Araştırmacılar, X ışınlarını (resimde yeşil) kullanarak kagome metali TbV6Sn6 üzerinde 3D sinema benzeri efektler yarattılar. Bu sayede elektronların davranışını (resimde mavi ve sarı) takip etmeyi başardılar ve kuantum malzemelerinin anlaşılmasında bir adım ileri gittiler. Kredi: Jörg Bandmann/ct.qmat)
Bilim adamlarından oluşan uluslararası bir ekip, topolojik malzemelerin bir özelliğini deneysel olarak doğrulamayı başardı.
Bilim adamları dünyanın dört bir yanından topolojik malzemelerin benzersiz bir özelliğini deneysel olarak doğruladılar. “3D gözlük” benzeri teknoloji ve parçacık hızlandırıcıları kullanarak, bir elektronun topolojisi ile kuantum mekaniksel özellikleri arasındaki ilişkiyi başarıyla görselleştirerek, bu geleceğe odaklı malzemeleri anlamada önemli bir adım attılar.
Topolojik kuantum malzemeleri, enerji tasarruflu elektronikler ve geleceğin yüksek teknolojisi için bir umut ışığı olarak görülüyor. Bu malzemelerin tanımlayıcı bir özelliği, yüzeylerinde spin-polarize elektronları iletirken iç kısımlarında iletken olmama yetenekleridir. Bunu bir perspektife oturtmak gerekirse: Spin-polarize elektronlarda içsel açısal momentum, yani parçacıkların dönüş yönü (spin) tamamen rastgele hizalanmaz.
Topolojik malzemeleri geleneksel olanlardan ayırmak için bilim adamları, yüzey akımlarını incelemek için kullanılır. Bununla birlikte, bir elektronun topolojisi, kuantum mekanik dalga özellikleri ve dönüşü ile yakından bağlantılıdır. Bu ilişki artık doğrudan fotoelektrik etki aracılığıyla kanıtlanmıştır – elektronların metal gibi bir malzemeden ışık yardımıyla salındığı bir fenomen.
Elektronların Topolojisini “3 Boyutlu Gözlüklerle Görüntüleme” ”
Prof. Würzburg’daki ct.qmat’ın kurucu üyelerinden ve projedeki teorik fizikçilerden biri olan Giorgio Sangiovanni, bu keşfi elektronların topolojisini görselleştirmek için 3D gözlük kullanmaya benzetti. Açıkladığı gibi: “Elektronlar ve fotonlar, kuantum mekaniksel olarak hem dalgalar hem de parçacıklar olarak tanımlanabilir. Bu nedenle elektronların, fotoelektrik etki sayesinde ölçebildiğimiz bir dönüşü vardır.”
Bunu yapmak için ekip, dairesel polarize X-ışını ışığı, yani bir torka sahip hafif parçacıklar kullandı. Sangiovanni şöyle açıklıyor: “Bir foton bir elektronla karşılaştığında, kuantum materyalinden gelen sinyal, fotonun sağ mı yoksa sol-elli mi polarizasyona sahip olduğuna bağlıdır. Başka bir deyişle, elektronun dönüşünün yönü, sol ve sağ polarize ışınlar arasındaki sinyalin göreli gücünü belirler. Dolayısıyla bu deney, farklı yönlendirilmiş ışık huzmelerinin de kullanıldığı bir 3 boyutlu sinemadaki polarize camlar gibi düşünülebilir. ‘3D gözlüklerimiz’ elektronların topolojisini görünür kılıyor.”
Würzburg-Dresden Mükemmellik Kümesi ct.qmat – Kuantum Maddesinde Karmaşıklık ve Topoloji’nin başkanlığında – bu çığır açan deney, teorik açıklamasıyla birlikte, kuantum malzemelerini topolojik olarak karakterize etmede ilk başarılı girişimdir. Sangiovanni, deneyde bir parçacık hızlandırıcının temel rolüne dikkat çekiyor: “Bu özel X-ışını ışığını oluşturmak ve ‘3D sinema’ efektini yaratmak için senkrotron parçacık hızlandırıcısına ihtiyacımız var.”
Kuantum Maddesi , Parçacık Hızlandırıcıları ve Süper Bilgisayarlar
Bu muazzam başarıya giden yolculuk, araştırmacılar için üç yıllık bir süreyi kapsıyordu. Başlangıç noktaları, bir kuantum malzemesi olan kagome metali TbV6Sn6 idi. Bu özel malzeme sınıfında atomik kafes, bir Japon sepet örgüsünü anımsatan bir yapıda üçgen ve bal peteği kafeslerin bir karışımına sahiptir. Kagome metalleri, ct.qmat’ın malzeme araştırmasında önemli bir rol oynuyor.
“Deneysel meslektaşlarımız senkrotron deneyine başlamadan önce, doğru yolda olduğumuzdan emin olmak için sonuçları simüle etmemiz gerekiyordu. İlk adımda, teorik modeller tasarladık ve bir süper bilgisayarda hesaplamalar yaptık,” diyor proje lideri ve aynı zamanda Würzburg İşbirlikçi Araştırma Merkezi (SFB) 1170 ToCoTronics’in ortak üyesi olan teorik fizikçi Dr. Domenico di Sante. Ölçümlerden elde edilen bulgular, teorik tahminlerle mükemmel bir şekilde örtüşerek ekibin kagome metallerinin topolojisini görselleştirmesine ve doğrulamasına olanak sağladı.
Uluslararası İşbirliği
Araştırma projesi, İtalya’dan (Bologna) bilim adamlarını içeriyordu. , Milano, Trieste, Venedik), Birleşik Krallık (St. Andrews), ABD (Boston, Santa Barbara) ve Würzburg. Simülasyonlar için kullanılan süper bilgisayar Münih’te ve senkrotron deneyleri Trieste’de yapıldı. Prof. Sangiovanni, “Bu araştırma bulguları, teorik ve deneysel fiziğin birlikte çalışırken üretebileceği olağanüstü sonuçları mükemmel bir şekilde gösteriyor” diye sözlerini tamamlıyor.
Referans: “İki katmanlı kagome metallerde düz bant ayrımı ve güçlü spin Berry eğriliği”, Domenico Di Sante, Chiara Bigi, Philipp Eck, Stefan Enzner, Armando Consiglio, Ganesh Pokharel, Pietro Carrara, Pasquale Orgiani, Vincent Polewczyk, Jun Fujii, Phil D.C. King, Ivana Vobornik, Giorgio Rossi, Ilija Zeljkovic, Stephen D. Wilson, Ronny Thomale , Giorgio Sangiovanni, Giancarlo Panaccione ve Federico Mazzola, 18 Mayıs 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023-02053-z