Dolar 12,4280
Euro 14,0266
Altın 717,01
BİST 1.776
Adana Adıyaman Afyon Ağrı Aksaray Amasya Ankara Antalya Ardahan Artvin Aydın Balıkesir Bartın Batman Bayburt Bilecik Bingöl Bitlis Bolu Burdur Bursa Çanakkale Çankırı Çorum Denizli Diyarbakır Düzce Edirne Elazığ Erzincan Erzurum Eskişehir Gaziantep Giresun Gümüşhane Hakkari Hatay Iğdır Isparta İstanbul İzmir K.Maraş Karabük Karaman Kars Kastamonu Kayseri Kırıkkale Kırklareli Kırşehir Kilis Kocaeli Konya Kütahya Malatya Manisa Mardin Mersin Muğla Muş Nevşehir Niğde Ordu Osmaniye Rize Sakarya Samsun Siirt Sinop Sivas Şanlıurfa Şırnak Tekirdağ Tokat Trabzon Tunceli Uşak Van Yalova Yozgat Zonguldak
İstanbul 21 °C
Kuvvetli Sağanak

Bloch Dalga Fonksiyonunun İlk Deneysel Yeniden Oluşturulması

07.11.2021
38
Bloch Dalga Fonksiyonunun İlk Deneysel Yeniden Oluşturulması
Bloch Dalga fonksiyonu

Sağ altta, bir IR’ye yakın lazer, iki elektronu (boş daireler) iki tür delikten (dolu daireler) ayırır. Yükler, terahertz lazerden (gri dalga) dalgalanan elektrik alanı tarafından birbirlerinden hızlandırılır. Değişen alan daha sonra yükleri birbirine doğru sürükler, bu noktada birleşir ve iki ışık parlaması yayar. Yörüngeler, sağ alttan sol üste doğru akan zaman ile uzayın tek boyutunda tasvir edilmiştir. Kredi bilgileri: Brian Long

Zihinsel Bir Bloch Üzerinden Çalışmak

Işık hızı, evrendeki en hızlı hızdır. Olmadığı zamanlar hariç. Bir prizmanın beyaz ışığı bir gökkuşağına böldüğünü gören herkes, malzeme özelliklerinin kuantum nesnelerin davranışını nasıl etkilediğine tanık olmuştur: bu durumda, ışığın yayılma hızı.

Elektronlar ayrıca malzemelerde boş uzayda olduğundan farklı davranırlar ve malzeme özelliklerini inceleyen bilim adamları ve yeni teknolojiler geliştirmek isteyen mühendisler için ne kadar kritik olduğunu anlamak. “Bir elektronun dalga doğası çok özeldir. Ve gelecekte bu kuantum mekanik doğadan yararlanan cihazlar tasarlamak istiyorsanız, bu dalga fonksiyonlarını gerçekten iyi bilmeniz gerekir,” diye açıklıyor UC Santa Barbara yoğun madde fiziğinde yüksek lisans öğrencisi olan ortak yazar Joe Costello.

Yeni bir makalede, yardımcı yazarlar Costello, Seamus O’Hara ve Qile Wu ve onların işbirlikçileri, Bloch dalga fonksiyonu olarak adlandırılan bu dalga doğasını fiziksel ölçümlerden hesaplamak için bir yöntem geliştirdiler. UC Santa Barbara’da yoğun madde fiziği profesörü olan kıdemli yazar Mark Sherwin, “Bu, bir Bloch dalga fonksiyonunun deneysel olarak yeniden yapılandırılmasının ilk örneğidir” dedi. Takımın bulguları dergide yer alıyor Doğa, Felix Bloch’un kristal katılardaki elektronların davranışını ilk kez tanımlamasından 90 yıldan fazla bir süre sonra ortaya çıktı.

Sherwin Grubu

Soldan sağa: Mark Sherwin, Seamus O’Hara, Joe Costello ve Qile Wu. Costello, arkalarındaki kulede bulunan UCSB FEL hızlandırıcısının ölçekli bir modelini elinde tutuyor. Kredi bilgileri: Changyun Yoo

Tüm maddeler gibi elektronlar da parçacıklar ve dalgalar gibi davranabilir. Dalga benzeri özellikleri, dalga fonksiyonları adı verilen matematiksel nesnelerle tanımlanır. Bu işlevlerin hem gerçek hem de hayali bileşenleri vardır, bu da onları matematikçilerin “karmaşık” işlevler dediği şey yapar. Bu nedenle, bir elektronun Bloch dalga fonksiyonunun değeri doğrudan ölçülebilir değildir; ancak bununla ilgili özellikler doğrudan gözlemlenebilir.

Sherwin, Bloch dalga fonksiyonlarını anlamak, mühendislerin gelecek için öngördüğü cihazları tasarlamak için çok önemli olduğunu söyledi. Zorluk, bir malzemedeki kaçınılmaz rastgelelik nedeniyle, O’Hara’nın açıkladığı gibi, elektronların etrafa çarpması ve dalga fonksiyonlarının dağılmasıydı. Bu, yüz femtosaniye düzeyinde (saniyenin milyonda birinin milyonda birinden daha az) son derece hızlı bir şekilde gerçekleşir. Bu, araştırmacıların, Bloch dalga fonksiyonunu yeniden yapılandırmak için bir malzemedeki elektronun dalga benzeri özelliklerinin yeterince doğru bir ölçümünü almasını engelledi.

Neyse ki, Sherwin grubu bu zorluğun üstesinden gelmek için doğru ekipmana sahip doğru insan grubuydu.

Mark Sherwin Serbest Elektron Lazeri

Mark Sherwin (sağ altta), serbest elektron lazerinin iç işleyişini açıklıyor. Büyük sarı tank, ışın çizgisi boyunca ve en soldaki “kıpırdayanlara” yönlendirilen elektronları hızlandırır. Kredi bilgileri: UC Santa Barbara

Araştırmacılar, deneylerini yürütmek için basit bir malzeme olan galyum arsenit kullandılar. Malzemedeki tüm elektronlar başlangıçta Ga ve As atomları arasındaki bağlara takılır. Düşük yoğunluklu, yüksek frekanslı bir kızılötesi lazer kullanarak malzemedeki elektronları uyardılar. Bu ekstra enerji, bazı elektronları bu bağlardan kurtararak onları daha hareketli hale getirir. Serbest kalan her elektron, arkasında bir miktar su kabarcığı gibi pozitif yüklü bir “delik” bırakır. Sherwin, galyum arsenidde, farklı kütlelere sahip parçacıklar gibi davranan “ağır” delikler ve “hafif” delikler olmak üzere iki tür delik olduğunu açıkladı. Bu küçük fark daha sonra kritik oldu.

Bunca zaman boyunca, güçlü bir terahertz lazer, malzeme içinde bu yeni serbest bırakılan yükleri hızlandırabilecek salınımlı bir elektrik alanı yaratıyordu. Hareketli elektronlar ve delikler doğru zamanda yaratılsaydı, birbirlerinden uzaklaşır, yavaşlar, durur, sonra birbirlerine doğru hızlanır ve yeniden birleşirler. Bu noktada, karakteristik bir enerjiye sahip, yan bant adı verilen bir ışık darbesi yayarlar. Bu yan bant emisyonu, fazları da dahil olmak üzere kuantum dalga fonksiyonları veya dalgaların birbirinden ne kadar uzak olduğu hakkında bilgileri kodladı.

Hafif ve ağır delikler terahertz lazer alanında farklı hızlarda hızlandığından, Bloch dalga fonksiyonları elektronlarla yeniden birleşmeden önce farklı kuantum fazları edindi. Sonuç olarak, dalga fonksiyonları, cihaz tarafından ölçülen nihai emisyonu üretmek için birbirleriyle etkileşime girdi. Bu girişim ayrıca, her iki lazerin polarizasyonu doğrusal olmasına rağmen dairesel veya eliptik olabilen son yan bandın polarizasyonunu da dikte etti.

Deneysel verileri, doktora sonrası araştırmacı Qile Wu tarafından açıklanan kuantum teorisine bağlayan kutuplaşmadır. Qile’nin teorisinde, teoriyi deneysel verilere bağlayan gerçek değerli bir sayı olan yalnızca bir serbest parametre vardır. Wu, “Yani, temel kuantum mekaniği teorisini gerçek dünya deneyine bağlayan çok basit bir ilişkimiz var” dedi.

Sherwin grubunda doktora öğrencisi olan ilk yazar Seamus O’Hara, “Qile’nin parametresi, galyum arsenitte oluşturduğumuz deliğin Bloch dalga fonksiyonlarını tam olarak açıklıyor” dedi. Ekip bunu yan bant polarizasyonunu ölçerek elde edebilir ve ardından deliğin kristalde yayıldığı açıya göre değişen dalga fonksiyonlarını yeniden yapılandırabilir. “Qile’nin zarif teorisi, parametreli Bloch dalga fonksiyonlarını deneysel olarak gözlemlememiz gereken ışık tipine bağlar.”

“Bloch dalga fonksiyonlarının önemli olmasının nedeni,” diye ekledi Sherwin, “delikleri içeren hemen hemen her hesaplama için Bloch dalga fonksiyonunu bilmeniz gerekiyor.”

Şu anda, bilim adamları ve mühendisler, pek çok az bilinen parametreye sahip teorilere güvenmek zorundadır. “Yani, çeşitli malzemelerde Bloch dalga fonksiyonlarını doğru bir şekilde yeniden oluşturabilirsek, o zaman bu, lazer, dedektörler ve hatta bazıları gibi her türlü yararlı ve ilginç şeyin tasarımını ve mühendisliğini bilgilendirecektir. kuantum hesaplama mimariler, ”dedi Sherwin.

Bu başarı, motive olmuş bir ekip ve doğru ekipmanla birlikte on yılı aşkın bir çalışmanın sonucudur. Sherwin ve Renbao Liu arasında, Hong Kong Çin Üniversitesi’nde 2009 yılında bir konferansta yapılan bir toplantı, bu araştırma projesini hızlandırdı. “Bloch dalga fonksiyonlarını ölçmek için 10 yıl önce yola çıktığımız gibi değil” dedi; “olasılık son on yılda ortaya çıktı.”

Sherwin, benzersiz, bina boyutundaki UC Santa Barbara Serbest Elektron Lazerlerinin, elektronları ve delikleri hızlandırmak ve çarpışmak için gerekli olan güçlü terahertz elektrik alanlarını sağlayabildiğini ve aynı zamanda çok hassas bir şekilde ayarlanabilir bir frekansa sahip olabileceğini fark etti.

Ekip başlangıçta verilerini anlamadı ve yan bant polarizasyonunun dalga fonksiyonlarını yeniden yapılandırmanın anahtarı olduğunu anlaması biraz zaman aldı. Sherwin, “Birkaç yıl boyunca bunun üzerine kafa yorduk” dedi ve “Qile’nin yardımıyla sonunda kutuplaşmanın bize gerçekten çok şey anlattığını anladık.”

Artık aşina oldukları bir malzemede Bloch dalga fonksiyonlarının ölçümünü doğruladıklarına göre, ekip, tekniklerini yeni malzemelere ve daha egzotik yarı parçacıklara uygulamaya hevesli. Costello, “Umudumuz, Bloch dalga fonksiyonu hakkında daha fazla bilgi edinmek isteyen heyecan verici yeni materyallere sahip gruplardan biraz ilgi görmemizdir” dedi.

Referans: JB Costello, SD O’Hara, Q. Wu, DC Valovcin, LN Pfeiffer, KW West ve MS Sherwin, “Yarı iletkendeki deliklerin Bloch dalga fonksiyonlarının yeniden yapılandırılması”, 3 Kasım 2021, Doğa.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03940-2

.

ZİYARETÇİ YORUMLARI - 0 YORUM

Henüz yorum yapılmamış.