Yeni topolojik faz keşfi nanoteknolojide önemli gelişmelere yol açabilir. Nano ölçekli cihazlarda topolojik fizik araştırmaları için yeni bir platform kullanan Cambridge araştırmacıları, iki boyutlu bir sistemde yeni bir topolojik faz tespit etti.
Grafen gibi iki boyutlu malzemeler kullanılarak fizik ve malzeme biliminde çok çeşitli fenomenler deneysel ve teorik olarak araştırılmıştır. Grafenin ötesinde, çeşitli fiziksel özelliklere sahip birkaç 2D malzeme bulunmaktadır. Bu, çeşitli 2D malzemeleri veya katman yığınlarını birleştirerek cihazlara çeşitli işlevselliklerin eklenebileceği nanoteknolojideki olası uygulamalar için cesaret vericidir.
Ferroelektriğin Önemi Nedir?
Yakın zamanda, grafenden daha az simetrik olan altıgen bor nitrür (hBN) gibi malzemelerde bir katman diğerinin üzerine kaydığında ve simetriyi bozduğunda ferroelektriğin geliştiği gösterildi. Bilgi işleme ve bellek depolama için yararlı bir özellik olan ferroelektrik, bir malzemenin elektrik dipol momentinin bir elektrik alanıyla değiştirilmesidir.
Moiré superlattice, iki boyutlu malzemeler birbirlerine göre büküldüğünde ortaya çıkan mükemmel bir girişim desenidir; bu desen malzemelerin fiziksel özelliklerini önemli ölçüde değiştirebilir. HBN ve ilgili malzemelerin bükülmesi, çeşitli istifleme bölgelerinin polarize olmasına neden olarak düzenli bir polar alan ağı ve ferroelektriklik ile sonuçlanır ve bu da gösterilmiştir.
Meron ve Antimeron Nedir?
Nature Communications’da yayınlanan bu yeni çalışmada, Belçika’daki Liège Üniversitesi ve Cambridge Cavendish Laboratuvarı’ndan bilim insanları, bu kutupsal alanlarda daha önce bilinenden daha fazlası olduğunu keşfettiler. Bunlar doğaları gereği topolojiktir ve meron ve antimeron adı verilen nesneler oluştururlar.
Bu deneye Cavendish Laboratuvarı’nda başlayan ve şu anda ABD’deki Harvard Üniversitesi’nde görev yapan ilk yazar Dr. Daniel Bennett, bükülmüş sistemlerdeki kutuplaşmanın düzlem dışı yönde, yani katmanlara dik yönde olduğunu belirtti.
Kayma veya bükülme ile ortaya çıkan simetri kırılmasının, düzlem dışı polarizasyonla karşılaştırılabilir bir güce sahip bir düzlem içi polarizasyon da ürettiğini keşfettik. Katmanların simetrisi, düzlem içi polarizasyon tarafından oluşturulan sevimli vektör alanının şeklini tamamen belirler.
Düzlem içi polarizasyon bulgusu, 2D bükülmüş sistemlerin elektriksel özelliklerinin daha önce düşünülenden çok daha karmaşık olduğunu göstermektedir. Daha da önemlisi, bilim insanları bu bükülmüş çift katmanlardaki polarizasyonun, polarizasyonun hem düzlem içi hem de düzlem dışı bileşenlerini birleştirerek topolojik olarak önemsiz olmadığını keşfettiler.
Cavendish Laboratuvarı’ndaki ekibiyle birlikte bu çalışma üzerinde çalışan Dr. Robert-Jan Slager’a göre, “Her bir alanda, polarizasyon alanı yarım tur dönerek meron (yarım skyrmion) olarak bilinen topolojik bir nesne oluşturuyor.” Bükülmüş katman boyunca güçlü bir meron ve antimeron ağı gelişir.
Bennett’e göre fizikteki nesnelerin çoğu enerji açısından açıklanabilir. Doğa verimsizdir ve görevleri olabildiğince çabuk tamamlamayı tercih eder, bu süreçte bir sistemin enerji gereksinimlerini azaltır.
Bir malzeme genellikle en düşük enerjiye sahip fazı yeni fazı olarak seçer. Öte yandan topolojik fazlar ve özellikler, enerjiden ziyade bir sistemin çoklu simetrileri tarafından yönetilir. Bir sistemin elektrik veya manyetik alanları gibi fiziksel özellikleri, simetri gerektirdiği için dolanan veya düğümlenen karmaşık desenler geliştirebilir.
Slager’a göre, bu düğümleri çözmek çok fazla enerji gerektirdiğinden, bu yapılar oldukça dayanıklı hale geliyor. Örneğin, topolojik kuantum hesaplama alanında, bu topolojik nesneleri yapma, yok etme ve manipüle etme yeteneği özellikle caziptir.
Araştırmacılar bunu başarmak için topolojik kutuplaşma konusundaki anlayışlarını ilerletmeyi ve keşfettikleri kutupsal meronları/antimeronları kullanarak yeni ve ilgi çekici fiziksel olayları düzenlemelerine veya üretmelerine olanak tanıyacak bir kavram kanıtı cihazı oluşturmayı planlıyor.
Kaynak: phys.org/news
