California Üniversitesi’nde fizikçilerden oluşan bir araştırma grubu araştırmacılar tarafından parçacık fiziğindeki Higgs bozonuna benzediği bulunan ikili grafenin bir özelliğini tanımladılar.
Görüntü bir ikili grafenin şematiğini göstermekte. Mavi olanlar karbon atomlarıdır. Credit: Lau lab, UC Riverside
Doğanın en ince elastik malzemesi olan grafen hegzagonal örgü yapısında düzenlenmiş karbon atomlarından oluşan bir atom kalınlıklı düzlemsel bir yapıdır. Grafenin düzlemsel ve bal peteğine benzer bir yapısı yüzünden onun düzlemleri istiflenmeye katkıda bulunur.
İkili grafen iki grafen düzleminin özel bir şekilde istiflendiği zaman oluşur. Grafen gibi ikili grafen de yüksek akım taşıma kapasitesine sahiptir. Bilindiği gibi buna da yüksek elektron iletkenliği denir. Yüksek akım taşıma kapasitesi bir grafen düzlemde elde edilebilen elektronlar çok yüksek hızlara ulaştıklarından dolayı sağlanır.
Nature Nanotechnology dergisinin 22 Ocak sayısında ikili grafenin özelliklerini araştıran fizikçiler ikili grafen düzlem üzerindeki elektronların sayısını sıfıra yakın olduğu zaman malzemenin yalıtkan yani elektriksel akıma karşı direnç gösterdiğini buldular. Bu bulgu grafenin yarıiletken ve elektronik endüstrisinde bir elektronik malzeme olarak kullanılabileceği anlamını da verir.
İkili grafen elektronların sayıları az olduğunda doğal bir şekilde kendilerini organize etmelerinden dolayı yalıtkan hale geldiğini söyleyen fizikçi Chun Ning Lau açıklamasını söyle sürdürdü, “Rastgele hareketleri yerine elektronlar düzenli bir şekilde hareket ederler. Bu fizikte doğal simetri kırılması olarak adlandırılıyor ve bu yüksek enerji fiziğindeki parçacıklar için ‘endows’ kütle denilen aynı ilke sebebiyle çok önemli bir konsepttir.”
Lau elektronların çok sayıda olduğu tipik bir iletkeni yemek masalarında hiç dolu olmayan sandalyerleri ile on bin kişilik bir partiye benzer olduğu şeklinde açıkladı. Buna rağmen, eğer parti sadece dört ziyaretçiye sahip olsaydı, ziyaretçiler bir masaya oturduktan sonra her biri diğeri ile etkileşir. Benzer olarak, ikili grafen sadece birkaç elektrona sahip olduğunda etkileşimler elektronların muntazam bir şekilde davranmalarına neden olur.
Yeni kuantum parçacığı
Texas Üniversitesi’nde Fizik Bölümü’nden Allan MacDonald’ın bir makalesinde sadece ikili grafen kristalleri içinde bulunabilen bir yeni tür kuantum parçacığın kütlesinin ölçümünden söz ediliyor.
Allan MacDonald bu konuda şunları söyledi: “Böyle parçacıkların kütlelerini veren fizik ile kuarkların kütlesinden çok daha büyük bir atom çekirdeği içinde bir protonun kütlesini açıklayan fizik birbirlerine oldukça benzerlerdir. Bizim araştırma grubunun parçacığı elektronlardandır ancak kuarklar değildir.”
Görüntü iki elektrod arasında askıda olan grafenin (kırmızı) bir taramalı elektron mikroskobu görüntüsüdür. Grafen düzlemin uzunluğu bir insan saçı genişliğinin 100'de 1'i kadardır. Credit: Lau lab, UC Riverside
MacDonald deneyi yapan araştırma grubunun bir ikili grafen kristalinin elektron denizinden doğan yeni parçacıkları öngören teorik çalışmalar nedeniyle bu konuda çalıştıklarını açıkladı.
“Şimdi öngörülen parçacıklar bulundu” diyen MacDonald, gelecek deneyler onların özellikleri üzerinde devam eden teorik tartışmanın yatışmasına yardımcı olacağını söyledi.
Pratik uygulamaları
Araştırma grubunun önemli bir bulgusu ikili grafendeki öz enerji aralığının manyetik alanın artmasıyla yükselmesidir.
Katıhal fiziğinde, bir enerji aralığı (veya band aralığı) herhangi bir elektron durumunun var olmayabildiği katıdaki bir enerji aralığını kasteder. Genellikle, bir malzemenin enerji aralığının büyüklüğü onun bir metal (aralık yok), yarıiletken (küçük aralık) veya yalıtkan (büyük aralık) olup olmadığını belirler. Silikonda bir enerji aralığının varlığı yarıiletken endüstrisi için kritiktir. Çünkü dijital uygulamalar için, mühendisler aygıtı açmaya-iletmeye ve kapatmaya-yalıtmaya ihtiyaç duyarlar.
Tek katman grafen aralıksızdır, bir aralığa sahip değildir. Buna rağmen tek katman grafen tek katman grafen üzerindeki elektronların sayısının çokluğundan dolayı tamamen kapanmaz. Tek katman grafen bu sebepler, her zaman metalik ve bir iletken olarak davranır.
California Üniversitesi’nde Nanoölçek Bilim ve Mühendisliği Merkezi üyesi olan Lau çalışmaları ile ilgili şu açıklamaları yaptı, “Elektronik açısından bu kötü dezavantajlardandır. Diğer taraftan, ikili grafen aslında kapatılabilir. Bizim araştırma başlangıç aşamasındadır ve halen band aralığı pratik uygulamaları için çok aşırı küçüktür. Buna rağmen bu çalışma ümit verici bir rota önerdiği için son derece heyecan verici oldu. Üç katman grafen ve dörtkatman grafen, dijital ve kızılötesi teknolojiler için kullanılabilir daha büyük enerji aralıklarına sahip olabilirler. Biz zaten böyle malzemelerle çalışmaya başlamıştık.”
Hazırlayan: Gökhan Atmaca | http://twitter.com/kuarkatmaca
Nanoscale Devices and Carrier Transport Group – Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma Grubu
Kaynaklar:
*Bu çalışma, Kuark Bilim Topluluğu Fizik Çalışma Grubu ve Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma Grubu faaliyetleri kapsamında hazırlanmıştır.
