Araştırmacılar, son zamanlarda teorik fizik yöntemi ile tahmin edilen ve kuadrupol topolojik izolatörler” (QTI) olarak adlandırılan yeni bir madde fazının “insan ölçeği” boyutunu gösterdiler.
Takımın QTI’lerle çalışması, on yıl önce topolojik izolatörler adı verilen bir malzeme sınıfının özelliklerinin anlaşılmaya çalışılmasına dayanıyor. Mekanik Bilim ve Mühendislik profesörü ve kıdemli araştırmacı Gaurav Bahl, “TI’lar, kendi içlerinde ve etraflarındaki iletkenlerin sınırları boyunca var olan elektrik izolatörleridir ve hepsi atomik ölçekte tanımlanan, düşük güçlü, sağlam bilgisayarlar ve aygıtlar oluşturmak için büyük bir potansiyele sahip olabilirler” açıklamasını yaptı.
Yazar ve Fizik profesörü olan Taylor Hughes, TI’ların nadir özelliklerinin onları özel bir elektronik madde haline getirdiğini, elektron topluluklarının maddeler içinde kendi fazlarını oluşturabileceğini ve bu fazların tıpkı sudaki gibi katı, sıvı ve gaz halde olabileceğini ancak bazen topolojik izolatör (TI) gibi daha sıra dışı fazlar oluşturabildiğini belirtti.
Ayrıca Hughes, TI’ların tipik olarak kristal maddelerde bulunduklarını ve diğer çalışmaların da doğal yollarla kristallerde bulunan TI fazlarını doğruladığını, ancak yine de teyit edilmesi gereken birçok teorik tahminin olduğunu sözlerine ekledi.
Bu tahmin, kuadrupol momenti olarak bilinen, elektriksel özelliğe sahip yeni bir TI tipinin varlığına işaret ediyordu. Fizik bölümü yüksek lisans öğrencisi Wladimir Benalcazar, “Elektronlar bir malzemede yük taşıyan tek parçacıklardır. Kristallerdeki elektronların, sadece dipol ünitelerini (yani pozitif ve negatif yükleri) birleştirmekle kalmayıp, aynı zamanda dört veya sekiz şarjın bir birime getirildiği yüksek değerde çoklu kutupların artışını da beraberinde getirebileceğini keşfettik. Bu üst düzey sınıfların en basit üyesi, iki pozitif ve iki negatif yükün birleştirildiği dörtlü kutuplardır” şeklinde bir açıklama yaptı.
Elektronların dört kutuplu davranışını incelemek şöyle dursun, bir maddenin atomlarını tek tek incelemek dahi şu anda mümkün değildir. Bu nedenle ekip, basılı devre levhalarından oluşan bir malzeme kullanarak, QTI’nın işe yarar boyutta bir analoğunu oluşturdu. Her bir devre kartı, aynı frekanstaki bir elektromanyetik radyasyonu emen dört aynı rezonatörden oluşan bir kareyi kapsar. Levhalar, kristal analoğu tam olarak oluşturmak için, bir ızgara şeklinde düzenlenmiştir.
Araştırmanın baş yazarı ve Elektrik Mühendisliği lisans öğrencisi olan Kitt Peterson, her rezonatörün bir atom gibi davrandığını, ve rezonatörlerin aralarındaki bağların da atomların aralarındaki bağlar gibi davrandığını belirtti.
Sisteme mikrodalga boyutunda radyasyon uyguladıklarını ve her bir rezonatör tarafından bu radyasyonun ne kadarının emildiğini ölçtüklerini, bunun da elektronların analog bir kristalde nasıl davrandıklarını gösterdiğini sözlerine ekleyen Peterson, mikrodalga radyasyon ne kadar emilirse, karşılık gelen atomda bir elektron bulmanın da o kadar olası olduğunu ifade etti.
QTI ve TI FARKI
Araştırmacılar, QTI’ ü TI’den farklı kılan özelliğin, rezonatörlerin arasındaki bağlantı olduğunu ifade ettiler.
Konuyla ilgili olarak Bahl, “QTI’nın kenarları, tipik bir TI’de göreceğiniz gibi iletken değildir. Sadece köşeler aktiftir; yani kenarların kenarları…ve bunlar Kuadrupol Momenti olarak bilinen dört yerel noktasal yüke paraleldir. Tam olarak Taylor ve Wladimir’in öngördüğü gibi” açıklamasını yaptı.
Peterson, ” QTI’ümüzdeki her rezonatörün ne kadar mikrodalga radyasyon emdiğini ölçtük. Rezonans durumlarını net bir frekans aralığında doğrulayarak tam köşelere yerleştirdik. Bu, dört köşe yükü oluşturmak için elektronların dolduracağı öngörülen korumalı hallere işaret etti” dedi.
İLETİŞİM ve BİLGİ İŞLEM İÇİN YENİ BİR VERİ DEPOLAMA KAPASİTESİ
Bu yeni elektronik madde fazının köşe yükleri, iletişim ve bilgi işlem için veri depolama kapasitesine sahip olabilir. “Elimizdeki modelle bu gerçekçi görünmeyebilir” diyen Hughes, “ancak, QTI’ları atom ölçeğinde düşündüğümüzde, hesaplama ve bilgi işlemeyi gerçekleştiren cihazlar için, muhtemelen bugün elde edebileceğimizin altındaki ölçeklerde bile muazzam olasılıklar ortaya çıkıyor” ifadesini kullandı.
Araştırmacılara göre, yapılan deney ve öngörüler arasındaki uyuşma bilim adamlarının uygulamalı kullanım için QTI fiziğini anlamaya başladıklarını gösteriyor.
Hughes, “Teorik fizikçiler olarak, Wladimir ve ben bu yeni madde formunun varlığını tahmin edebildik ancak şu ana kadar bu özelliklere sahip hiçbir materyal bulunmadı. Mühendislerle işbirliği yapmak, tahminimizi gerçeğe dönüştürmemize yardımcı oldu” dedi.
Ulusal Bilim Vakfı ve ABD Deniz Araştırmaları Ofisi bu çalışmayı destekledi.
Kaynak: Science Daily
