Büyük bir bardak buzlu su sadece susuzluğu gidermekle kalmaz; aynı zamanda bir arada var olan fazların günlük bir örneğidir. Su moleküler yapısı, hem sıvı hem de katı fazda aynı anda var olabilir. Ve görüldüğü gibi, bu faz ikiliği daha egzotik, kuantum malzemelerinde de var olabilir ve ayrıştırılması çok daha karmaşık yollarla gerçekleşebilir.
MIT fizikçilerinin yaptığı yeni bir çalışma, iki farklı elektron davranış fazının aynı kuantum malzemesinde nasıl ortaya çıkabileceğini ve bir arada var olabileceğini aydınlatıyor.
Sonuçları, bugün Nature Physics dergisinde yayımlanan bu çalışma, bazı malzemelerin süperiletkenlik, manyetizma ve diğer elektronik fazları nasıl barındırdığını açıklamaya yardımcı olabilir. Bu tür fazları ayrıştırmak ve nasıl ortaya çıktıklarını anlamak, mühendislerin elektronik davranışı kontrol etmelerine ve yüksek performanslı kuantum cihazları tasarlamalarına yardımcı olacaktır.
“İnsanlar, silikonun yerini almanın temel taşının birden fazla bir arada var olan fazlara sahip kuantum malzemelerinde yattığına inanıyor,” diyor çalışmanın ortak yazarı Alfred Zong, MIT'de doktora öğrencisi olarak çalışmayı birlikte yönetti ve şimdi Stanford Üniversitesi'nde yardımcı doçent. “Deneyimiz, bu çoklu fazları incelemek için çok düzenli bir yol sunuyor.”
MIT'deki Donner Fizik Profesörü Nuh Gedik'in liderliğindeki ekip, nadir toprak malzemesi erbiyum tritellüridi inceledi. Çoğu malzeme gibi, erbiyum tritellüridinin elektronları genellikle malzeme boyunca homojen bir şekilde dağılır. Ancak belirli sıcaklıklara soğutulduğunda, elektronlar aniden dalga benzeri bir desene organize olurlar; fizikçiler buna “yük yoğunluğu dalgası” (CDW) fazı der. Daha da soğutulduğunda, elektronlar tekrar bir araya gelerek ilk dalgayı çaprazlayan ikinci dalgalı fazı oluştururlar. Etki, bir arada var olan elektron fazlarının atomik dama tahtası gibi görünmesidir.
Artık Gedik ve meslektaşları, erbiyum tritellüridinin fazlarını ayrıştırdılar ve her bir fazın nasıl ortaya çıktığını gözlemlediler. Bir fazın, sıvı suyun buhar haline geçişi gibi, yavaşça oluştuğunu buldular. Bu, elektronik faz geçişlerinin klasik, ders kitabı örneğidir.
Ancak ikinci faz tamamen yeni ve beklenmedik bir şekilde ortaya çıktı: Yavaşça ortaya çıkmak yerine, elektronlar önce cepler halinde organize oldular ve sonunda genişlediler; bu, sıvı suyun buz haline kristalleşmesine benzer.
“Bu ikinci fazın ortaya çıkmasından sorumlu mekanizma uzun zamandır tartışılıyor ve yaklaşımımız, kuantum malzemelerindeki faz geçişlerinin arkasındaki gizli fiziği ortaya çıkarmak için güçlü bir yeni yol sunuyor,” diyor Gedik.
Çalışmanın diğer MIT ortak yazarları, birinci yazarlar Yifan Su ve eski doktora sonrası araştırmacı Bai-Qing Lv; Dongsung Choi; ve eski doktora sonrası araştırmacılar Doron Azoury ve Masataka Mogi ile birlikte birçok diğer kurumdan işbirlikçileridir.
Açık bir görünüm
Yük yoğunluğu dalgası, elektronlar gibi yüklerden oluşur ve bu yükler kendiliğinden bir dalga olarak organize olurlar. Dalgaların zirveleri en yüksek elektron yoğunluğunu taşırken, en düşük yoğunluklar çukurlarda bulunur. Bazı malzemelerde, elektronlar süper soğuk sıcaklıklarda bu garip koordine faza geçiş yaparlar.
Bilim insanları, on yıllardır yük yoğunluğu dalgalarını gözlemliyor ve en son, manyetizmanın çeşitli biçimleri ve süperiletkenlik gibi diğer, daha karmaşık elektron koordinasyon biçimlerini barındıran malzemelerde gözlemliyorlar; burada elektronlar çiftleşir ve malzeme içinde sürtünmesiz akarlar.
“Süperiletkenlik gibi, yük yoğunluğu dalgaları da elektronların belirli şekillerde birlikte hareket ettiği toplu bir fenomendir,” diyor baş yazar Yifan Su. “CDW'lerin gücü, süperiletkenliğe kıyasla çok daha basit bir madde biçimi olmalarıdır. Temel anlayış için bir oyun alanı sunarlar.”
Su ve ekip, iki CDW fazını aynı anda barındıran bir malzemedeki yük yoğunluğu dalgalarını net bir şekilde görmek istediler. Bu dalgaların nasıl ortaya çıktığı ve bir arada var olduğu, süperiletkenlik ve diğer daha karmaşık faz geçişlerinin nasıl gerçekleştiğine ışık tutabilir.
“Fizikteki en büyük sorulardan biri, bazı malzemelerin neden birden fazla faz barındırdığı, diğerlerinin ise neden barındırmadığıdır. Ve birden fazla faz mevcut olduğunda
