağlı durumun dalga fonksiyonunun, hidrojen atomununkine benzer egzotik bir atom durumu olan hidrojenik olduğu söylenir. Bununla birlikte, bağlanma enerjisi çok daha küçüktür ve parçacığın boyutu bir hidrojen atomundan çok daha büyüktür.
Bunun nedeni, hem yarı iletkendeki diğer elektronlar tarafından Coulomb kuvvetinin taranması (yani, göreceli geçirgenliği) hem de uyarılmış elektron ve deliğin küçük etkin kütleleridir. Elektron ve deliğin rekombinasyonu, yani eksitonun bozunması, elektron ve delik dalga fonksiyonlarının örtüşmesi nedeniyle rezonans stabilizasyonu ile sınırlıdır, bu da eksiton için daha uzun bir kullanım ömrü sağlar.
Araştırmacılar, ışığı analiz ederek eksitonların sıradan serbest akışlı elektronlarla mı yoksa bir Wigner kristalinde donmuş elektronlarla mı etkileşime girdiğini anlayabildiler. Harvard’dan Park, “Aslında bir Wigner kristali olduğuna dair doğrudan kanıtımız var,” dedi. “Aslında bu üçgen yapıya sahip bir kristal olduğunu da görebilirsiniz.” İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Zürih’te Ataç İmamoğlu liderliğindeki ikinci araştırma ekibi de bu tekniği bir Wigner kristalinin oluşumunu gözlemlemek için kullandı.
Yeni çalışma, etkileşime giren birçok elektronun kristal oluşturma konusunda ki olumsuzluğunu bertaraf ediyor. Küçük bir alana çok sayıda elektron koyduğunuzda, hepsi birbirini iter ve karşılıklı olarak iç içe geçmiş tüm kuvvetleri takip etmek imkansız hale gelir.
Urbana-Champaign’deki Illinois Üniversitesi’nden fizikçi Phillips, Wigner kristallerini bu tür tüm sistemler için bir arketip olarak tanımladı. Fizikçilerin sadece kalem ve kağıtla nasıl çözeceklerini bildikleri elektronları ve elektrik kuvvetlerini içeren tek sorunun, hidrojen atomundaki tek bir elektronun sorunu olduğunu kaydetti. Hatta bir elektronu daha olan atomlarda, etkileşim halindeki elektronların ne yapacağını tahmin etme sorunu, içinden çıkılmaz bir hal alır. Etkileşen birçok elektron sorunu, uzun zamandır fizikte en zor olanlardan biri olarak kabul edilir.
Kaynak: quantamagazine.org
