Karbon malzemesi olan grafen mükemmel elektronik özelliklere sahiptir. Ancak pratikte faydalı olacak kadar istikrarlılar mı? Yeni hesaplamalar şunu söylüyor: Evet.
Yeni bilgisayar modeli, grafenin olağanüstü elektronik özelliklerinin kusurlara rağmen sabit kaldığını göstererek kuantum teknolojisi ve algılama uygulamalarındaki potansiyelini doğruluyor.
Malzemede Gerçekçilik Araştırma: Grafen Örneği
Dünyadaki hiçbir şey mükemmel değildir. Bu aynı zamanda malzeme araştırmaları için de geçerlidir. Bilgisayar simülasyonlarında genellikle bir sistem oldukça idealleştirilmiş bir şekilde temsil edilir; örneğin, kesinlikle mükemmel bir kristalin sahip olacağı özellikler hesaplanır. Ancak pratikte her zaman ek etkilerle (kristal kafesteki kusurlarla, malzemeye bağlanan ilave parçacıklarla, parçacıklar arasındaki karmaşık etkileşimlerle) uğraşmak zorundayız. Dolayısıyla can alıcı soru şudur: Bu kaçınılmaz ek etkiler malzeme özelliklerini değiştirir mi, değiştirmez mi?
Bu, yalnızca tek bir karbon atomu katmanından oluşan iki boyutlu malzeme grafeni söz konusu olduğunda özellikle ilginçtir. Grafenin mükemmel elektronik özelliklere sahip olduğu uzun zamandır bilinmektedir. Ancak şu ana kadar bu özelliklerin ne kadar istikrarlı olduğu belli değildi. Pratikte kaçınılmaz olan karışıklıklar ve ek etkiler nedeniyle yok mu oluyorlar yoksa sağlam mı kalıyorlar? Viyana Teknoloji Üniversitesi (TU Wien) artık gerçekçi grafen yapılarının kapsamlı bir bilgisayar modelini geliştirmeyi başardı. İstenilen etkilerin çok kararlı olduğu ortaya çıktı. Pek mükemmel olmayan grafen parçaları bile teknolojik uygulamalarda rahatlıkla kullanılabilir. Bu, küresel grafen topluluğu için iyi bir haber.
Grafende Elektron Hareketi
Prof. Florian Libisch, “Elektrik akımının küçük bir grafen parçasında nasıl yayıldığını atomik ölçekte hesaplıyoruz” diyor. TU Wien Teorik Fizik Enstitüsü’nden. “Bir elektronun malzeme içerisinde hareket etmesinin farklı yolları vardır. Kuantum fiziği kurallarına göre bu yollardan birini seçmek zorunda değildir; elektron aynı anda birden fazla yol izleyebilir.”
Bu farklı yollar daha sonra farklı şekillerde üst üste gelebilir. Çok spesifik enerji değerlerinde yollar birbirini iptal eder; bu enerjide elektronların grafen parçasından geçme olasılığı çok düşük olup, elektrik akımı da minimum düzeydedir. Buna “yıkıcı girişim” denir.
Florian Libisch şöyle açıklıyor: “Akım akışının çok spesifik enerji değerlerinde kuantum fiziği nedenleriyle dramatik bir şekilde azalması, teknolojik açıdan son derece arzu edilen bir etkidir.” “Bu, örneğin elektronik bileşenlerin bilgisayar çiplerinde yaptığına benzer şekilde, küçük boyuttaki bilgileri işlemek için kullanılabilir.”
Bunu yeni kuantum sensörleri geliştirmek için de kullanabiliriz: Bir grafen parçası olduğunu varsayalım. neredeyse hiç akım iletmez. Daha sonra aniden dışarıdan bir molekül grafen yüzeyine bağlanır. Dr. Robert Stadler, “Bu tek molekül, grafen parçasının elektronik özelliklerini çok küçük bir şekilde değiştiriyor ve bu, akım akışını aniden büyük ölçüde artırmak için yeterli olabilir” diyor. “Bu son derece hassas sensörler yapmak için kullanılabilir.”
Grafen Modellemede Karmaşıklıklar ve Çığır Açanlar
Ancak ayrıntılarda rol oynayan fiziksel etkiler çok karmaşıktır: “Boyut ve Grafen parçasının şekli her zaman aynı değildir ve birkaç elektron arasında matematiksel olarak hesaplanması çok zor olan çok cisim etkileşimleri vardır. Bazı yerlerde istenmeyen fazladan atomlar bulunabilir ve atomlar her zaman biraz sallanır; malzeme grafeni gerçekten gerçekçi bir şekilde tanımlayabilmek için tüm bunların dikkate alınması gerekir” diyor Dr. Angelo Valli.
Şu anda TU Wien’de elde edilen şey tam olarak budur: Angelo Valli, Robert Stadler, Thomas Fabian ve Florian Libisch, bilgisayar modellerindeki malzemelerdeki farklı efektleri doğru bir şekilde tanımlama konusunda uzun yıllara dayanan deneyime sahiptir. Uzmanlıklarını birleştirerek artık ilgili tüm hata kaynaklarını ve grafiklerde bulunan pertürbasyon etkilerini içeren kapsamlı bir bilgisayar modeli geliştirmeyi başardılar.
Bunu yaparak, grafiklerin varlığında bile bunu gösterebildiler. Bu hata kaynaklarına rağmen istenen etkiler hala görülebilir. Kuantum etkileri nedeniyle akımın yalnızca çok küçük ölçüde aktığı belirli bir enerjiyi bulmak hâlâ mümkündür. Deneyler bunun makul olduğunu zaten göstermiştir, ancak şu ana kadar sistematik bir teorik araştırma eksikti.
Bu, grafenin kuantum bilgi teknolojisi veya kuantum algılama için kullanılması için mükemmel olması gerekmediğini kanıtlıyor. Bu alandaki uygulamalı araştırmalar için bu önemli bir mesajdır: Grafendeki kuantum etkilerini kontrollü bir şekilde kullanmaya yönelik dünya çapındaki çabalar gerçekten umut vericidir.
Referans: “Elektron taşınmasında yıkıcı kuantum girişim antirezonanslarının kararlılığı grafen nanoyapıları”, Angelo Valli, Thomas Fabian, Florian Libisch ve Robert Stadler, 10 Ağustos 2023, Carbon.
DOI: 10.1016/j.karbon.2023.118358