Çarşamba, Nisan 17, 2024
Ana Sayfa arşiv 'Kuantum Çığ', İletken Olmayanların Nasıl İletkenlere Dönüştüğünü Açıklıyor

‘Kuantum Çığ’, İletken Olmayanların Nasıl İletkenlere Dönüştüğünü Açıklıyor

Yalnızca atom altı parçacıklarına bakıldığında, çoğu malzeme iki kategoriden birine yerleştirilebilir.

Metaller – bakır ve demir gibi – elektriği iletmelerine izin veren serbest akışlı elektronlara sahipken, cam ve kauçuk gibi yalıtkanlar elektronlarını sıkı bir şekilde bağlı tutar ve bu nedenle elektriği iletmezler.

Yalıtkanlar, yoğun bir elektrik alanıyla vurulduğunda metallere dönüşerek mikroelektronik ve süper hesaplama için heyecan verici olanaklar sunabilir, ancak dirençli anahtarlama olarak adlandırılan bu fenomenin arkasındaki fizik iyi anlaşılmamıştır.

Ne kadar büyük bir elektrik alanına ihtiyaç duyulduğu gibi sorular, University at Buffalo yoğun madde teorisyeni Jong Han gibi bilim adamları tarafından hararetle tartışılıyor.

“Buna takıntılı oldum” diyor.

Fen Edebiyat Fakültesi’nde fizik profesörü olan PhD Han, yalıtkandan metale geçişler hakkında uzun süredir devam eden bir gizemi yanıtlamak için yeni bir yaklaşım benimseyen bir çalışmanın baş yazarıdır. “Boşluk içi merdiven durumları yoluyla kuantum çığına bağlı olarak ilişkili yalıtkan çökmesi” başlıklı çalışma Mayıs ayında yayınlandı.

Kuantum yolu, elektronların bantlar arasında hareket etmesine izin verir

Han, metaller ve yalıtkanlar arasındaki farkın, elektronların kuantum parçacıkları olduğunu ve enerji seviyelerinin yasak boşluklara sahip bantlarda geldiğini belirten kuantum mekanik ilkelerinde yattığını söylüyor.

1930’lardan beri, Landau-Zener formülü, bir yalıtkanın elektronlarını alt bantlarından üst bantlarına itmek için gereken elektrik alanının boyutunu belirlemek için bir plan görevi gördü.

Ancak on yıllardır yapılan deneyler, malzemelerin Landau-Zener formülünün tahmin ettiğinden çok daha küçük – yaklaşık 1000 kat daha küçük – gerektirdiğini gösterdi.

Han, “Yani, büyük bir tutarsızlık var ve daha iyi bir teoriye ihtiyacımız var” diyor.

Bunu çözmek için Han farklı bir soru düşünmeye karar verdi: Bir yalıtkanın üst bandında bulunan elektronlar itildiğinde ne olur?

Han, üst bantta elektronların varlığını açıklayan dirençli anahtarlamanın bir bilgisayar simülasyonunu yürüttü.

Nispeten küçük bir elektrik alanının, alt ve üst bantlar arasındaki boşluğun çökmesini tetikleyebileceğini ve elektronların bantlar arasında yukarı ve aşağı gitmesi için bir kuantum yolu oluşturabileceğini gösterdi.

Bir benzetme yapmak gerekirse Han, “İkinci bir katta bazı elektronların hareket ettiğini hayal edin.

Zemin bir elektrik alanı tarafından eğildiğinde, elektronlar yalnızca hareket etmeye başlamakla kalmaz, aynı zamanda daha önce yasaklanmış kuantum geçişleri açılır ve zeminin kararlılığı birdenbire bozularak farklı katlardaki elektronların yukarı ve aşağı akmasına neden olur.

“O zaman soru artık alt kattaki elektronların nasıl yukarı sıçradığı değil, daha yüksek katların bir elektrik alanı altındaki kararlılığıdır.”

Han, bu fikrin Landau-Zener formülündeki bazı tutarsızlıkları çözmeye yardımcı olduğunu söylüyor.

Ayrıca, elektronların kendilerinden veya aşırı ısıdan kaynaklanan yalıtkandan metale geçişler hakkındaki tartışmaya bir miktar açıklık sağlar. Han’ın simülasyonu, kuantum çığının ısı tarafından tetiklenmediğini öne sürüyor.

Bununla birlikte, tam yalıtkandan metale geçiş, elektronların ve fononların ayrı sıcaklıkları – kristalin atomlarının kuantum titreşimleri – dengelenene kadar gerçekleşmez.

Han, bunun elektronik ve termal anahtarlama mekanizmalarının birbirinden ayrı olmadığını, bunun yerine aynı anda ortaya çıkabileceğini gösteriyor.

Han, “Yani, tüm bu dirençli anahtarlama fenomeninin bir köşesini anlamanın bir yolunu bulduk” diyor. “Ama bence bu iyi bir başlangıç ​​noktası.”

Araştırma mikroelektronikleri geliştirebilir

Çalışma, deneysel bağlam sağlayan UB Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’nda profesör ve elektrik mühendisliği başkanı olan PhD Jonathan Bird tarafından ortak yazılmıştır.

Ekibi, düşük sıcaklıklarda yeni durumlar sergileyen ve araştırmacılara elektriksel davranışı yöneten karmaşık fizik hakkında çok şey öğretebilecek yeni ortaya çıkan nanomalzemelerin elektriksel özelliklerini inceliyor.

Bird, “Çalışmalarımız yeni malzemelerin fiziği hakkındaki temel soruları çözmeye odaklanırken, bu malzemelerde ortaya çıkardığımız elektriksel olaylar, yapay zeka gibi veri yoğun uygulamalarda kullanım için kompakt bellekler gibi yeni mikroelektronik teknolojilerin temelini sağlayabilir” diyor.

Araştırma, insan sinir sisteminin elektriksel stimülasyonunu taklit etmeye çalışan nöromorfik hesaplama gibi alanlar için de çok önemli olabilir. Bird, “Ancak, odak noktamız öncelikle temel fenomenolojiyi anlamaktır” diyor.

Diğer yazarlar arasında UB fizik doktora öğrencisi Xi Chen; Fizik alanında doktorası olan ve şu anda Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nde postdoc olan Ishiaka Mansaray ve elektrik mühendisliği alanında doktorası olan ve şu anda Japonya’daki Riken araştırma enstitüsünde postdoc olan Michael Randle.

Diğer yazarlar arasında Lozan’daki İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü’nü temsil eden uluslararası araştırmacılar, Pohang Bilim ve Teknoloji Üniversitesi ve Temel Bilimler Enstitüsü Karmaşık Sistemlerin Teorik Fiziği Merkezi bulunmaktadır.

Han, makaleyi yayınladığından beri bilgisayarın hesaplamalarına çok iyi uyan analitik bir teori geliştirdi. Yine de, bir kuantum çığının gerçekleşmesi için gereken kesin koşullar gibi araştırması gereken daha çok şey var.

Han, “Bir deneyci olan biri bana ‘Bunu neden daha önce görmedim?’ diye soracak” diyor. “Bazıları görmüş olabilir, bazıları görmemiş olabilir. Bunu çözmek için önümüzde çok iş var.”

BENZER KONULAR

X-Işını Astronomisinde Paradigma Değişimi

- Advertisement - 9 Ocak 2024’te fırlatılan Einstein Sondası, ESA ve MPE’nin katkılarıyla Çin Bilimler Akademisi liderliğindeki bir ortak girişimdir. Amacı, kozmik olaylardan kaynaklanan X-ışını...

Gücün Sınırlarına Meydan Okuyan Lazer Yapımı Metaller

- Advertisement - Lazer bazlı katmanlı üretim yoluyla üretilen yenilikçi yüksek entropili alaşımlar, endüstriyel uygulamalar için benzeri görülmemiş bir güç ve esneklik sunar. Gelişmiş tekniklerle...

Hücresel atık yönetimi ve yaşlanmada otofaji genlerinin yeni rolleri

Yaşla birlikte azalan otofaji, araştırmacıların daha önce şüphelendiğinden daha fazla gizemi barındırıyor olabilir. Buck Enstitüsü, Sanford Burnham Prebys ve Rutgers Üniversitesi'nden bilim adamlarının, yanlış...
- Advertisment -

Son Eklenenler

X-Işını Astronomisinde Paradigma Değişimi

- Advertisement - 9 Ocak 2024’te fırlatılan Einstein Sondası, ESA ve MPE’nin katkılarıyla Çin Bilimler Akademisi liderliğindeki bir ortak girişimdir. Amacı, kozmik olaylardan kaynaklanan X-ışını...

Gücün Sınırlarına Meydan Okuyan Lazer Yapımı Metaller

- Advertisement - Lazer bazlı katmanlı üretim yoluyla üretilen yenilikçi yüksek entropili alaşımlar, endüstriyel uygulamalar için benzeri görülmemiş bir güç ve esneklik sunar. Gelişmiş tekniklerle...

Hücresel atık yönetimi ve yaşlanmada otofaji genlerinin yeni rolleri

Yaşla birlikte azalan otofaji, araştırmacıların daha önce şüphelendiğinden daha fazla gizemi barındırıyor olabilir. Buck Enstitüsü, Sanford Burnham Prebys ve Rutgers Üniversitesi'nden bilim adamlarının, yanlış...

Antibiyotik Direnci Araştırmalarında Oyunun Kurallarını Değiştirecek Bir Şey

Antibiyotiğe dirençli bakterilerle mücadeledeki potansiyeli nedeniyle incelenen bir bakteriyofaj olan φX174, alternatif antibiyotiklerin geliştirilmesine yönelik yeni bilgiler sunuyor. yaşında COVID-19kelime "virüs” bulaşma, hastalık ve hatta...