Bilgi birçok boş noktalı bir harita ile hâlâ kıyaslanabilen bir atomik ölçek üzerinde ışık ve katı madde arasındaki etkileşme ile ilgilidir. Çok sayıda fenomen halen anlaşılmayı veya gözlenmeyi bekliyor. Işık ile madde arasındaki etkileşimin bugüne kadar görünmeyen yönü, Kuantum Optik Max Planck Entitüsü (MPQ), Münih Teknik Üniversitesi (TUM), Berlin’de Fritz-Haber Enstitüsü (FHI) ve Kassel Üniversitesi araştırmacıları tarafından sadece birkaç femto saniye (1 femto, saniyenin milyonda birinin milyarda biri) sürede yoğun ultraviyole lazer pulsları kullanılarak incelenmiş.
Bir ultraviyole ışık pulsu titanyum dioksit kristalini vurduğunda, laser pulsu zayıf bağlı elektronların yenidendağılımını indükler ve bu da
kristal örgüsündeki atomların denge konumunun kaymasına yol açar. Credit: Thorsten Naeser
Fizikçiler titanyum dioksit kristali 5 femtosaniyeden daha az bir sürede şiddetli ultraviyole lazer pulslar ile ışıklandırdılar. Kristaldeki değerlik (valans) elektronlar lazer pulsları ile uyarılır ve birkaç bin Kelvin sıcaklık ile az sayıda sıcak elektronlar üretilir. Değerlik elektronları kristalde sadece atomlara zayıf bağlı elektronlardır. Kristaldeki atomlar ise birbirleri ile güçlü bir etkileşim içinde ve bu nedenle aralarında bağ oluşur. Atomik çekirdeklerin pozisyonu arasındaki sürekli etkileşme ve değerlik elektronları, elektriksel iletkenlik, optik özellikler ve kristal örgü yapıları gibi malzemenin karakteristiğini belirler.
Birinci şiddetli lazer pulsdan sonra gelen, ikinci zayıf ışık puls tarafından femto saniye zaman ölçeğinde kristal yansıtıcılık değişimi gözlenmiştir. Bu ölçüm birinci lazer puls tarafından indüklenen kristaldeki değişimler üzerine olan bilgi ile araştırmacılar tarafından yapılmıştır: yoğun ultraviyole lazer puls sadece değerlik elektronlarını ısıtmadı, ayrıca örgü içindeki elektron dağılımını değiştirdi. Elektron yoğunluğu titanyum atomları etrafında artmış ve oksijen atomları etrafında düşmüştür. Bu yeni elektron dağılımı, titanyum atomuna göre oksijen atomlarının denge konumlarının kaymasına neden olur, bu ise oksijen atomlarının yeni denge konumu etrafında salınım hareketi yapmasına neden olur. Düşünsel bir resimde, kristal potansiyel yüzeyde oksijen atomları, bir kapta top ile kıyaslanabilir. Bir taban durumda, top kabın ortasında durmaktadır. Elektronların uyarılması, kap içinde ani bir değişim meydana getirir ve top yeni küçük konumu etrafında salınır.
Araştırmacıların deneyinde, bilim insanları şaşırtıcı bir etki gözlemlediler: Lazer pulsları ile uyarma sonrasında elektronların sıcaklığı yaklaşık 20 femto saniyede oda sıcaklığına düştü, bu sırada ise kristal sadece bu zaman ölçeğinde hafifçe ısıtılmıştı. Soğuma değerlik elektron dağılımında ekstra kayda değer bir değişime yol açtı. Sonuç olarak, örgünün denge konumu taban durumun başlangıç konumundan daha ileri kaymıştır. Kristal yapının elektron sıcaklığına olan bağlılığı uzun zamandır teorik olarak tahmin ediliyordu. Şimdi bu durum ilk kez deneyle gözlemlenebilir oldu. Sonuç olarak, elektron dağılımdaki incecik bir değişim bile kristalin denge durumu üzerine önemli bir etkiye sahiptir. Bu tür fenomenlerin anlaşılması yeni malzemelerin tasarımında yardımcı olabilir.
Polat Narin, BSc.
Gazi Üni. Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma Grubu
Kaynak: http://phys.org/news/2013-03-mpact-subtle-electron-crystal-atomic.html
