Grafen İçerisinde “Yapay Atomlar” Oluşturuldu

Küçük bir kuantum hapishanesi içinde olduklarında, elektronlar serbest uzaydaki akranlarına kıyasla oldukça farklı davranışlar sergiliyorlar. Tıpkı bir atomun içerisindeki elektronlar gibi, belirli en..
Görsel Telif:

Küçük bir kuantum hapishanesi içinde olduklarında, elektronlar serbest uzaydaki akranlarına kıyasla oldukça farklı davranışlar sergiliyorlar. Tıpkı bir atomun içerisindeki elektronlar gibi, belirli enerji seviyelerinde bulunuyorlar. Bu nedenle böylesi elektron hapishaneleri “yapay atomlar” olarak adlandırılıyor. Yapay atomlar, örneğin kuantum hesaplama gibi pek çok uygulamada kullanılabilecek, bildiğimiz atomların ötesinde özellikler sergileyebiliyorlar. Bu tür ek özellikler, karbon materyali olan grafen içerisinde oluşturulan yapay atomlarda gözlemlendi. Avusturya’daki TU Wien, Almanya’daki RWTH Aachen ve İngiltere’deki Manchaster Üniversitesi’ndeki bilim insanlarının iş birliğiyle gerçekleştirilmiş çalışmanın sonuçları, Nano Letters dergisinde yayımlandı.

Yapay Atomlar İnşa Etmek

TU Wien’den profesör Joachim Burgdörfer; “Yapay atomlar yeni ve heyecan verici imkanların kapısını aralıyor çünkü onların özelliklerini ayarlayabiliyoruz.” diye anlatıyor. Galyum arsenit gibi yarı iletken malzemelerde, elektronların çok dar aralıklarda tuzaklanmasının mümkün olduğu halihazırda gösterilmiş durumda. Böylesi yapılar sıklıkla “kuantum noktalar” olarak adlandırılıyor. Elektronların bir çekirdek etrafında belirli yörüngelerde dolandığı bir atomda olduğu gibi, elektronlar bu kuantum noktalarda da belirli kuantum durumlarında bulunmaya zorlanıyorlar.
Daha fazla ilgi çekici olası özellik, son birkaç yılda çok fazla ilginin odağı olmuş, karbon atomlarının tekli katmanlarından oluşan bir malzeme olan grafen kullanılarak ortaya çıkarıldı. “Çoğu malzemede elektronlar, verilen bir enerji değerinde iki farklı kuantum durumunu işgal edebilirler. Grafen kafesinin yüksek seviyeli simetrisi dört kuantum durumuna imkan tanıyor. Bu da kuantum bilgi işleme ve depolama için yeni yollar açıyor.” diye anlatıyor TU Wien’den Florian Libisch. Ama yine de grafen içerisinde sıkı kontrol edilen yapay atomlar oluşturmak oldukça zorlu bir iş gibi görünüyor.

Kenarları kesmek yeterli değil

Yapay atomlar meydana getirmenin farklı yolları var: Bunlar içerisinde en basit olanı, elektronları küçük pulcuklar içerisine yerleştirmek ve malzemenin ince tabakasını kesip çıkarmak. Bu işlem grafende işe yararken, malzemenin simetrisi, pulcukların asla düzgün olamayacak kenarları nedeniyle bozuluyor. Ve sonuç olarak, grafendeki kuantum durumlarının özel dört katlı çeşitliliği, alışılmış iki-katlı durumlara düşüyor.

Bu nedenle daha farklı yöntemlerin keşfedilmesi gerekiyordu: Elektronları yakalamak için küçük grafen pulcukları kullanmaya gerek yok. Elektrik ve manyetik alanların akıllı kombinasyonlarını kullanmak daha iyi bir seçenek. Bir tarayıcı tünelleme mikroskobunun ucuyla, elektrik alan yerel olarak uygulanabiliyor. Bu şekilde, grafenin yüzeyinde düşük enerjili elektronların tuzaklanabileceği küçük bir alan meydana getiriliyor. Aynı zamanda, elektronlar manyetik alan uygulanarak, küçük dairesel yörüngelere zorlanıyor. “Sadece elektrik alan kullansaydık, kuantum etkileri elektronların çabucak tuzaklardan kaçmalarına imkan sağlayacaktı.” diye anlatıyor Libisch.

Yapay atomlar, RWTH Aachen’da Prof. Markus Morgenstern’in  ekibindeki Nils Freitag ve Peter Nemes-Incze tarafından ölçüldü. Simülasyonlar ve teorik modeller, TU Wien’da Larisa Chizova, Florian Libisch ve Joachim Burgdöfer tarafından geliştirildi. Mükemmel derecede temiz grafen örneği Manchester Üniversitesi’ndeki Andre Geim ve Kostya Novoselov’un ekibinden geldi. Bu iki araştırmacı, 2010’da  ilk defa grafen yaprakları oluşturdukları için Nobel Ödülü’ne layık görüldü.

Bu yeni yapay atomlar, pek çok kuantum teknolojik deneyler için yeni olanaklar yaratıyor. “Aynı enerji seviyesi için dört yerel elektron durumu, bilgiyi saklamak için farklı kuantum durumları arasında yer değiştirmeye olanak sağlıyor.” diye anlatıyor Joachim Burgdöfer. Elektronlar, kuantum bilgisayarlar için ideal özellikler olarak keyfi süperpozisyon durumlarında uzun süre kalabilirler. Ek olarak, bu yeni yöntem ölçeklenebilirlik açısından büyük bir avantaj taşıyor: Bu türden pek çok yapay atomları, kuantum bilgi uygulamalarında kullanmak için küçük bir çip üzerine yerleştirmek mümkün olabilir.

 


Kaynak: 

  • Vienna University of Technology. “‘Artificial atom’ created in graphene: Scientists have created tiny quantum dots in graphene.” ScienceDaily. ScienceDaily, 22 August 2016. <www.sciencedaily.com/releases/2016/08/160822100705.htm>.
  • Nils M. Freitag, Larisa A. Chizhova, Peter Nemes-Incze, Colin R. Woods, Roman V. Gorbachev, Yang Cao, Andre K. Geim, Kostya S. Novoselov, Joachim Burgdörfer, Florian Libisch, Markus Morgenstern.Electrostatically Confined Monolayer Graphene Quantum Dots with Orbital and Valley Splittings. Nano Letters, 2016; DOI:10.1021/acs.nanolett.6b02548

Bu içerik BilimFili.com yazarı tarafından oluşturulmuştur. BilimFili.com`un belirtmiş olduğu “Kullanım İzinleri”ne bağlı kalmak kaydıyla kullanabilirsiniz.

Etiket
  • Projelerimizde bize destek olmak ister misiniz?
  • Dilediğiniz miktarda aylık veya tek seferlik bağış yapabilirsiniz.
  • Destek Ol
Yorum Yap (0 )

Yorum yapabilmek için giriş yapmalısınız.

Bunlar da ilginizi çekebilir

Bağış Yap, Destek Ol!
Projelerimizde bize destek olmak isterseniz,
Patreon üzerinden
bütçenizi zorlamayacak şekilde aylık veya tek seferlik bağışta bulunabilirsiniz.
E-Bülten Üyeliği
Duyurulardan e-posta ile
haberdar olmak istiyorum.
Reklam Reklam Ver
Arşiv