Bilim Kurgudan Çıktı: Bilim İnsanları Sadece Elektronlardan Oluşan Bir Kristal Yaratıyor – ExtremeTech

Mıknatısları ve prizmaları ile Michael Faraday örneğinde olduğu gibi, laboratuvarda ortalığı karıştırmanın temel bir atılıma yol açması sık rastlanan bir durum değildir. Daha da nadir olan şey, iki araştırma ekibinin aynı anda aynı şeyi keşfetmesidir: Newton ve Leibniz akla geliyor. Ancak ara sıra, en nadir olaylar bile gerçekleşir. 2021 yazı, yoğun madde fiziği için bir afiş sezonu oldu. Üç ayrı araştırmacı ekibi, tamamen elektronlardan oluşan bir kristal yarattı ve bunlardan biri bunu gerçekten kazara yaptı.

Araştırmacılar, ultra düşük sıcaklıklara soğutulmuş tek atom kalınlığında yarı iletkenlerle çalışıyorlardı. Her ikisi de Harvard’dan Eugene Demler ile birlikte Hongkun Park tarafından yönetilen bir ekip, bu yarı iletken şeritlerinin katmanlarında çok belirli sayıda elektron bulunduğunda, elektronların raylarında durduğunu ve “gizemli bir şekilde hareketsiz” durduğunu keşfetti. Sonunda meslektaşları, kağıt üzerinde ve teoride var olan ancak yaşamda asla doğrulanmayan şeylerden biri olan Wigner kristalleriyle ilgili eski bir fikri hatırladılar. Wigner, karşılıklı elektrostatik itme nedeniyle, bir tek tabakadaki elektronların üç ızgaralı bir model alacağını hesaplamıştı.

Park ve Demler’in grubu, sıkıntılarında yalnız değildi.

İmamoğlu’nun grubu, bir Wigner kristalinin oluşumunu belgelemek için aynı tekniği kullandı.

Elektronlar bir şekilde manyetik kutuplar gibi hareket ediyor: tıpkı itme gibi. Katılarda elektronlar düzenli, tekrar eden kristal kafesler oluşturmaya yardımcı olur. Ancak sıvılarda bu farklı bir hikaye. Sıvı elektronlar çok kolay bozuldukları için, kendi hallerine bırakıldıklarında toplu dalga biçimleri kaotiktir, değişken, düzensiz girişimle doludur.

Onların yerleşmesini sağlamak, aşırı koşulların mükemmel bir birleşimini gerektirir. İlk olarak, desende bozulmaya neden olacak başka elektronlar olmadığında daha kolaydır. Ayrıca, mükemmel bir ızgarada düzgün bir şekilde bölünebilir sayıda elektron düzenlenebilir. UC Berkeley’den ilgili yazar Feng Wang da dahil olmak üzere bağımsız bir araştırmacı grubu, atom inceliğinde tungsten disülfid ve tungsten diselenid katmanlarından oluşan bir yarı iletkenle çalışıyordu. Bu bileşiklerdeki atomlar birbirinden biraz farklı mesafelerdedir, bu nedenle üst üste binen katmanlar, çok az düşük enerjili bölgelerden oluşan bir “petek şeklinde hareli deseni” oluşturdu ve bu da elektronların yerleşmesine yardımcı oldu.

Yarı iletken malzeme (mavi/gri) içindeki bir Wigner elektron kristali (kırmızı).

Çok soğuk olduğunda her şey yavaşlar, bu nedenle sıcaklığı birkaç derece mutlak sıfıra getirmek, uçucu elektronları olması gereken yerde tutmaya yardımcı olur. Kuantum fenomenlerinin klasik elektron davranışının yerini almaya başladığı yer burasıdır. Sudaki dalga cepheleri gibi davranmak yerine elektronlar, parçacık benzeri doğalarıyla daha uyumlu hareket etmeye başlar. Ancak bir kez soğuduğunda ve yeterince sakinleştiğinde, elektronları içermesi birdenbire çok daha kolay hale gelir. Kedileri gütmekten daha az ve daha çok akustik kum plakası desenlerine benziyor. Doğru sayıda elektronla aslında kendi başlarına sıralanırlar.

(Yazarın notu: Bunu verin Belirli yerlerden kaçınmak ve diğerlerine konsantre olmak için kendi kendine organize olan parçacıkların ve dalgaların harika bir A/V demosunu istiyorsanız bir saat bir saat. Uyarı: Sesi kısın. Bu, mikrofon geri bildirimi ve bir hava saldırısı sireni.)

Elektronlar, elektriğin işlevsel birimidir. Yani, tonlarca elektronu bir araya getirirseniz, elde edeceğiniz şey yıldırım topu gibi bir şey olabilir: güçlü, yoğun, çok güçlü bir miktar elektrik sadece bir şeyi zaplamak için bekliyor.

Elektrik, sadece elektronların varlığından değil, hareketinden kaynaklanır. Elektronları düzgün bir atomik üçlü ızgarada bir araya getirmek, bu malzeme içinde elektronların çok az hareketi olduğu anlamına gelir. Aynı zamanda bir yalıtkanın tanımıdır. Araştırmacılar bir elektron kristali yarattıklarını bu şekilde biliyorlardı: yarı iletkenlerinin yarı iletken olmasını bekledikleri yerde, olmazdı. Güvercin deliklerinin içinde tutulan elektronlar hareket etmiyordu, dolayısıyla elektrik de değildi. Bu “kristaller” %100 elektrondur, ancak yalıtkandırlar.

Mutlak sıfıra yakın kuantum dalgalanmaları, serbest akışlı sıvılar ve Wigner kristalleri gibi kuantum kristalleri arasında kuantum-faz geçişlerine neden olur. Bu kuantum geçişlerinin diğer birçok kuantum sisteminde önemli olduğuna inanılıyor. Harvard ekibi, bir Wigner kristali olduğunu öğrendikten sonra, özelliklerini araştırmak için onu “kuantum erimesi”nden geçirmeye karar verdi; bu, görünüşe göre normal erimeye benziyor, ancak çok küçük bir ölçekte kuantum…

“Her şeyin önüne kuantum kelimesini mi koyuyorsun?” (Resim: Marvel’in “Karınca Adam ve Yaban Arısı”)

Bütün bu heyecan o kadar küçük bir ölçekte gerçekleşti ki, bilim adamları en iyi ışık mikroskoplarını kullanarak bile onu görsel olarak görüntüleyemediler.

Wang’ın ekibi, bir anlık kavrayışla, yarı iletkeni tek atom kalınlığında bir grafen tabakasıyla kapladı. Altındaki Wigner kristalleri, tarama tünelleme mikroskobunun yakalayabileceği grafenin elektron yapısını çok az değiştirdi. Fizikçiler, bir Wigner kristali oluşturduklarını doğrulamak için, tek tek fotonlarla ona ping atmak, bir elektronu serbest bırakmak ve “eksiton” adı verilen ve tespit edebildikleri bir şey yaratmak zorunda kaldılar.

“ Bu, [sic] kısmen kuantum malzemeden kısmen klasik malzemeye geçişin tam sınırındadır ve birçok olağandışı ve ilginç fenomen ve özelliğe sahiptir” dedi Demler. Bunların tam olarak ne olduğunu anlamak biraz zaman alacak.

Şimdi Okuyun:

Bilim adamları Holmes Davasında Tanıklık Ediyor: Theranos Teknolojisi Düpedüz Oldu KötüBilim adamları Elektronların Yerine Yuvarlak Olduğunu Onaylıyorlar SquishedGraphene, Elektronların Viskoz Bir Sıvı Gibi Hareket Etmesini Sağlar.