Anasayfa / Elektronik / Materyal Evreninde Sürpriz Yeni Parçacık Bulundu

Materyal Evreninde Sürpriz Yeni Parçacık Bulundu

Materyal evreni tungsten ditelürür

Uluslararası bilim insanlarından oluşan bir ekip, 2. Türden Weyl fermiyonunun metalik materyallerde varlığına ilişkin yeni bir tahminde bulundu. Bir maddeye manyetik alan uygulandığında, içerdiği parçacıklar yalıtkanlar gibi davranır. Bu esnada akım farklı yönlere giderken, iletkenler için ayrı diğer yönlere gider. Bu davranışın potansiyel uygulamaları olabilir, örneğin, daha verimli düşük enerji tüketen transistörler gibi.

Araştırmacılar tungsten ditellürür (WTe2) adı verilen maddenin evrende normal koşullarda oluşan “materyal evrenine “ ilişkin bazı parçacıklar içerdiğini teorileştirdi. Bu parçacıklar sadece bazı özel kristallerde de bulunuyor.
Weyl fermiyonun bir akrabası olan bu parçacık standart kuantum alan teorisindeki parçacıklarından biri olmasına rağmen, 2.tür parçacık elektromanyetik alanlara çok farklı tepkiler verebiliyor. Bazı manyetik yönlerde mükemmel iletkenlik kazanırken, bazı yönlerde yalıtkan oluyor.

Araştırma Princeton Üniversitesi’nden Yrd. Doç. Dr. Fizikçi B. Andrei Bernevig,ETH Zürih’ten Matthias Troyer ve Alexey Soluyanov, Çin Bilimler Akademisi Enstitüsü’nden Xi Dai liderliğinde yürütüldü. Ekip’te Princeton’dan doktora sonrası araştırmacı Zhijun Wang, ETH Zürih’den yüksek lisans öğrencisi QuanSheng Wu ve Dominik Gresch yer aldı.

Kuantum teorisinin geliştirilmesi aşamasında bu parçacığın varlığı Hermann Weyl tarafından tespit kaçırılamadı, çünkü bu Lorentz simetrisini ihlal ediyordu ve yeni fermiyonların bulunduğu materyallere uygulanamıyordu.

Tungsten ditellürür kristali
Tungsten ditellürür kristali

Evrendeki parçacıklar rölativistik kuantum alan teorisiyle yani Einstein’ın rölativite teorisi ve kuantum mekaniğinin birleşimi ile tanımlanır. Bu teoriye göre katılar çekirdeği saran elektronların oluşturduğu atomlardan oluşur. Çünkü, birbiriyle tümüyle etkileşime giren elektron sayısını, kuantum mekaniği teorisi kullanarak çoklu elektron hareketleri problemini çözmek mümkün değildir.

Bunun yerine , materyaller üzerine bilgimiz, basitleştirilmiş persfektiften yola çıkarak, katılardaki elektronlar etkileşime girmeyen özel parçacıklar kuazi (yalancı) parçacıklar olarak isimlendirilir. Etki alanındaki hareket iyonlar ve elektronların varlığında gerçekleşir. Bu kuazi parçacıklar Bloch elektronları olarak adlandırıldılar ve fermiyondurlar.

Her nasıl elektronlar evrendeki parçacıkların temeliyse, Bloch elektronları da katıları başlangıç parçacıkları olarak ele alınabilir. Başka bir ifadeyle bu kristal kendi elementer(başlangıç) parçacıkları olan bir evrendir.
Son yıllarda araştırmacılar,  “materyal evreninin “rölativistik kuantum alan teorisindeki diğer tüm parçacıklara barındırabileceğini keşfettiler. Bu kuazi parçacıklardan üçü; Dirac, Majorana ve Weyl fermiyonlarıydı. Bu sayede kuantum alan teorisine ilişkin önemli tahminler yapmak için daha ucuz ve küçük ölçekli “yoğunlaştırılmış madde” kristalleri deneyleri yapılabilirdi.

Bu kristaller laboratuarda büyütülebildiğinden WTe2 ve diğer aday madde MoTe2 incelenebildi.

“Birimizin hayali sayesinde ileriye ve harika bir alana taşınarak, rölativistik kuantum alanında yoğunlaştırılmış maddede bilinmeyen bir boyuta gelinebildi”, diyor Bernevig.

Evren Lorentz simetrisi adı verilen uyulması zorunlu  bir kuralın izlediği kuantum alan teorisiyle tanımlanır. Bu yüksek enerjili parçacıkların karakteristikleri için bağlayıcıdır. Buna rağmen Lorentz simetrisi yoğunlaştırılmış maddelere uygulanamaz çünkü , katılarda elektron hızları ışık hızına kıyasla çok küçüktür. Bu nedenle yoğunlaşan madde fiziği tabiatı gereği düşük enerji teorisine uyar.

“Düşünürsek, rölativistik olmayan elementer parçacıklara konaklık eden, Lorentz simetrik olmayan bazı materyal evrenler mümkün mü?”

İşte bu soru uluslararası bir çalışmayla olumlu bir şekilde cevaplandı. Soluyanov ve Dai , Princeton’da Bernevig’i ziyaret etti. Yapılan bu tartışmalar önemli metallerde umulmadık garip davranışın keşfine gitti. (Nature 514, 205-208, 2014, DOI: 10.1038/nature13763)

Bu davranış öncesinde deneyciler tarafından bazı materyallerde gözlense de bu yeni parçacığı bağlantısını onaylamak için daha fazla araştırma gerekiyordu.

Araştırmacılar rölativistik teorinin sadece bir tür Weyl fermiyonunun varlığına imkan tanıdığını , yoğunlaştırılmış katı maddede ise iki farklı fiziksel Weyl fermiyonunun olabileceğini keşfettiler. Tip 1 Weyl fermiyonu sadece iki muhtemel halde sıfır enerjide bulunabilir. Aynı elektron spinleri gibi yukarı veya aşağı olabilir. İşte bu şekilde hallerin yoğunluğu sıfır enerjide sıfırdır. Fermiyon ise çoğu termodinamik etkiye karşı bağışıklığa sahiptir. Weyl fermiyonunun rölativistik alan teorisinde yer alması için , Lorentz değişmezliğini korunması gerekir.

2-materialuniv

Yeni tahmin edilen 2. Tip Weyl fermiyonu ise sıfır enerjide Fermi yüzeyi adı verilen termodinamik hal sayılarına sahiptir. Fermi yüzey egzotiktir, elektron ve delik cepleri arasında noktalara dokunduğunda görünür. Bu özellik yeni fermiyona ölçekli ve sınırlı hal yoğunlukları arasında Lorentz simetrisini kırma imkanı sağlar.

Bu keşif yeni bir çok yöne açılır. Çoğu normal metal manyetik alanlara girdiğinde özdirenç artışı sergiler ki, bu etki çoğu akım teknolojisinde kullanılır.Son tahmin ve yarımetallerdeki tip- 1 Weyl fermiyonunun deneysel gerçekleştirilmesinde özdirencin manyetik alanla aynı doğrultuda elektrik alan uygulanmasıyla gerçekten düştüğünü gösterdi. Bu etkiye negatif longitudinal(boylamsal) manyetorezistans adı verildi.

Yeni araştırma tip-2 Weyl fermiyonu içeren materyallerin karışık davranışa sahip olduğunu gösterdi: Bazı manyetik alan yönlerinde özdirenç normal metallerdeki gibi yükselirken, diğer alanlarda özdirenç düşüyor. Bu da yeni teknolojik uygulamalara imkan tanıyabilir.

“Yoğunlaşmış madde sistemlerinde elementer bakış açıları buldukça merakımız artıyor.Sonsuz materyal evrenlerinde daha ne gibi farklı parçacıklar saklanıyor olabilir ? Bu gibi materyallerde açığa çıkan fermiyonların çeşitliliği daha yeni ortaya çıkmaya başladı, “diyor araştırmacılar.

Kaynak : phys.org

1. Type-II Weyl semimetals, Nature, DOI: 10.1038/nature15768

2. Mazhar N. Ali et al. Large, non-saturating magnetoresistance in WTe2, Nature (2014). DOI: 10.1038/nature13763

Facebook Yorumları

Hakkında Oğuz Sezgin

Bir bilim sever ve kimyager olarak, internetteki eksikliği görerek Gerçek Bilim’i 2012'de kurdum. Bu sitede gördüğünüz pek çok bilim ve teknoloji haberini oldukça ciddi kaynaklardan toplayarak sizin için araştırıyor, çeviriyor ve geliştiriyorum. Gerçek Bilim'deki diğer yazarlar ve ben, her gün baş döndürücü şekilde gelişen bilim ve teknoloji haberlerini size aktarmaktan kıvanç duyarız.

İLGİNİZİ ÇEKEBİLİR

Genetik Düzenleme Sayesinde İle Aynı Cinsiyetten Farelerin Yavruları Oldu

Çin Bilimsel Akademisi’nden bilim insanları iki anne fareden sağlıklı bir fare üretmeyi başardı. Ayrıca iki …

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

*

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.