•Friedrich Schiller Üniversitesi Jena ile Regensburg Üniversitesi’nde çalışan araştırmacılar, ışık kullanarak uzun süredir erişilmesi zor olan bir elektron özelliğini belirleme yöntemini geliştirdi. Yöntem, elektronların kuantum mekaniksel durumlarının belirli geometrik özelliklerini tanımlayan Berry eğriliği olarak bilinen niceliğin ölçümüne odaklanıyor. Araştırmacılar, bu özelliği tek atom katmanı kalınlığında yarı iletken volfram diselenidin bir tabakasında ultrakısa lazer darbeleriyle ölçtü.
Bu çalışma, Nature Photonics dergisinin son sayısında yayımlanarak kamuoyuyla paylaşıldı.
Küçük ve karmaşık bir kuantum özelliği
Kristal içindeki elektronlar, sabit yollar boyunca hareket eden küçük parçacıklar gibi davranmaz. Davranışları kuantum mekaniksel durumlar tarafından belirlenir. Araştırmacılar, bu durumların geometrik özelliklerini “quantum geometry” (kuantum geometrisi) terimi altında toplar. Bu çerçevede önemli parametrelerden biri Berry eğriliğidir ve diğer yan etkilerinin yanı sıra elektronların ışığa veya elektrik alanlarına nasıl tepki verdiğini etkiler.
Bu güne kadar Berry eğriliği çoğunlukla teorik olarak hesaplanmış veya nispeten karmaşık deneysel yöntemlerle incelenmişti. Jena ve Regensburg ekibi farklı bir yol izliyor: Optik ölçümleri analiz modeliyle birleştirerek malzemenin yerel Berry eğriliğini niceliksel biçimde tahmin edebiliyor.
“Deneyssel olarak belirlemesi uzun süredir zor olan bir kuantum özelliğini erişilebilir kılmak istedik,” diyor çalışmanın baş yazarı ve Jena Üniversitesi Katı Hal Fizği Enstitüsü’nden Nele Tornow. “Yöntemimizi özel kılan şey, optik deneyi teorik modelle birleştirerek Berry eğriliğine ait kesin bir değer elde etmemiz.”
İki lazer darbe ölçüm sinyalini üretiyor
Deneyleme için araştırmacılar, incelenen katmanı bir nanometreden ince olan yarı iletken volfram diselenidi kullandı. Bu atomik düzeyde incele malzemeler ışığa özellikle güçlü tepki verir ve dolayısıyla nonlinear optik deneyler için uygunlardır.
Ekip, numuneye iki ultrakısa lazer darbe yönlendirdi. İlk darbe malzemenin elektronik durumlarını çok kısa bir süreliğine değiştirir. İkincisi ise bu değişikliği optik biçimde algılar. Bu süreç, gelen ışığın frekansının iki katında ışık üretir. Araştırmacılar, bu ışığın kutuplaşmasından—basitçe ifade etmek gerekirse ışığın nasıl salındığından Berry eğriliği hakkında bilgi edinir.
Efekt birkaç yüz femtosaniye içinde gerçekleşir. Bir femtosaniye, bir milyarının milyonluncusudur. Ekip, ilk darpın döndüğü yönü değiştirdiğinde, yani halkalı kutuplaşmış lazer darbelerinin dönüş yönünü çevirdiğinde, ölçülen sinyalin işareti de tersine döner. Ölçüm verilerinden hesaplanan Berry eğriliği, teorik hesaplamalarla uyumluydu.
“Bu optik yöntemle bu tür özellikleri son derece kısa zaman ölçeklerinde inceleyebiliyoruz,” diyor Jena Üniversitesi Katı Hal Fizği Enstitüsü’nün ve Abbe Fotonik Merkezi’nden Giancarlo Soavi. “Bu sayede gelecekte malzemenin kuantum geometrisinin çok hızlı süreçler sırasında nasıl değiştiğini takip edebileceğiz.”
Dişer malzemeler için de geçerli
Deneyleme volfram diselenitle gösterilmiş olsa da, araştırmacılar temel yaklaşımın bu malzeme sınıfıyla sınırlı olmadığını belirtiyor. Hem ölçüm ilkesi hem de Regensburg Üniversitesi’ndeki araştırmacılarla işbirliği içinde geliştirilen model, ilk bakışta diğer malzemeler için uygulanabilir. Uzun vadede yöntem, elektronik durumların geometrik özelliklerini daha ayrıntılı biçimde incelemeye ve bunların hızlı optik süreçlerdeki davranışlarını daha iyi anlamaya yardımcı olabilir.
Bądź pierwszą osobą, która skomentuje
Rozwiń swoją myśl za pomocą źródła, pytania lub konstruktywnego kontrargumentu.