Labmedya - Laboratuvar ve Sağlık Gazetesi

Eğer gereken koşullar tam anlamıyla yerine getirildiyse elektronlardan bazıları birbirlerine sıkı sıkıya yaklaşacak ve bir petek gibi düzenli bir şekil oluşturacaklar. Neredeyse 90 yıl önce Macar doğumlu teorisyen Eugune Wigner tarafından ilk defa görülen ve adını da buradan alan “Wigner Kristalleri” fizikçiler tarafından sonunda görüntülenebildi.

Bu zamana kadar hiçbir kamera kristalin görüntüsünü elde edememişti. Bu yüzden bilim insanları daha yaratıcı olmalıydılar. Fotoğrafı çekebilmek için, kilitli elektronların küçük bir elektrik tepkisine verdikleri tepkiyi gözlemleyerek yerlerini tespit ettiler. Bunu yapabilmek için de Taramalı Tünelleme Mikroskobu (TTM) kullanarak şipşak fotoğraf çektiler. Açıkçası deneyle ilgisi olmayan TTM’yi kullanmak çok akıllıcaydı, sonuçta bu zamana kadar kimse akıl edememişti.

Wigner Kristalleri’ni oluşturabilmek için Wang'ın ekibi, iki benzer yarı iletkenden atom inceliğinde katmanlar içeren bir cihaz yaptı: Tungsten disülfit ve Tungsten diselenide. Ekip daha sonra iki katman arasındaki arayüz boyunca serbestçe hareket eden elektronların yoğunluğunu ayarlamak için bir elektrik alanı kullandı. Sıradan malzemelerde elektronlar, negatif yükleri arasındaki itmeden önemli ölçüde etkilenmek için çok hızlı yakınlaşırlar. Ancak Wigner, elektronlar yeterince yavaş hareket ederse, bu itmenin davranışlarına hâkim olmaya başlayacağını öngördü. Elektronlar daha sonra petek deseni gibi toplam enerjilerini en aza indiren düzenlemeler bulur. Böylece Wang ve meslektaşları, cihazlarındaki elektronları mutlak sıfırın sadece birkaç derece üzerinde olacak şekilde soğutarak yavaşlattılar. Cihazdaki iki katman arasındaki uyumsuzluk, elektronların Wigner kristalleri oluşturmasına ayrıca yardımcı oldu. İki yarı iletken katmandaki her atom birbirinden biraz farklı mesafededir. Bu nedenle onları bir araya getirmek, iki ızgara kaplanırken petek görünümüne benzer bir “hareli desen” oluşturur. Bu tekrar eden model, elektronların yerleşmesine yardımcı olan, biraz daha düşük enerjili bölgeler oluşturur.

Grafen Hilesi

Ekip Wigner Kristalleri’ni görmek için TTM kullanmıştı. Bir TTM'de, bir metal uç, bir numunenin yüzeyinin üzerinde durur ve bir voltaj elektronların uçtan aşağı atlamasına ve bir elektrik akımı oluşturmasına neden olur. Uç yüzey boyunca hareket ettikçe, akımın değişen yoğunluğu numunedeki elektronların yerini ortaya çıkarır. TTM'yi doğrudan çift katmanlı cihaza uygulayarak Wigner kristalini görüntülemeye yönelik ilk girişimler başarısız oldu. Wang’e göre bunun nedeni ise akımın kırılgan Wigner düzenlemelerini yok etmesiydi. Böylece ekip, üstüne tek atomlu bir karbon tabakası olan bir grafen tabakası ekledi. Wigner kristalinin varlığı, doğrudan üstte bulunan grafenin elektron yapısını biraz değiştirdi ve bu daha sonra TTM tarafından yakalandı. Görüntüler, altta yatan Wigner elektronlarının düzgün düzenini açıkça göstermektedir. Wigner Kristali’ndeki ardışık elektronlar, yarı iletken cihazın gerçek kristallerindeki atomlarından yaklaşık 100 kat daha uzaktadır.

Aslına bakılırsa araştırmacılar daha önce inandırıcı bir şekilde Wigner Kristalleri’ni oluşturmuşlardı ve özelliklerini incelemişlerdi, fakat çalışmanın eş yazarlarından fizikçi Feng Wang (Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley) bu zamana kadar kimsenin desenlerin şipşak fotoğrafını sunmadığını belirtti. Wang, “Eğer bir elektron kristalin olduğunu söylüyorsan kristalini göster bana” dedi. Araştırmalar 29 Eylül 2021’de Nature’da yayınlandı.

Kaynak: https://www.nature.com/articles/d41586-021-02657-6