Bilim insanları, bir malzemenin atom katmanları arasında seyahat eden elektronlarda tuhaf bir kuantum hareketi algıladı. En üst katmandan aşağıya doğru hareket etmek yerine, elektronların saniyeden daha kısa bir süre içinde en üst katmanda ortadan kaybolup, en aşağı katmanda tekrar ortaya çıktığı gözlemlendi. Üstelik her iki katman arasında varlıklarına dair herhangi bir ize de rastlanmadı.

Kansas Üniversitesi’nden araştırmanın lideri Hui Zhao; “Elektronlar ikinci katmanda bulunmadan, ilk katmanda ardından üçüncü katmanda ortaya çıkabiliyorlar” yorumunu yaptı.

Bu tuhaf olgu, yeni ve kullanışlı özellikler meydana getirmek amacıyla, benzersiz nano malzemeleri birleştiren, tamamen yeni “van der Waals malzemeleri” üretmek için kullanılabilir. Bu tuhaf olay, gelecekte elektronik cihazlarda ve güneş paneli gibi nesnelerde büyük gelişmelere neden olabilir.

Eğer Van der Waals kuvvetleri size tanıdık geliyorsa, bunun nedeni nesnelerin bir kertenkele ayağı gibi duvarlara tutunabilmesini sağlayan tuhaf kuantum kuvvetleri olmasındandır. Ayrıca geleneksel iyonik veya kovalent bağlardan kaynaklanmayan, moleküller arası çekim kuvvetlerini de tanımlarlar.

Basitçe özetlemek gerekirse; van der Waals kuvvetleri, zıt yüklü iki parçacık arasındaki çekim kuvvetinden ziyade, parçacıklar arası kuantum mekaniksel çekimin sonucudur.

Son yıllarda araştırmacılar bu kuvvetleri, bilindik bağları kullanmadan, farklı iki boyutlu yapıları birbirleri arasında katmanlayarak yeni malzemeler üretmek için kullanıyor. Fakat şimdiye kadar, elektronların bu van der Waals malzemeleri içerisinde nasıl hareket ettiklerine, doğal olarak da elektronik malzemeler için ne kadar kullanışlı olduklarına dair çok az şey biliniyordu.

Araştırmacılar bu konuyu anlayabilmek için, van der Waals kuvvetleri ile bir arada tutulan, 3 adet katmandan oluşan bir van der Waals malzemesi üzerinde deney yaptılar. Araştırmacıların test ettiği bu üç katman MoS2, WS2 ve MoSe2’den oluşmaktaydı. Bunların tamamı yarı iletken malzemelerdir; bu da elektronların direnç uygulanmadan iletilmesi anlamına gelir ve bu malzemelerin tamamı farklı renkte ışıklara tepki verirler.

Bu da araştırmacıların bir katmandaki elektronu etkileyecek farklı renkte lazerler kullanabileceği anlamı taşır. Ve böylelikle, elektronun malzeme içerisindeki hareketinin izi sürülebilir.

Araştırmacılar elektronları ışınlamak için, 100 femtosaniyelik (1 femtosaniye, 1 saniyenin katrilyonda biridir) aşırı derecede kısa bir lazer atımı kullandılar. Bu sayede MoSe2 katmanından bir miktar elektron koparılarak, elektronların serbestçe hareket edebilmesi sağlandı.

“Sadece en üstteki tabakadan elektron koparabilecek bir lazer ışını rengi seçildi. Ardından en aşağıdaki MoS2 katmanında bu elektronların varlığını tespit edebilmek için, uygun renkte başka bir lazer ışını kullandık. Bu ikinci lazer atımı, örneğe ilk lazer atımından 1 pikosaniye (saniyenin trilyonda biri veya yaklaşık 1.000 femtosaniye) daha sonra varacak şekilde ayarlandı, bu sayede ilkinden 0.3 milimetre daha fazla yol alması mümkün olacaktı” diye anlatıyor Zhao.

Ekip, elektronların, malzemenin en üstünden en altına inanılmaz derecede kısa bir aralıkta hareket ettiğini buldu; geçiş süresi ortalama 1 pikosaniyeydi.

Ekip elektronların nasıl bu kadar hızlı hareket ettiklerini bulmak için, ortadaki lazer katmanını görüntülemek amacıyla farklı renkte üçüncü bir lazer ışını kullandı ve orta katmanda hiç elektron bulunmamış olduğunu görünce şaşkınlığa düştüler. Bu sıradan fiziğe aykırı bir durumdu.

“Eğer elektronlar, klasik parçacıklar gibi davranmış olsaydı, 1 pikosaniyelik sürenin bir kısmında orta katmanda da bulunmuş olmaları gerekirdi” diye anlatıyor Zhao.

Bu sonucun rastlantı olabileceği düşünülerek, bu katmanlar arasındaki bu tuhaf kuantum sıçraması, Nebraska Üniversitesi’nde gerçekleştirilen simülasyonlarla da doğrulandı.

Bu olayın iki farklı laboratuvarda gözlenmiş olması, bunun, elektronların van der Waals kuvvetleri ile bağlanmış atomik tabakalar arasında yolculuk etmesine olanak sağlayan gerçek bir kuantum olgusu olduğunu gösteriyor.

Bu yeni kuantum olgusunun araştırılması için, elbette daha fazla çalışma yapılması gerekiyor. Eğer bu durum doğrulanırsa, van der Waals malzemelerinin elektronik amaçlar için olağanüstü derecede kullanışlı olabileceğine bir işaret olacak ve belki de, daha fazla malzeme tipinin geliştirilmesi için kullanılabilecek.

“Bu araştırma, elektronların katmanlar arasında kuantum tarzı hareket edebildiklerini gösteriyor, tıpkı diğer iletkenler ve yarı iletkenlerde olduğu gibi” diye anlatıyor Zhao.

 

---

Kaynak: Electrons Have Been Caught Disappearing and Reappearing Between Atomic Layers  < http://www.sciencealert.com/electrons-have-been-caught-disappearing-and-reappearing-between-atomic-layers >

Referans: Highly Efficient and Anomalous Charge Transfer in van der Waals Trilayer Semiconductors < http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b04815 > DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04815

---