Atom səviyyəsindəki kiçik qüsurlar qeyri-adi metalda gizlənən kvant sirrini üzə çıxarıb

Alimlər elektron dalğalarının metal daxilində, hətta onların çıxa biləcəyi yollar mövcud olduqda belə, müəyyən bölgələrdə ilişib qala bildiyini ilk dəfə eksperimental olaraq müşahidə ediblər. Kəşf kvant hallarına nəzarət etmək üçün yeni imkanlar yarada bilər.

Kolumbiya Universitetinin alimləri elektron dalğalarının metal daxilində hərəkət etmək üçün alternativ yollar mövcud olsa belə, müəyyən bölgələrdə tələyə düşə bildiyini aşkar ediblər. Science jurnalında dərc olunan tədqiqat metal materialda uzun müddətdir nəzəri olaraq proqnozlaşdırılan kvant hadisəsinin ilk eksperimental sübutunu təqdim edir. Elektron dalğaları palladium, alüminium və yod atomlarından ibarət Pd₅AlI₂ adlı metalın atom quruluşundakı qüsurların yaxınlığında aşkarlanıb. Elektronların keçirici materiallarda sərbəst hərəkət etməsindən fərqli olaraq, burada onların dalğaları kvant interferensiyası — dalğaların bir-birini gücləndirməsi və ya zəiflətməsi nəticəsində yaranan təsir — sayəsində müəyyən bölgələrdə məhdudlaşır.  Kolumbiya Universitetinin nəzəri fizikası Rakel Keyroz bildirib: “Metalda bağlı elektron hallarının mövcud olmaması gözlənilir, lakin Pd₅AlI₂-də belə hallar var. Müşahidə etdiyimiz hadisə kvant interferensiyasının metal daxilində bir kvant halını məhdudlaşdırdığını göstərən ilk aydın sübutdur”.

Kvant mexanikasına görə, elektronlar dalğa xüsusiyyətlərinə malikdir və eyni zamanda bir neçə mümkün trayektoriya üzrə yayıla bilirlər. Bu dalğalar üst-üstə düşdükdə bir-birini gücləndirə və ya zəiflədə bilər. Müəyyən şəraitdə dağıdıcı interferensiya elektron dalğasının yayılmasını əngəlləyir. Bu zaman materialda digər elektron hallarının sərbəst hərəkəti üçün yollar qalsa da, həmin dalğa lokal, yəni məhdud bir sahədə qala bilir.

Bu hadisə kontinuumda bağlı hal (bound state in the continuum, BIC) adlanır. Rakel Keyroz hadisənin mahiyyətini belə izah edib:

“Kvant mexanikası nəzəri olaraq proqnozlaşdırır ki, elektron dalğası onun qaçması üçün sonsuz sayda yol mövcud olsa belə, tələyə düşmüş vəziyyətdə qala bilər. Bu effekt işıq dalğaları üçün məlumdur, lakin indiyədək elektronlarda müşahidə edilməmişdi”.

Kəşfin başlanğıcı Kolumbiya Universitetinin kimyaçısı Ksavye Royun laboratoriyasında hazırlanmış Pd₅AlI₂ materialı ilə bağlı olub. Bu metalı öz metal xassələrini qorumaqla nazik, ikiölçülü təbəqələrə ayırmaq mümkündür.  İlkin ölçmələr materialdakı elektronların gözləniləndən daha yavaş hərəkət etdiyini göstərib.  Rakel Keyroz, eksperimental fiziklər Kori Din və Aravind Devarakonda ilə birgə aparılan araşdırmada bu davranışın elektronların hərəkət yolları arasındakı rəqabətlə əlaqəli olduğu müəyyən edilib. Aravind Devarakonda əvvəllər Kolumbiya Universitetində doktorantura sonrası tədqiqatçı olub, hazırda isə həmin universitetdə tətbiqi fizika üzrə dosentdir.  Metalın atom quruluşu elektronların atomlar arasında hərəkəti üçün bir-biri ilə rəqabət aparan yollar yaradır. Bu yollar üzrə yayılan elektron dalğaları bir-birini zəiflədə bilir və nəticədə elektronların hərəkəti məhdudlaşır.

Daha sonra Kolumbiya Universitetinin fiziki Abey Pasupatinin rəhbərlik etdiyi tədqiqatçılar Pd₅AlI₂-ni atom miqyasında skanlama və spektroskopiya üsulları ilə araşdırarkən gözlənilməz naxışlar aşkarlayıblar.  Əlavə təhlillər kristal qəfəsindəki qüsurların yaxınlığında elektron dalğalarının tələyə düşdüyünü göstərib. Keyroz isə kvant interferensiyasının bu lokal kvant hallarını necə yaratdığını izah edən nəzəri modellər hazırlayıb.

Kontinuumda bağlı hallar əvvəllər işıq dalğalarında nümayiş etdirilib. Bu effekt lazer texnologiyalarının, optik sensorların və qeyri-xətti optikanın inkişafına töhfə verib. Kolumbiya Universitetinin araşdırması isə oxşar hadisənin metal materiallarda elektronlarla da baş verə bildiyini göstərir.

Tədqiqatın müəlliflərindən Ksavye Roy bildirib: “Dalğanı tələyə salmaq ideyası kvant mexanikasının özü qədər qədimdir. Lakin işıqla bunu necə həyata keçirməyin yolunu tapmaq üçün təxminən bir əsr lazım oldu. İndi isə bunu material daxilində elektronlarla reallaşdırmışıq. Əgər hissəciyi tələyə sala bilirsinizsə, ona nəzarət də edə bilərsiniz”.  Elektronların bu cür məhdudlaşdırılmış kvant halları gələcəkdə yüksək həssaslığa malik kvant sensorlarının, kvant informasiya emalı texnologiyalarının və kvant kimyasının inkişafına töhfə verə bilər. Bununla belə, həmin halların yaranmasına və davranışına məqsədli şəkildə nəzarət etmək hələ də əsas çətinliklərdən biridir.

Pd₅AlI₂ materialında elektron tələləri kristalın böyüməsi zamanı təsadüfi yaranan qüsurların ətrafında formalaşır. Ksavye Roy və Abey Pasupati hazırda bu qüsurların yerini əvvəlcədən müəyyənləşdirmək və yaranan interferensiya naxışlarını idarə etmək üsullarını araşdırırlar.  Kəşf həmçinin kristal quruluşunda elektronların hərəkət yolları arasında rəqabət yaradan və bu səbəbdən elektron dalğalarını məhdudlaşdıra bilən digər metalların müəyyənləşdirilməsi üçün yeni imkanlar açır.

mənbə: scitechdaily.com