Kuantum Noktaları ve Hızlı Elektronlar

Kuantum Noktalarının Yakalanması
Kuantum Noktalarının Yakalanması

Kuantum noktaları, modern TV ekranlarındaki çarpıcı, canlı renklerden oluşmasından sorumludurlar. Ancak her zaman olması gerektiği gibi bu işlevi yerine getirememektedirler. Bu bir soruna işaret etmektedir. Modern TV ekranlarında yarı iletken kristaller kullanılmaktadır. Nanometre ölçeğindeki bu yarı iletken kristallerin bazıları neden diğerlerinden çok daha belirsiz parlamaktadır acaba? Cihaz üreticileri için baş ağrıtıcı bu sorun yazımızın ana fikrini oluşturmaktadır. Kuantum Noktaları ve Hızlı Elektronlar arasındaki etkileşim sayesinde yarı iletken teknolojisinde sıçrama sağlayacak bir çalışma Physics World‘de yayınladı.

ABD’deki SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı‘ndaki bilim adamları tarafından yönetilen bir ekip bu sorunun üzerine yoğunlaşmış durumdalar. Oluşan bu sorunun bertaraf edilmesi hızlandırılmış elektronlar kullanılmıştır. Türünün ilk doğrudan yapılan deneyi olarak kayıtlarda yer almış olan bir deney olarak çok ses getirdi. Verimsiz kuantum noktalarının gerçek zamanlı olarak atomik yapıda çalıştıkları ya da çalışmadıkları araştırıldı.

Sonuç olarak bu verimsiz noktaların kristal kafesindeki enerji tüketen bozulmalardan kaynaklandığını gösterildi.

Kuantum noktaları ışığı bir frekansta emer ve başka bir frekansta yaymaktadırlar. TV ekranındaki bu kuantum noktaları konuda çok etkilidir, neredeyse emdikleri kadar ışık yaymaktalar. Bununla birlikte, çok enerjik ve parlak ışık kullanılan ultraviyole foto detektörleri gibi cihazlarda kuantum noktalarının verimlilikleri de önemli ölçüde düşmektedir. Bunun daha kötüsü de bilim insanları kuantum noktalarını daha parlak hale getirmeye çalıştıklarında ise bu noktalar tam tersine daha da koyulaşmaktalar.

Kuantum Noktalarının Verimsizliğini Anlamak

Stanford Üniversitesi’nde malzeme bilimi araştırmacısı ve çalışmanın ortak yazarı Aaron Lindenberg, kuantum noktaları fotonları emdiğinde tüm foton enerjisinin yeniden neden yayılan ışığa gitmediğini açıklıyor. Bu etkiye Fizikçilerin hatta lise düzeyinde öğrencilerimize öğrettiğimiz Fotoelektrik Etki olayının ta kendisi diyebiliriz.

Bazı kuantum noktaları kuantum noktasını karanlık tutan, ancak özelliklerini değiştiren bir süreçte boşa harcanmaktadır. Lindenberg’e göre, bunun nasıl gerçekleştiğine dair her ayrıntıyı tam olarak belirlemek, kuantum noktalarının tüm cihazlarda parlamasını sağlamanın ilk adımı olduğunu belirtiyor. “Uzun zamandır, bu malzemelerin nihai verimliliğini belirleyen mikroskobik süreçleri anlama arzusu vardı” diye de ekliyor.

Bu mikroskobik süreçler saniyenin trilyonda biri kadar kısa sürdüğü için gözlemlemek oldukça zordur. Nature Communications’da görünen SLAC çalışmasının arkasındaki ekip, kuantum noktalarını lazer ışığına maruz bırakarak ve hemen ardından onlara çok hızlı elektronlar göndererek bu sorunu aştılar.

Araştırmacılar, bu elektronların sekme şeklini incelemişler -bu da yine gençlerimize öğrettiğimiz Compton Saçılımı– kuantum noktalarının atomik yapısının ayrıntılarını çıkarmışlardır.

Noktanın içindeki bir atom ne zaman kaysa, elektron sekme modeli de değişerek noktanın şeklinin gerçek zamanlı olarak nasıl değiştiğine dair ipuçları sağlıyordu. Tamamen olamasa da Compton saçılımının ta kendisi.

Lazer frekansı düşük olduğunda, araştırmacılar bütün noktaların ısınmak için enerji harcadığını da keşfettiler. Bununla birlikte, daha yüksek frekanslı ışıkla, kuantum noktalarının içindeki elektronlardan bazıları, nanokristaldeki olağan yerlerini de terk etme eylemdedirler.

Elektronların yerlerini terk etme eğilimleri ya da değiştirmeleri nanokristalin yüzeyine doğru hızla ilerleyen pozitif yüklü “deliklerin” arkasında kaldı. Bu noktada bu delikler sıkıştı ve etraflarındaki atomlara uyguladıkları elektriksel kuvvet vasıtasıyla da kuantum nokta yüzeyinin şeklinin bükülmesine neden oldu. Başka bir deyişle, kuantum noktaları, gelen foton enerjisini ışık yaymak yerine kendilerini bükmek için kullanır olmuşlardı. Aslında her şey atom altı dünyada olağan şekli ile devam ediyordu.

ABD, Boulder, Colorado Üniversitesi‘nde fiziksel kimyager olan ve araştırmaya dahil olmayan Gordana Dukovic’e göre, bilim adamları daha önce kuantum nokta verimsizliğinde yüzeyde kapana kısılmış deliklerin rolü hakkında spekülasyon yapılmıştı.

Ancak bu spekülasyonun gerçekliğine ilk kez tanık olunuyor. Deneysel olarak ta ortaya çıkmış durumda. “Kapana kısılmış elektronları ve delikleri gözlemlemek çok zor,” diye de vurguluyor.

SLAC çalışmasına da dahil olmayan meslektaşı Joel Eaves de aynı fikirde. “Bu araştırmacıların, yüzeydeki delik yakalamaya eşlik eden kafes bozulmalarını doğrudan ölçtüğü gerçeği gerçekten yeni ve etkileyici” diyor.

Araştırmacılar, gözlemledikleri sorunlu elektron ve delik karışıklığını daha iyi anlamak için noktaların davranışını sayısal olarak da simüle etmiş durumdalar.

ABD’deki Chicago Üniversitesi’nden kimyager ve çalışmanın ortak yazarı Dimitri Talapin simülasyonlar ve deneysel ölçümler arasındaki örtüşme, ekibin bu yeni çalışmanın gelecekteki kuantum nokta teknolojilerini iyileştirmek için kullanılabileceği yönündeki umudumuzu güçlendirdi de diyor. Aynı zamanda da artık ne tür fotonların enerjilerini kaybettiklerini ve kuantum noktasında delik tuzağına yol açtığını deneysel olarak belirledikleri için, bu etkileri en aza indirmeye çalışabilirler diye eliyor.

Lindenberg te “Bir nano kristal i harekete geçirmek için kullandığınız ışığın rengini ayarlayarak, sonunda zararlı olan bu süreçleri potansiyel olarak kontrol edebiliriz” ekliyor.

İki boyutlu malzemelerin çift katmanlarından yapılan yeni bir tür hibrit yarı iletken.
İki boyutlu malzemelerin çift katmanlarından yapılan yeni bir tür hibrit yarı iletken.

Kuantum nokta dizisi ultra düşük enerjili anahtarlar yapabilir

Böyle bir ince ayar TV ekranları için gerekli olmasa da ultraviyole foto detektörleri daha verimli hale getirebilir ve hatta kuantum noktalarından inşa edilen yeni lazer türlerinin yaratılmasına yol açabilir. İşte bu da fizikçilerin keşfinden sonra mühendisliğe giden bir adım.

Talapin, kuantum noktalarının geleneksel yarı iletken teknolojilerine benzer olmasına rağmen – örneğin silikon bazlı cihazların bir tür daha küçük kuzeni – boyutlarının onlara farklı özellikler verdiğini ve onları fotonlardan enerji emmeye güvenebilecek gelecekteki cihazlar için umut verici adaylar haline getirdiğini de ekliyor.

“Akademik topluluk ve endüstriyel topluluklar arasında, bu malzeme türünün yarı iletkenler 2.0 olarak ilginç bir rekabet platformu sunduğu konusunda güçlü bir fikir birliği var” diyor.

Kısaca yarı iletkenler 2.0’a bakmak isterseniz sizi de ilgili siteye yönlendirmek istiyoruz. Ancak bir sonraki yazımızda bu konuya da değinmek niyetimiz arasında.

Talapi’nin ve iş arkadaşlarının yürüttüğü deney, kuantum noktalarının bu alanda daha da güçlü bir rakip haline gelmesine yönelik bir adım olduğu da ortaya çıkmış durumdadır.

Hazırlayan : Karmela Padavic-Callaghan, Brooklyn, New York, ABD merkezli bir bilim yazarı ve fizik eğitimcisidir.

Derleyenler: Necmettin Öztürk ( Fizik Öğretmeni) – Hasan Ogan( Fizik Öğretmeni)

Kaynak: https://physicsworld.com

 

    İlk yorum yapan olun

    Bir Cevap Yazın