Sonsuz Ark/ Evrensel Çerçeveye Yolculuk
"Columbia Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, benzersiz kuasipartiküller oluşturarak hız ve verimlilikte silikondan daha iyi performans gösteren süper atomik bir yarı iletken olan Re6Se8Cl2'yi geliştirdi. Bu keşif, yarı iletken teknolojisinde yeni malzemelerin keşfedilmesinin önünü açıyor."
“The Fastest Thing We’ve Ever Seen” – Superatomic Semiconductor Sets a Speed Record
Columbia kimyagerleri, yarı iletkenlerdeki eksikliklerin üstesinden gelmeye yardımcı olabilecek bir bulgu olan kuantum malzemede balistik akışı keşfetti
Bu fononlar, elektronik cihazlarda enerji ve bilginin taşınmasından sorumlu olan parçacıkların (elektronlar ya da eksiton olarak adlandırılan elektron deliği çiftleri) saçılmasına yol açar. Saçılma son derece küçük mesafelerde (nanometre) ve kısa zaman aralıklarında (femtosaniye) gerçekleşir, ısı olarak enerji dağılımına neden olur ve bilgi aktarım hızına bir sınır getirir.
Daha iyi seçenekler için arayış sürüyor. Kimya profesörü Milan Delor ile birlikte çalışan doktora öğrencisi Jack Tulyag liderliğindeki Columbia Üniversitesi kimyagerlerinden oluşan bir ekip, Science dergisinde yazdıkları makalede şimdiye kadarki en hızlı ve en verimli yarı iletkeni tanımlıyor: Re6Se8Cl2 adlı süper atomik bir malzeme.
Fononlarla temas ettiklerinde saçılmak yerine, Re6Se8Cl2'deki eksitonlar aslında akustik eksiton-polaronlar adı verilen yeni kuasipartiküller oluşturmak için fononlarla bağlanırlar. Polaronlar birçok malzemede bulunmasına rağmen, Re6Se8Cl2'dekiler özel bir özelliğe sahiptir: balistik veya saçılmasız akış yeteneğine sahiptirler. Bu balistik davranış, bir gün daha hızlı ve daha verimli cihazlar anlamına gelebilir.
Ekip tarafından yürütülen deneylerde, Re6Se8Cl2'deki akustik eksiton-polaronlar hızlı hareket etti -silikondaki elektronlardan iki kat daha hızlı- ve numunenin birkaç mikronunu bir nanosaniyeden daha kısa sürede geçti.
Polaronların yaklaşık 11 nanosaniye sürebildiği göz önüne alındığında, ekip eksiton-polaronların bir seferde 25 mikrometreden fazla yol kat edebileceğini düşünüyor. Ve bu kuasipartiküller bir elektrik akımı ve geçit yerine ışıkla kontrol edildiği için, teorik cihazlardaki işlem hızları femtosaniyelere ulaşma potansiyeline sahiptir; bu mevcut Gigahertz elektroniklerinde elde edilebilen nanosaniyelerden altı kat daha hızlı olduğunu gösteriyor. Hepsi oda sıcaklığında.
Delor, "Enerji nakli açısından Re6Se8Cl2, en azından şu ana kadar bildiğimiz en iyi yarı iletken" diyor.
Kaplumbağa ve Tavşanın Kuantum Versiyonu
Re6Se8Cl2, işbirlikçi Xavier Roy'un laboratuvarında üretilen süper atomik bir yarı iletkendir. Süper atomlar, büyük bir atom gibi davranan, ancak onları oluşturmak için kullanılan elementlerden farklı özelliklere sahip, birbirine bağlı atom kümeleridir. Süper atomları sentezlemek Roy laboratuvarının uzmanlık alanıdır ve Columbia'nın NSF tarafından finanse edilen Hassas Montajlı Kuantum Malzemeleri Malzeme Araştırma Bilimi ve Mühendislik Merkezi'nin ana odak noktasıdır.
Delor, Columbia'da geliştirilen süperatomlar ve diğer benzersiz malzemeler aracılığıyla enerjinin taşınmasını kontrol etmek ve manipüle etmekle ilgileniyor. Bunu yapmak için ekip, ultra küçük, ultra hızlı ölçeklerde hareket eden parçacıkları yakalayabilen süper çözünürlüklü görüntüleme araçları geliştiriyor.
Tulyag Re6Se8Cl2'yi laboratuvara ilk getirdiğinde, yeni ve geliştirilmiş bir yarı iletken aramak için değil, laboratuvarın mikroskoplarının çözünürlüğünü, prensipte çok fazla bir şey iletmemesi gereken bir malzeme ile test etmek içindi. "Beklediğimizin tam tersi oldu" diyor Delor. "Beklediğimiz yavaş hareket yerine, şimdiye kadar gördüğümüz en hızlı şeyi gördük."
Silikonu arzu edilen bir yarı iletken yapan şey, elektronların içinde çok hızlı hareket edebilmesidir, ancak meşhur tavşan gibi, çok fazla zıplarlar ve sonunda çok hızlı bir şekilde çok uzağa gidemezler. Re6Se8Cl2'deki eksitonlar nispeten çok yavaştır, ancak tam da bu kadar yavaş oldukları için eşit derecede yavaş hareket eden akustik fononlarla buluşabilir ve eşleşebilirler. Ortaya çıkan kuasipartiküller "ağırdır" ve kaplumbağa gibi yavaş ama istikrarlı bir şekilde ilerlerler. Yol boyunca diğer fononlar tarafından engellenmeyen Re6Se8Cl2'deki akustik eksiton-polaronlar nihayetinde silikondaki elektronlardan daha hızlı hareket eder. Kaynak: Jack Tulyag, Columbia Üniversitesi
Tulyag ve Delor grubundaki meslektaşları, sonraki iki yılı Re6Se8Cl2'nin neden bu kadar dikkat çekici bir davranış sergilediğini saptamak için çalışarak geçirdi; buna, polaronları oluşurken ve malzeme içinde hareket ederken doğrudan görüntüleyebilen aşırı uzamsal ve zamansal çözünürlüğe sahip gelişmiş bir mikroskop geliştirmek de dahil. Timothy Berkelbach'ın grubunda doktora öğrencisi olarak çalışan teorik kimyager Petra Shih de gözlemlere bir açıklama getiren kuantum mekaniksel bir model geliştirdi.
Delor, yeni kuasipartiküllerin hızlı olduğunu, ancak sezgisel olarak bu hıza kaplumbağa ile tavşanın hikayesine benzer bir şekilde kendilerini hızlandırarak ulaştıklarını açıkladı. Silikonu arzu edilen bir yarı iletken yapan şey, elektronların onun içinde çok hızlı hareket edebilmesidir, ancak meşhur tavşan gibi, çok fazla zıplarlar ve aslında sonunda çok hızlı bir şekilde çok uzağa gidemezler. Re6Se8Cl2'deki eksitonlar nispeten çok yavaştır, ancak tam da bu kadar yavaş oldukları için eşit derecede yavaş hareket eden akustik fononlarla buluşabilir ve eşleşebilirler. Ortaya çıkan kuasipartiküller "ağırdır" ve kaplumbağa gibi yavaş ama istikrarlı bir şekilde ilerlerler. Yol boyunca diğer fononlar tarafından engellenmeyen Re6Se8Cl2'deki akustik eksiton-polaronlar nihayetinde silikondaki elektronlardan daha hızlı hareket eder.
Yarı İletken Arayışı Devam Ediyor
Columbia'da araştırılan yeni kuantum malzemelerinin çoğu gibi Re6Se8Cl2 de atom inceliğinde tabakalar halinde soyulabilir; bu da ek benzersiz özellikler arayışında potansiyel olarak diğer benzer malzemelerle birleştirilebilecekleri anlamına gelen bir özelliktir. Bununla birlikte, Re6Se8Cl2'nin ticari bir ürüne dönüşmesi pek olası değildir; moleküldeki ilk element olan Renyum, dünyadaki en nadir elementlerden biridir ve sonuç olarak son derece pahalıdır.
Ancak Berkelbach grubunun yeni teorisi ile Tulyag ve Delor grubunun polaronların oluşumunu ve hareketini doğrudan izlemek için geliştirdiği gelişmiş görüntüleme tekniği sayesinde ekip, Re6Se8Cl2'nin hız rekorunu kırabilecek başka süper atomik yarışmacılar olup olmadığını görmeye hazır.
"Bu, oda sıcaklığında balistik eksiton taşınımının devam ettiğini gören tek malzeme. Ancak şimdi, daha önce düşünmediğimiz başka hangi malzemelerin bu davranışı gösterebileceğini tahmin etmeye başlayabiliriz" diyor Delor. "Akustik polaron oluşumu için elverişli özelliklere sahip süper atomik ve diğer 2D yarı iletken malzemelerden oluşan bir aile var."
Araştırma, Ulusal Bilim Vakfı ve Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi tarafından finanse edilmiştir.
COLUMBIA ÜNİVERSİTESİ, 9 ARALIK 2023, SciTechDaily
Mustafa Tamer, 27.03.2024, Sonsuz Ark, Çeviri, Bilim ve Teknoloji, Aklın Merdivenleri
Referans: Jakhangirkhodja A. Tulyagankhodjaev, Petra Shih, Jessica Yu, Jake C. Russell, Daniel G. Chica, Michelle E. Reynoso, Haowen Su, Athena C. Stenor, Xavier Roy, Timothy C. Berkelbach ve Milan Delor, "Van der Waals süperatomik yarı iletkeninde oda sıcaklığında dalgalı eksiton taşınımı", 26 Ekim 2023, Science. DOI: 10.1126/science.adf2698
- Sonsuz Ark'ta yayınlanan yazılardan yazarları sorumludur.
- Sonsuz Ark linki verilerek kısmen alıntı yapılabilir.
- Sonsuz Ark yayınları Sonsuz Ark manifestosuna aykırı yayın yapan sitelerde yayınlanamaz.
- Sonsuz Ark Yayınlarının Kullanımına İlişkin Önemli Duyuru için lütfen tıklayınız.