Geleceğin elektroniği için oldukça ilgi çekici malzemeler olarak görülüyorlar: Topolojik yalıtkanlar elektriği özel bir şekilde iletir ve yeni tip devreler ve daha hızlı mobil iletişim vaat eder. Alman Havacılık ve Uzay Merkezi’nin (DLR) katılımıyla uluslararası bir araştırma ekibi, şimdi yeni malzeme sınıfının temel bir özelliğini ortaya çıkardı: Malzemedeki elektronlar, kısa darbelerle “ürktüklerinde” nasıl tepki verirler? – terahertz radyasyonu denir mi? Sonuçlar, yalnızca bu yeni kuantum malzemelerinin temel olarak anlaşılması için önemli değil, aynı zamanda gelecekte daha hızlı mobil veri iletişimi sağlayabilir veya uzak gezegenleri keşfetmek için oldukça hassas dedektör sistemlerinde kullanılabilir. Çalışma 19 Ekim 2021’de NPJ Quantum Materials dergisinde yayınlandı.
DLR CEO’su Prof. Anke Kaysser-Pyzalla, “Özellikler gelecekte umut verici perspektifler sunuyor”, “Topolojik izolatörler olarak adlandırılanlar, yüksek verimli elektronik bileşenlerin temeli olabilir ve gelecekte daha hızlı mobil veri iletimi sağlayabilir.”
Topolojik yalıtkanlar, özel kuantum özelliğine sahip genç bir malzeme sınıfıdır. Yüzeylerinde neredeyse hiç kayıp olmadan elektriği iletebilirler. Öte yandan, iç kısımları yalıtkan görevi görür, bu nedenle buradan akım akmaz. Bu özellikler gelecekte umut verici perspektifler sunuyor: Topolojik yalıtkanlar, onları fizikte ilginç bir araştırma alanı haline getiren yüksek verimli elektronik bileşenlerin temeli olarak hizmet edebilir. DLR Optik Sensör Sistemleri Enstitüsü’nden ve TU’da Optik ve Atom Fiziği Enstitüsü’nde Profesör olan Michael Gensch, “DLR’de, bu tür kuantum malzemeleri astronomi için güçlü heterodin alıcılarda, özellikle uzay teleskoplarında kullanmakla çok ilgileniyoruz” diye açıklıyor. Berlin
Terahertz radyasyonu altındaki topolojik yalıtkanlar
Bununla birlikte, birkaç temel soru hala cevaplanmamıştır: örneğin, malzemedeki elektronlar belirli elektromanyetik dalgalarla – sözde terahertz radyasyonu – “dürtüldüğünde” ve böylece enerjisel olarak uyarıldığında ne olur? Elektronlar, örneğin etraflarındaki kristal kafesi ısıtarak, kaçırmak zorunda kaldıkları enerji artışından olabildiğince çabuk kurtulmak isterler. Bununla birlikte, topolojik yalıtkanlar söz konusu olduğunda, bu enerji dağılımının iletken yüzeyde yalıtkan çekirdekten daha hızlı olup olmadığı daha önce sorgulanabilirdi. Helmholtz Merkezi Dresden-Rossendorf’taki (HZDR) Radyasyon Fiziği Enstitüsü’nden çalışma lideri Dr. Sergey Kovalev, “Şimdiye kadar, bunu belirlemek için uygun deneyler yoktu” diye açıklıyor. “Şimdiye kadar, yüzeyin reaksiyonu ile malzemenin iç kısmının oda sıcaklığındaki reaksiyonunu ayırt etmek son derece zordu.”
Bu engelin üstesinden gelmek için Kovalev liderliğindeki uluslararası araştırma ekibi, sofistike bir deney düzeneği geliştirdi. Yoğun terahertz darbeleri numuneye çarpar ve elektronları harekete geçirir. Hemen ardından, lazer flaşları materyali aydınlatır ve numunenin terahertz uyarısına nasıl tepki verdiğini yakalar. İkinci bir dizi testte, özel detektörler, numunenin olağandışı bir doğrusal olmayan etki gösterme derecesini ölçer ve gelen terahertz darbelerinin frekansını çoğaltır. Kovalev, bu deneyleri HZDR’deki ELBE Yüksek Güçlü Radyasyon Kaynakları Merkezi’ndeki TELBE (Yüksek Alan Yüksek Tekrar Oranlı Terahertz tesisi @ ELBE) terahertz ışık kaynağında gerçekleştirdi. Barselona’daki Katalan Nanobilimler ve Nanoteknoloji Enstitüsü, Bielefeld Üniversitesi, Alman Havacılık ve Uzay Merkezi (DLR), Berlin Teknik Üniversitesi, Lomonossov Üniversitesi ve Kotelnikov Radyo Teknolojisi ve Elektronik Enstitüsü’nden bilim adamları katıldı. Moskova.
Hızlı enerji transferi
En önemlisi, ekip tek bir malzemeyi incelemedi. Rus proje ortakları, farklı, tam olarak koordine edilmiş özelliklere sahip üç farklı topolojik yalıtkan üretiyor: Birinde, yalnızca yüzeydeki elektronlar terahertz darbelerinin enerjisini doğrudan soğurabiliyordu, diğerinde esas olarak numunenin içindeki elektronlar uyarılmıştı. Kovalev, “Bu üç deneyi karşılaştırarak, yüzeyin davranışı ile malzemenin iç kısmının davranışı arasında kesin bir ayrım yapmak mümkün oldu” diye açıklıyor. “Yüzeydeki elektronlar, malzemenin içindekilerden çok daha hızlı uyarıldı.” Görünüşe göre, enerjilerini hemen malzemenin kristal kafesine aktarabildiler.
Yüzey elektronları birkaç yüz femtosaniye sonra orijinal enerji durumlarına dönerken, “iç” elektronların yaklaşık on katı, yani birkaç pikosaniye sürdü. DLR bilimcisi Michael Gensch, “Topolojik yalıtkanlar son derece karmaşık sistemlerdir ve teorik olarak anlaşılması kolay olmaktan çok uzaktır” diye vurguluyor. “Sonuçlarımız, teorik fikirlerden hangisinin doğru olduğuna karar vermeye yardımcı olabilir.”
Son derece etkili çarpma
Ancak deney, WLAN ve mobil iletişim gibi dijital iletişim için de ilginç perspektifler vaat ediyor. 5G gibi teknolojiler artık gigahertz aralığında çalışıyor. Terahertz aralığında daha yüksek frekanslar kullanılabilseydi, bir radyo kanalı aracılığıyla önemli ölçüde daha fazla veri iletilebilirdi. Sözde frekans çarpanları burada önemli bir rol oynayabilir. Nispeten düşük radyo frekanslarını önemli ölçüde daha yüksek olanlara çevirebilirler.
Bir süre önce araştırma ekibi, grafenin – iki boyutlu, süper ince karbon – belirli koşullar altında verimli bir frekans çarpanı olarak hizmet edebileceğini fark etti. 300 gigahertz radyasyonu birkaç terahertz frekanslarına dönüştürebilir. Ancak gelen radyasyon aşırı derecede yoğunsa grafen etkinliğinin büyük bir kısmını kaybeder. Topolojik yalıtkanlar ise yeni çalışmanın sonuçlarına göre en yoğun uyarımlarda bile işlev görüyor. Kovalev ile birlikte TELBE ekibine liderlik eden HZDR fizikçisi Dr. Jan-Christoph Deinet, “Bu, frekansları birkaç terahertz’den birkaç düzine terahertz’e çıkarmayı mümkün kılabilir” diyor. “Şimdiye kadar topolojik izolatörlerin sonunu görmedik.” Bu, yeni kuantum malzemelerinin, örneğin grafenden çok daha geniş bir frekans aralığında kullanılabileceği anlamına gelir.
DLR CEO’su Prof. Anke Kaysser-Pyzalla, “Özellikler gelecekte umut verici perspektifler sunuyor”, “Topolojik izolatörler olarak adlandırılanlar, yüksek verimli elektronik bileşenlerin temeli olabilir ve gelecekte daha hızlı mobil veri iletimi sağlayabilir.”
Topolojik yalıtkanlar, özel kuantum özelliğine sahip genç bir malzeme sınıfıdır. Yüzeylerinde neredeyse hiç kayıp olmadan elektriği iletebilirler. Öte yandan, iç kısımları yalıtkan görevi görür, bu nedenle buradan akım akmaz. Bu özellikler gelecekte umut verici perspektifler sunuyor: Topolojik yalıtkanlar, onları fizikte ilginç bir araştırma alanı haline getiren yüksek verimli elektronik bileşenlerin temeli olarak hizmet edebilir. DLR Optik Sensör Sistemleri Enstitüsü’nden ve TU’da Optik ve Atom Fiziği Enstitüsü’nde Profesör olan Michael Gensch, “DLR’de, bu tür kuantum malzemeleri astronomi için güçlü heterodin alıcılarda, özellikle uzay teleskoplarında kullanmakla çok ilgileniyoruz” diye açıklıyor. Berlin
Terahertz radyasyonu altındaki topolojik yalıtkanlar
Bununla birlikte, birkaç temel soru hala cevaplanmamıştır: örneğin, malzemedeki elektronlar belirli elektromanyetik dalgalarla – sözde terahertz radyasyonu – “dürtüldüğünde” ve böylece enerjisel olarak uyarıldığında ne olur? Elektronlar, örneğin etraflarındaki kristal kafesi ısıtarak, kaçırmak zorunda kaldıkları enerji artışından olabildiğince çabuk kurtulmak isterler. Bununla birlikte, topolojik yalıtkanlar söz konusu olduğunda, bu enerji dağılımının iletken yüzeyde yalıtkan çekirdekten daha hızlı olup olmadığı daha önce sorgulanabilirdi. Helmholtz Merkezi Dresden-Rossendorf’taki (HZDR) Radyasyon Fiziği Enstitüsü’nden çalışma lideri Dr. Sergey Kovalev, “Şimdiye kadar, bunu belirlemek için uygun deneyler yoktu” diye açıklıyor. “Şimdiye kadar, yüzeyin reaksiyonu ile malzemenin iç kısmının oda sıcaklığındaki reaksiyonunu ayırt etmek son derece zordu.”
Bu engelin üstesinden gelmek için Kovalev liderliğindeki uluslararası araştırma ekibi, sofistike bir deney düzeneği geliştirdi. Yoğun terahertz darbeleri numuneye çarpar ve elektronları harekete geçirir. Hemen ardından, lazer flaşları materyali aydınlatır ve numunenin terahertz uyarısına nasıl tepki verdiğini yakalar. İkinci bir dizi testte, özel detektörler, numunenin olağandışı bir doğrusal olmayan etki gösterme derecesini ölçer ve gelen terahertz darbelerinin frekansını çoğaltır. Kovalev, bu deneyleri HZDR’deki ELBE Yüksek Güçlü Radyasyon Kaynakları Merkezi’ndeki TELBE (Yüksek Alan Yüksek Tekrar Oranlı Terahertz tesisi @ ELBE) terahertz ışık kaynağında gerçekleştirdi. Barselona’daki Katalan Nanobilimler ve Nanoteknoloji Enstitüsü, Bielefeld Üniversitesi, Alman Havacılık ve Uzay Merkezi (DLR), Berlin Teknik Üniversitesi, Lomonossov Üniversitesi ve Kotelnikov Radyo Teknolojisi ve Elektronik Enstitüsü’nden bilim adamları katıldı. Moskova.
Hızlı enerji transferi
En önemlisi, ekip tek bir malzemeyi incelemedi. Rus proje ortakları, farklı, tam olarak koordine edilmiş özelliklere sahip üç farklı topolojik yalıtkan üretiyor: Birinde, yalnızca yüzeydeki elektronlar terahertz darbelerinin enerjisini doğrudan soğurabiliyordu, diğerinde esas olarak numunenin içindeki elektronlar uyarılmıştı. Kovalev, “Bu üç deneyi karşılaştırarak, yüzeyin davranışı ile malzemenin iç kısmının davranışı arasında kesin bir ayrım yapmak mümkün oldu” diye açıklıyor. “Yüzeydeki elektronlar, malzemenin içindekilerden çok daha hızlı uyarıldı.” Görünüşe göre, enerjilerini hemen malzemenin kristal kafesine aktarabildiler.
Yüzey elektronları birkaç yüz femtosaniye sonra orijinal enerji durumlarına dönerken, “iç” elektronların yaklaşık on katı, yani birkaç pikosaniye sürdü. DLR bilimcisi Michael Gensch, “Topolojik yalıtkanlar son derece karmaşık sistemlerdir ve teorik olarak anlaşılması kolay olmaktan çok uzaktır” diye vurguluyor. “Sonuçlarımız, teorik fikirlerden hangisinin doğru olduğuna karar vermeye yardımcı olabilir.”
Son derece etkili çarpma
Ancak deney, WLAN ve mobil iletişim gibi dijital iletişim için de ilginç perspektifler vaat ediyor. 5G gibi teknolojiler artık gigahertz aralığında çalışıyor. Terahertz aralığında daha yüksek frekanslar kullanılabilseydi, bir radyo kanalı aracılığıyla önemli ölçüde daha fazla veri iletilebilirdi. Sözde frekans çarpanları burada önemli bir rol oynayabilir. Nispeten düşük radyo frekanslarını önemli ölçüde daha yüksek olanlara çevirebilirler.
Bir süre önce araştırma ekibi, grafenin – iki boyutlu, süper ince karbon – belirli koşullar altında verimli bir frekans çarpanı olarak hizmet edebileceğini fark etti. 300 gigahertz radyasyonu birkaç terahertz frekanslarına dönüştürebilir. Ancak gelen radyasyon aşırı derecede yoğunsa grafen etkinliğinin büyük bir kısmını kaybeder. Topolojik yalıtkanlar ise yeni çalışmanın sonuçlarına göre en yoğun uyarımlarda bile işlev görüyor. Kovalev ile birlikte TELBE ekibine liderlik eden HZDR fizikçisi Dr. Jan-Christoph Deinet, “Bu, frekansları birkaç terahertz’den birkaç düzine terahertz’e çıkarmayı mümkün kılabilir” diyor. “Şimdiye kadar topolojik izolatörlerin sonunu görmedik.” Bu, yeni kuantum malzemelerinin, örneğin grafenden çok daha geniş bir frekans aralığında kullanılabileceği anlamına gelir.