Almanya'da Regensburg Üniversitesi, Marburg Üniversitesi ve Jülich Araştırma Merkezi'nden bilim insanları, kuantum fiziğinin uzun süredir araştırılan olaylarından birini doğrudan gözlemlemeyi başardı.

Araştırmacılar, geliştirdikleri özel bir elektron görüntüleme tekniği sayesinde, elektronların normal koşullarda bulunamayacakları enerji aralıklarını aşarak farklı enerji seviyelerine geçişini gerçek zamanlı olarak izledi.

Nature dergisinde yayımlanan araştırma, 'Landau-Zener-Majorana geçişleri' olarak bilinen kuantum olayının nasıl gerçekleştiğini ayrıntılı biçimde ortaya koydu.

Grafen nedir, neden kullanıldı?

Araştırmada kullanılan grafen, karbon atomlarının altıgen biçiminde dizilmesiyle oluşan, yalnızca tek atom kalınlığında bir malzeme. Kurşun kalem uçlarında kullanılan grafit de üst üste dizilmiş grafen katmanlarından oluşuyor.

Son derece ince ve hafif olmasına rağmen yüksek dayanıklılığa sahip olan grafen, elektriği ve ısıyı çok iyi iletiyor. Bu özellikleri nedeniyle yeni nesil elektronik cihazların ve kuantum teknolojilerinin geliştirilmesinde önemli bir araştırma malzemesi olarak görülüyor.

Bilim insanları, deneylerinde Jülich Araştırma Merkezi'nde üretilen, atomik düzeyde neredeyse kusursuz grafen örneklerini kullandı.

Araştırmacılara göre malzemenin yüksek saflıkta olması, elektronların hassas kuantum hareketlerinin başka etkenlerden kaynaklanan bozulmalar olmadan gözlemlenebilmesini sağladı.

Deneylerde ayrıca, kuantum davranışlarının daha belirgin biçimde ortaya çıkmasına yardımcı olan özel olarak döndürülmüş grafen yapılarından yararlanıldı.

Elektronlar yasak enerji aralıklarını nasıl aşıyor?

Katı maddelerde elektronlar her enerji seviyesinde bulunamıyor. Elektronların bulunabildiği enerji aralıklarına "enerji bantları", bu bantların arasında elektronların kararlı durumda bulunamadığı bölgelere ise 'yasak enerji aralıkları' deniyor.

Bu durum, bir binanın belirli katlarında durabilen ancak aradaki bazı katlarda duramayan bir asansöre benzetilebilir.

Kuantum mekaniği ise elektronların belirli koşullarda bu enerji aralıklarını aşarak başka bir enerji bandına geçmesine olanak tanıyor.

Araştırmacılar, grafeni güçlü ışık darbelerine maruz bıraktıklarında, ışığın oluşturduğu elektrik alanının elektronları hızlandırdığını ve bazı elektronların kuantum geçişi yoluyla farklı enerji bantlarına geçtiğini gözlemledi.

Burada elektronlar fiziksel olarak bir noktadan başka bir noktaya sıçramıyor. Gerçekleşen olay, elektronların farklı enerji durumları arasında geçiş yapması.

Grafenin normal koşullarda sıfır bant aralıklı bir malzeme olması da araştırmanın önemli ayrıntılarından biri. Bilim insanları, özel olarak hazırlanmış grafen yapılarındaki enerji bantları ve bunların arasındaki geçişleri inceledi.

Bazı kuantum geçişleri yüzde 100 olasılıkla gerçekleşti

Araştırmanın en dikkat çekici bulgularından biri, yeterince güçlü ışık alanları altında bazı elektronların enerji bantları arasındaki geçişi yüzde 100 olasılıkla gerçekleştirmesi oldu.

Bilim insanları, bu geçişlerin gerçekleşme olasılığında elektronların elektrik alanının etkisiyle ne kadar hızlı hareket ettiğinin belirleyici olduğunu ortaya koydu.

Elektronlar, yeterli hızla enerji bantları arasındaki sınıra yaklaştıklarında, normal koşullarda bulunamayacakları enerji aralığını kuantum mekaniksel bir süreçle aşabiliyor.

Landau-Zener-Majorana geçişleri olarak bilinen bu olay, elektronların fiziksel bir engeli aşmadan, farklı enerji seviyeleri arasında geçiş yapmasını sağlıyor. Bu yönüyle, elektronların hem parçacık hem de dalga özellikleri sayesinde normal koşullarda aşamayacakları fiziksel bir engelin diğer tarafında ortaya çıkabildiği kuantum tünellemesinden ayrılıyor.

Kuantum fiziğinde elektronların hareketine ilişkin bir başka gelişme de kısa süre önce duyurulmuştu. Mikro-Makro'nun 8 Kasım'da yayımladığı Elektronlarda yeni kuantum keşfi: Elektronik cihazlar 100 bin kat hızlanabilir başlıklı haberde, elektronların kuantum tünellemesi yoluyla fiziksel bir enerji engelini aşması ve hareketlerinin zaman ile konum açısından ne kadar hassas ölçülebileceği ele alınmıştı.

Elektronların hareketini izleyen özel mikroskop

Araştırmacılar, son derece kısa zaman aralıklarında gerçekleşen bu hareketleri gözlemleyebilmek için gelişmiş lazer teknolojisini elektron mikroskobuyla birleştiren yeni bir yöntem geliştirdi.

Deneylerde kullanılan fotoemisyon momentum mikroskobu, geleneksel mikroskoplardan farklı olarak malzemenin yüzeyini büyütmek yerine elektronların enerjilerini ve hareketlerini ölçüyor.

Bu veriler kullanılarak elektronların farklı enerji durumları arasındaki dağılımını gösteren ayrıntılı haritalar oluşturuluyor.

Araştırma yazarlarından Vincent Eggers, yöntemin önemini bir yarış örneğiyle anlattı. Eggers'a göre, bir yarışı kimin kazandığını anlamak için bütün yarışmacıları izlemek gerektiği gibi, kuantum geçişlerini yakalayabilmek için de mümkün olduğunca çok sayıda elektronun aynı anda gözlemlenmesi gerekiyor.

Araştırma ekibinden Rupert Huber ise deney üzerinde uzun yıllar çalıştıklarını belirterek artık elektronların bir katı maddenin bütün enerji yapısı boyunca nasıl hareket ettiğini gerçek zamanlı olarak takip edebildiklerini söyledi.

Işıkla kontrol edilen ultra hızlı elektronik cihazlar geliştirilebilir

Araştırmanın sonuçları, kuantum fiziğinin temel süreçlerinin anlaşılmasının yanı sıra geleceğin elektronik teknolojileri bakımından da önem taşıyor.

Günümüzde elektronik cihazlarda elektronların hareketi büyük ölçüde elektriksel gerilimlerle kontrol ediliyor. Araştırmacılar ise ışığın son derece hızlı değişen elektrik alanlarından yararlanarak elektronların hareketini çok daha yüksek hızlarda yönlendirmeyi hedefliyor.

Bu yaklaşım, gelecekte ışıkla kontrol edilen ultra hızlı elektronik bileşenlerin geliştirilmesine katkı sağlayabilir.

Deneyler ayrıca elektronların başlangıçta düzenli hareket ettiğini, ancak malzemenin kristal örgüsüyle etkileşimlerinin zamanla bu hareketi bozduğunu gösterdi. Bilim insanları, bu etkileşimlerin daha iyi anlaşılmasının elektronların daha hassas biçimde kontrol edilmesini sağlayabileceğini düşünüyor.

Regensburg Üniversitesi'nden Giacomo Inzani, geliştirilen yöntemin kuantum dünyasına geniş bir gözlem olanağı sunduğunu belirterek aynı tekniğin başka kuantum malzemelerine de uygulanabileceğini ifade etti.

Araştırmacılara göre bu gelişme, elektronların ışık yardımıyla kontrol edilmesine dayanan yeni teknolojilerin araştırılmasında önemli bir başlangıç niteliği taşıyor.

Kaynaklar: Nature / Forschungszentrum Jülich