Araştırmacılar, son çalışmalarında teorik fizik kullanılarak tahmin edilen ve kuadrupol topolojik izolatörler olarak adlandırılan yeni bir madde fazının “insan ölçeği” gösterisini ortaya koydular. Teorinin doğrulanmasında bu ilk deneysel bulgular kanıtlayıcı etki oluşturuyor.
Araştırmacılar bulgularını Nature Dergisi’ne açıkladı
Ekipin QTI’lerle çalışması, topolojik izolatörler adı verilen bir malzeme sınıfının on yıl önceki özelliklerinin yeniden gündeme gelmesi anlayışından doğmuştur.
Kıdemli Araştırmacı, Mekanik Bilim ve Mühendislik Profesörü Gaurav Bahl: “TI’lar, iletkenlerin içleri ve sınırları boyları elektrik izolatörleridir. Hepsi atomik ölçekte tanımlanan düşük güçlü, sağlam bilgisayarlar ve aygıtlar oluşturmak için büyük bir potansiyele sahip olabilirler. TI’ların nadir özellikleri onları özel bir elektronik madde haline getirmektedir.” dedi.
Fizik Profesörü Taylor Hughes: “Elektron koleksiyonları materyaller içinde kendi fazlarını oluşturabilir. Bunlar su gibi tanıdık katı, sıvı ve gaz fazları olabilir, ancak bazen bir TI gibi daha sıra dışı fazlar oluşturabilirler”
Hughes, “TI’lar tipik olarak kristalli materyallerde bulunurlar. Diğer çalışmalar doğal olarak meydana gelen kristallerde TI fazlarını doğrular. Ancak yine de teyit edilmesi gereken birçok teorik tahmin vardır,” diye ekliyor.
Böyle bir tahmin, bir kuadrupol momenti olarak bilinen bir elektriksel özelliğe sahip yeni bir TI tipinin varlığını işaret ediyor.
Fizik yüksek lisans öğrencisi Wladimir Benalcazar, “Elektronlar bir malzemede yük taşıyan tek parçacıklardır. Kristallerdeki elektronların, sadece dipol ünitelerini yani pozitif ve negatif yükleri birleştirmekle kalmadı. Aynı zamanda dört veya sekiz şarjın bir birime getirildiği yüksek mertebeden çoklu kutupların artmasını da beraberinde getirebileceğini bulduk. Bu üst düzey sınıfların en basit üyesi, iki pozitif ve iki negatif yükün birleştirildiği dört kutuplardır. ” dedi.
Halihazırda elektronların dört kutuplu davranışı kontrol edildiğinde atomu denetlemek şu anda mümkün değildir. Bunun yerine, ekip, baskılı devre kartlarından oluşturulan bir malzeme kullanarak QTI’nın uygulanabilir ölçekli bir analogunu oluşturdu.
Her bir devre kartı, aynı frekanstaki bir elektromanyetik radyasyonu emen dört aynı rezonatörden oluşan bir kare tutuyor. Levhalar tam kristal analogu oluşturmak için bir ızgara düzeninde düzenleniyor.
Elektrik mühendisliği lisans öğrencisi ve makale baş yazarı Kitt Peterson. “Her rezonatör bir atom gibi davranır. Aralarındaki bağlantılar atomlar arasındaki bağlar gibidir. Sisteme radyasyon uyguluyoruz. Her bir rezonatör tarafından ne kadar absorbe edildiğini ölçüyoruz. Bu da bize elektronların analog bir kristalde nasıl davranacağını anlatıyor. Daha fazla mikrodalga radyasyonu bir rezonatör tarafından emiliyorsa, karşılık gelen atomda bir elektron bulmak daha olasıdır.”
Araştırmacılara göre, buradaki bir QTI olan ve bir TI olmayan ayrıntı, rezonatörlerin arasındaki bağlantıların bir sonucu.
Bahl, “Bir QTI’nın kenarları, tipik bir TI’de göreceğiniz gibi iletken değildir. Sadece köşeler aktiftir. Yani kenarlardır. Dört yerel nokta masrafına benzerdir. Dört kutuplu bir an olarak bilinen form tam olarak Taylor ve Wladimir’in öngördüğü gibidir. “dedi.
Peterson, “QTI’mızdaki her rezonatörün ne kadar mikrodalga radyasyonunu absorbe ettiğini ölçtük. Rezonans durumlarını kesin bir frekans aralığında doğrulayarak ve tam olarak köşelere yerleştirdik. Bu yeni elektronik madde aşamasının köşe ücretleri, iletişim ve bilgi işlem için veri depolama kapasitesine sahip olabilir.”
Hughes, “İnsan ölçeğindeki modelimizi kullanarak gerçekçi görünmeyebilir. Ancak, QTI’ları atom ölçeğinde düşündüğümüzde, hesaplama ve bilgi işlemeyi gerçekleştiren cihazlar için, muhtemelen bugün elde edebileceğimizin altındaki ölçeklerde bile muazzam olasılıklar ortaya çıkıyor.” dedi.
Araştırmacılar, deney ve tahmin arasındaki anlaşmanın, bilim adamlarının pratik kullanım için yeterince iyi QTI’lerin fiziğini anlamaya başladıklarını vaat ettiğini belirttiler.
Hughes, “Teorik fizikçiler olarak, Wladimir ve ben bu yeni madde formunun varlığını tahmin edebildik. Ancak şu ana kadar bu özelliklere sahip hiçbir materyal bulunmadı. Mühendislerle işbirliği yapmak, tahminimizi gerçeğe dönüştürmemize yardımcı oldu.” dedi.
Ulusal Bilim Vakfı ve ABD Deniz Araştırmaları Ofisi bu çalışmayı destekledi.
