Yeni kuantum fenomeninin keşfi, grafen elektronlarının temel sınırlarını ortaya çıkaracak
Manchester Üniversitesi, Nottingham Üniversitesi ve Loughborough Üniversitesi'nden bilim adamları, grafen elektroniğinin temel sınırlarını anlamaya yardımcı olan bir kuantum fenomeni keşfettiler. Nature Communications'da yayınlanan araştırma, tek atomlu pul grafendeki elektronların altıgen kafesi oluşturan titreşimli karbon atomlarını nasıl dağıttığını açıklıyor. Grafen düzlemine dikey bir manyetik alan uygulayarak, akım taşıyan elektronlar kapalı bir dairesel "siklotron" yörüngesine girmeye zorlanır. Saf grafende, elektronların yörüngeyi terk etmelerinin tek yolu, bir saçılma olayında "fononlar" aracılığıyla geri sekmektir.
Bu fononlar, parçacık benzeri enerji ve momentum ışınlarıdır ve titreşen karbon atomlarıyla ilişkili ses dalgalarının kuantumudur. Grafen kristalleri çok düşük sıcaklıklarda ısındığında, fonon sayısı artacaktır. Araştırma ekibi, grafen tabakasından küçük bir akım geçirerek, saçılma olayında elektronlar ve fononlar arasında aktarılan enerjiyi ve momentumu doğru bir şekilde ölçebildi.
Deney, iki tür fonon saçılım elektronunu ortaya çıkardı: karbon atomlarının fononların yayılımına ve dalga yönüne dik olarak titreştiği enine fononlar (TA) (su üzerindeki yüzey dalgalarına biraz benzer); boyuna fononlar (LA), Karbon atomları fononlar ve dalgalar yönünde ileri geri titreşir (bu hareket bir dereceye kadar havadaki ses dalgalarının hareketine benzer).
Bu ölçümler, bu iki fonon hızının çok doğru ölçümlerini sağlar, aksi takdirde tek bir atomik katmanı ölçmek zor olurdu. Deneyin önemli bir sonucu, yanal fonon fonon saçılmasının boylamasına fonon saçılmasından daha iyi olmasıdır. Genellikle magnon salınımı olarak adlandırılan bu gözlemlenen fenomen, grafenin keşfedilmesinden yıllar önce yarı iletkenlerde ölçülmüştür. Kuantum Hall etkisinden önce gelen ve 50 yıldan daha uzun bir süre önce bilinen en eski kuantum taşınım olaylarından biridir. Grafenin birçok yeni ve tuhaf elektronik özelliği olmasına rağmen, bu oldukça basit fenomen henüz keşfedilmemiştir.
Çalışmanın ortak yazarları Lawrence Eves ve Roshan Krishna Kumar şunları söyledi: Grafende kuantum taşınması üzerine çok sayıda literatürü göz önünde bulundurarak, grafende böylesine önemli bir magnon salınımı bulduğumuz için çok şaşırdık. Ayrıca, insanların onları neden daha önce görmedikleri konusunda da kafamız karıştı. İki anahtar faktör gereklidir: İlk olarak, ekibin Ulusal Grafen Enstitüsünde geniş alanlı, yüksek kaliteli grafen transistörleri üretmesi gerekir Cihazın boyutu birkaç mikrondan küçükse, bu fenomen gözlemlenemez. İlk yazar, Manchester Üniversitesi'nden Piranavan Kumaravadivel şunları söyledi: Kuantum taşıma deneylerinin ilk günlerinde, insanlar makroskopik, milimetre boyutlu kristalleri incelemeye alışmışlardı.
Çoğu grafen kuantum taşınımı çalışmasında, incelenen cihazlar genellikle sadece birkaç mikron boyutundadır. Görünüşe göre daha büyük grafen cihazları yapmak sadece uygulamalar için değil, aynı zamanda temel araştırmalar için de önemli. İkinci faktör sıcaklıktır. Çoğu grafen kuantum nakil deneyleri, titreşen karbon atomlarını yavaşlatmak ve normalde kuantum tutarlılığını bozacak olan fononları "dondurmak" için aşırı soğuk sıcaklıklarda gerçekleştirilir. Bu nedenle grafen ısıtılır çünkü bu etkiyi yaratmak için fononların aktive edilmesi gerekir. Bu sonuç çok heyecan verici ve fononların özelliklerini ve iki boyutlu kristallerdeki heteroyapılarını keşfetmenin yeni bir yolunu açıyor.
