Kvant dalğalanmaları kristalın simmetriya qaydalarını poza bilər

Alimlər kristallarda normalda bir-biri ilə qarşılıqlı təsir göstərə bilməyən atomik hərəkətlərin elektron dalğalanmalarının köməyi ilə əlaqələndirilə biləcəyini müəyyən ediblər. Kəşf kvant hallarını işıq vasitəsilə idarə etmək üçün yeni imkanlar yarada bilər. Simmetriya təbiətin əsas qanunlarından biridir. O, cisimlərin fırladıldıqda, əks etdirildikdə və ya başqa şəkildə dəyişdirildikdə niyə müəyyən xüsusiyyətlərini qoruduğunu izah edir. Materiallarda isə simmetriya atomların və elektronların necə yerləşdiyini və birlikdə necə hərəkət etdiyini müəyyənləşdirir. Bununla yanaşı, simmetriya bəzi kollektiv atom hərəkətlərinin, yəni vibrasiyaların bir-biri ilə qarşılıqlı təsir göstərməsinə də mane ola bilər. Başqa sözlə, müəyyən vibrasiyalar normal şəraitdə bir-birinə təsir edə bilmir. Lakin Texas Universitetinin Ostindəki alimləri və Hamburqdakı Maddənin Quruluşu və Dinamikası üzrə Maks Plank İnstitutunun tədqiqatçıları bu məhdudiyyətlərin müəyyən şəraitdə aradan qalxa biləcəyini göstəriblər.

Nature Physics jurnalında dərc olunan araşdırmaya görə, elektron dalğalanmaları normalda simmetriyanın bir-birindən ayırdığı vibrasiyalar arasında dinamik əlaqə yarada bilər. Tədqiqata Ostindəki Texas Universitetində Edoardo Baldinin rəhbərlik etdiyi qrup başçılıq edib.

Kristalda gizli nizam necə ortaya çıxır?

Tədqiqatçılar otaq temperaturunda qeyri-adi kvant vəziyyəti yaradan laylı materialı araşdırıblar.

Bu vəziyyətdə ionlar və elektronlar yenidən təşkil olunaraq yük sıxlığı dalğası (CDW) adlanan sabit, dalğavari quruluş əmələ gətirir. Bu quruluş Davud ulduzuna bənzəyən klasterlərdən ibarət naxış şəklində görünür. Həmin klasterlər iki müxtəlif istiqamətdə yerləşə bilər. Bu isə kristalın daxili “sağ və ya sol əllilik” xüsusiyyəti qazanmasına səbəb olur. Fizikada bu xüsusiyyət müstəvi xiralığı adlanır.

Belə vəziyyət ferroaksial nizam kimi tanınır. Ferroaksial nizamı araşdırmaq isə kifayət qədər çətindir. Məsələn, ferromaqnitlərdə maqnit sahəsindən istifadə etməklə maqnitləşməni dəyişmək mümkündür. Ferroaksial nizam isə elektrik və ya maqnit sahələrinə birbaşa reaksiya vermir. Buna görə də onu ənənəvi optik üsullarla müşahidə etmək çətin olur. Bununla belə, bu quruluş tamamilə hərəkətsiz deyil.

Davud ulduzuna bənzəyən klasterlər birlikdə hərəkət edə və yük sıxlığı dalğasının gücünü dövri şəkildə dəyişə bilər. Fiziklər bu kollektiv hərəkəti amplitudon adlandırırlar. Alimləri əsasən bir sual maraqlandırıb: bu qeyri-adi vibrasiya kristaldakı digər vibrasiyalara təsir göstərə bilərmi və əgər göstərə bilərsə, bunu hansı mexanizm təmin edir?

Bunu araşdırmaq üçün alimlər kristal vibrasiyalarının müəyyən istiqamətli fırlanan qütbləşməyə malik işığa reaksiyasını ölçən xüsusi işıq səpilməsi metodundan istifadə ediblər. İşığın qütbləşməsi saat əqrəbi istiqamətində və ya əksinə fırlana bilər. Tədqiqatçılar ferroaksial kristalları bu üsulla işıqlandırdıqda bəzi vibrasiyaların işığın istiqaməti kristalın daxili “əlliliyi” ilə uyğun gələndə daha güclü reaksiya verdiyini görüblər. Nəticədə iki fərqli qütbləşmə arasında ölçülə bilən intensivlik fərqi yaranıb.

Texas Universitetinin magistrantı Sin’yue Penq bildirib ki, vibrasiyaların sağ və sol dairəvi qütbləşmiş işığa reaksiyasını müqayisə etməklə yük sıxlığı dalğasının “əlliliyini” müəyyənləşdirmək və ayrı-ayrı ferroaksial sahələri xəritələndirmək mümkündür.

Tədqiqatçılar temperaturu dəyişdirməklə amplitudonun enerjisini də dəyişə biliblər.

Maraqlı nəticə isə o zaman ortaya çıxıb ki, adi kristal vibrasiyasının enerjisi amplitudonun enerjisi ilə üst-üstə düşüb. Məhz bu zaman işığın iki müxtəlif qütbləşməsinə verilən reaksiyalar arasındakı fərq ən yüksək səviyyəyə çatıb. Araşdırmanın müəlliflərindən Françesko Barantani bildirib ki, iki enerji səviyyəsi uyğunlaşdıqda vibrasiya reaksiyası dəyişir. Onun sözlərinə görə, nəticələr yük sıxlığı dalğasındakı dalğalanmaların simmetriyanın normalda bir-birindən ayırdığı kristal vibrasiyalarını aktiv şəkildə əlaqələndirə bildiyini göstərir. Alimlər müşahidə olunan nəticələri izah etmək üçün Hamburqdakı Maddənin Quruluşu və Dinamikası üzrə Maks Plank İnstitutunda Anxel Rubionun rəhbərlik etdiyi qrupla birlikdə mikroskopik nəzəri model də hazırlayıblar. İşdə Roma Sapienza Universitetindən Lara Benfatto da iştirak edib.

Nəzəriyyəçi Emil Vinyas Bostremin sözlərinə görə, amplitudon müxtəlif simmetriyaya malik vibrasiyalar arasında rezonans körpüsü rolunu oynayır. Beləliklə, aşağı enerjili atom hərəkətləri ilə daha yüksək enerjili elektron sistemi arasında əlaqə yaranır.

Hamburq Universitetində Mixael Rübhauzenin rəhbərlik etdiyi qrupun apardığı əlavə təcrübələr də hazırlanan modelin düzgünlüyünü dəstəkləyib. Tədqiqatçılar xüsusilə effektin otaq temperaturunda müşahidə olunmasını mühüm hesab edirlər. Bu, gələcəkdə ferroaksial kvant hallarının öyrənilməsi və hətta idarə olunması üçün daha praktik üsulların hazırlanmasına imkan verə bilər.

Alimlərin fikrincə, ultratezlikli lazer impulslarını müəyyən enerji səviyyələrinə uyğunlaşdırmaqla kristalda simmetriyanın normalda icazə vermədiyi qarşılıqlı təsirləri aktivləşdirmək mümkün ola bilər.

Tədqiqatın nəticələri yalnız bir kristal növü üçün əhəmiyyət daşımır. Alimlər hesab edirlər ki, bu yanaşma gələcəkdə müxtəlif materiallarda kvant hallarının işıq vasitəsilə idarə edilməsinə və yeni kvant texnologiyalarının inkişafına yol aça bilər.

mənbə: scitechdaily.com