Uluslararası bir araştırma ekibi, benzersiz bir nadir toprak malzemesinde polaron adı verilen, bulunması zor bir kuazi parçacık keşfederek kuantum fiziğinde uzun süredir devam eden bir bulmacayı çözdü. Kiel Üniversitesi ve DESY araştırma merkezinden Profesör Kai Rossnagel'in de aralarında bulunduğu bilim insanlarının yaptığı keşif, bu malzemenin elektrik ileten bir metalden mükemmel bir yalıtkan haline nasıl aniden geçebildiğini açıklıyor.
Gizem, tulyum, selenyum ve tellürden (TmSe1-xTex) oluşan bir bileşik etrafında dönüyordu. Fizikçiler, bu malzemenin tellür içeriği yaklaşık yüzde 30'a ulaştığında neden aniden akım iletmeyi bıraktığını anlayamamışlardı; bu, temel kimyasal bileşiminin açıklayamadığı bir değişiklikti.
ELEKTRON VE ATOM DANSI
Cevap basit bir parçacık değil, bileşik bir varlıktır: Bir polaron. Bir polaron, bir elektronun etrafındaki atomların titreşimleriyle güçlü bir şekilde birleşerek yeni, birleşik bir 'parçacık benzeri' durum yaratmasıyla oluşuyor.
Araştırmacılar bir basın açıklamasında, polaronun, bir elektron ile atomlar arasındaki bir tür 'dans' olarak tanımlanabileceğini açıkladı. Bu malzemede elektron, kristalin atomik yapısında hafif bir bozulmayla birlikte hareket ediyor; bu, 'kristal kafes içinde ilerleyen bir çentiğe benzer' bir durum yaratıyor. Bu bağlanma, elektronların hızını etkili bir şekilde yavaşlatıyor ve sonuçta malzemenin iletkenliğini kaybetmesine ve yalıtkan hale gelmesine neden oluyor.
TEKNİK HATA DEĞİL SİNYAL
Ekip, bu olguyu yıllarca süren ısrarlı araştırmaların ardından ortaya çıkardı. Çeşitli küresel senkrotron tesislerinde yüksek çözünürlüklü fotoemisyon spektroskopisi kullanarak, elektronlarının davranışını incelemek için malzemeyi yoğun X ışınlarıyla bombardıman ettiler.
Yıllar boyunca ölçümlerinde sürekli olarak 'küçük bir ek sinyal' beliriyordu. Bu, ekibin başlangıçta teknik bir hata olarak görmezden geldiği ana sinyalin yanında 'küçük bir çıkıntı' şeklindeydi. Dr. Chul-Hee Min liderliğinde başlatılan sistematik bir araştırma, sinyalin tekrarlanan ölçümlerde yeniden ortaya çıkmasıyla atılıma dönüştü.
TEORİ VE ÖLÇÜM UYUŞTU
Atılım, ekibin teorisyenlerle iş birliği yapmasıyla gerçekleşti. Periyodik Anderson modeli olarak bilinen standart bir teorik çerçeveyi, elektronların atom titreşimlerine bağlanmasını da içerecek şekilde uyarladılar. Dr. Min, bu etkileşimi hesaplamalara dahil ettikleri anda, simülasyon ve ölçümlerin mükemmel bir şekilde uyuştuğunu açıkladı ve bunun belirleyici adım olduğunu belirtti.
Polaronlar bilinen teorik bir kavram olmasına rağmen, bu çalışma, bu özel 'kuantum malzemeleri' sınıfında bunların deneysel olarak kanıtlandığı ilk zamanı işaret ediyor. Araştırmacılar, benzer kuplaj etkilerinin, yüksek sıcaklık süperiletkenleri ve 2 boyutlu malzemeler de dahil olmak üzere diğer gelişmiş malzemelerde de rol oynadığına inanıyor. Profesör Rossnagel, bu tür keşiflerin uzun vadede yeni teknolojilere yol açabileceğini ifade etti.
