Araştırmacılar, hafniyum pentatellurit (HfTe₅) isimli kristalde yeni bir kuantum madde fazı olan eksitonik yalıtkanı laboratuvarda gözlemledi.
Maddenin bilinen halleri olan katı, sıvı, gaz, plazma ve Bose-Einstein yoğunlaşmasına bir yenisi eklendi. Bose-Einstein Yoğunlaşması, bazı parçacıkların (özellikle bozonların) çok düşük sıcaklıklarda, yani mutlak sıfıra (0 Kelvin) çok yakın koşullarda, kuantum düzeyde aynı enerji durumuna geçerek birlikte davranmaya başlamasına deniyor.
Bu yeni kuantum madde hali, elektronların ve bıraktıkları pozitif boşlukların aynı yönde dönerek eşleşmesiyle oluşuyor. Bu eşleşme, ışık yayan yarı-parçacıklardan oluşan özel bir akışkan ortaya çıkarıyor.
1965 yılında öne sürülen eksitonik yalıtkan teorisi, yarı iletkenlerdeki elektronların ve geride kalan boşlukların birbirini çekerek birlikte bir yapı oluşturabileceğini söylüyordu.
Ama bu durum uzun süre laboratuvarda gözlemlenemedi çünkü gereken koşulları sağlamak çok zordu.
Eksitonik fazların ortaya çıkması için termal enerjinin çok düşük olması gerekiyor. Sıcaklık arttıkça, elektron ve boşluk çiftleri arasındaki bağlar kopar. Bu çiftlerin kararlı şekilde oluşması ve birlikte davranabilmesi için sistemin neredeyse mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda tutulması gerekiyor.
Kaliforniya Üniversitesinden Prof. Luis A. Jauregui ve ekibi, bu hali gözlemlemek için hafniyum pentatellurit (HfTe₅) adındaki özel bir malzemeyi kullandı. Bu malzeme, elektronlar ve boşlukların çift oluşturması için uygun bir ortama sahip çünkü içinde güçlü manyetik etkiler ve dar bir enerji aralığı vardı.
Araştırmacılar, bu kristali çok düşük sıcaklıklara soğutup çok güçlü manyetik alanlara maruz bırakarak “ultra-kuantum” denen sınıra ulaştı. Bu ortamda, enerji seviyeleri ayrıldı ve farklı spin yönlerine sahip elektronlarla boşluklar çakışmaya başladı.
Bu yeni madde hali süperiletken olmasa da, yüklü olmayan eksiton çiftleri bir devrede birbirine çarpmadan hareket edebiliyor. Eksiton çiftleri, bir yarı iletkende bir elektron ile onun geride bıraktığı pozitif boşluğun (hole) birbirini elektrostatik olarak çekerek oluşturduğu kuantum mekaniksel bağlı durumuna deniyor. Bu özellik, bilgisayarlarda ve elektroniklerde ısınma sorununu azaltabilecek yeni teknolojilerin yolunu açabilir.
Elektron ile boşluk arasındaki bağlanmış çiftlerden oluşan eksitonlar, elektriksel olarak nötr oldukları için geleneksel akım taşıyıcılarının aksine devrelerde hareket ederken enerji kaybına neden olmaz. Bu özellik, ısınma sorununun ciddi bir engel oluşturduğu mikroçip mimarilerinde, çok daha verimli ve düşük enerjili işlemcilerin önünü açabilir.
Yeni madde fazı eksiton sıvıları doğal olarak ışıkla etkileşebiliyor. Kristalin içinde, çiftlerin yeniden birleşmesiyle morötesi bölgede fotonlar yayılıyor. Bu ışık, entegre diyotlar tarafından toplanabiliyor.
Böyle bir çip, boşta çalışırken kendini şarj edebiliyor. Eksiton çiftleri bozunduğunda foton (ışık parçacığı) yayar. Bu özellik sayesinde; üretilen morötesi fotonlar, entegre diyotlarla toplanıp tekrar elektrik enerjisine çevrilebilir ve böylece, çip boşta çalışırken bile kendini şarj edebilir.
Kaynak: Earth
