Kuantum Malzemeler

Bir malzeme ve metalürji mühendisi olarak kaleme aldığım bu yazıda, malzemeler ve onların kuantum teknolojileri ile ilişkilerini inceleyeceğim. Her yazıda özellikle belirttiğim gibi, kuantum bilgisayarlar beraberinde devasa buluşları getirecektir. Bu buluşlardan bir tanesi de şüphesiz malzeme bilimi ile alakalı olacaktır.

Tarih boyunca malzemeleri kategorize etme isteği, ve malzemelerin atomik yapılarını anlama isteği baskın olmuştur. Bu durum beraberinde periyodik tabloları ve değişik atomik modelleri doğurmuştur. Daha fazla geriye gitmeden önce 1912 yılına dönelim. 1912 yılında Neils Bohr, kendi adına sahip bir atom modeli olan Bohr Atom Modeli’nde ilk defa orbital kavramını ortaya atmıştır. Bu kavram elektronları bir çeşit hapishane gibi belirli enerji seviyelerine hapsetmiştir. Bu orbitaller arasındaki elektronların enerji olarak küçük değişimlerini ise kuanta olarak bilim dünyası tarafından adlandırılmıştır. Fakat, durumun bundan tamamen bağımsız bir şekilde gerçekleştiğini kanıtlayan bilim insanları, elektronların dalga ve parçacık olarak hareket edebildiklerini, ve belirli bir orbitalde bulunamayacağını kanıtladı. Bu durumda sahneye Schördinger çıkıp, eğer elektron uzayda parçacık olarak hareket ediyorsa, bu hareket Schördinger Denklemi ile açıklanacaktır, ve bu denklemin çözümü kendiyle beraber maddeye kuantum sayılarını atayacaktır, açıklamısını yapıp bunun doğruluğunu ispat etmiştir. 

Bu konuyu işlerken bu durumlardan neden bahsettiğime gelecek olursak, kuantum sayıları maddenin karakteristiğini belirleyen en temel özelliğidir. Metalik malzemeler ve iletkenliğinden bahsederken, sizlere bir mühendise yakışır şekilde birbirinden farklı açıklamalar sunmaya çalışacağım. Elektronların metal atomik kafes içerisindeki davranışı, diğer malzemelere göre daha serbest bir şekilde davranmalarına olanak tanır. Kuantum numaralarından bahsetmişken biraz daha derine inmenin mantıklı olacağını düşünüyorum. Kuantum durumları söz konusu olduğunda, değerlik bantları ve iletim bantlarının birbirlerine çok yakın olmalarından kaynaklanan bir durumun varlığından söz etmek gerekir. Değerlik bandı, kuantum sayıları göz önüne alındığında son yörüngede bulunması kuvvetle muhtemel elektronların bulunduğu banttır. İletim bandı ise elektronların enerjilerinin artması sonucu geçtikleri diğer bir bant yapısıdır. Metallerde bu iki band birbirlerine çok yakın olmasından dolayı, elektronlar bantların arasında bir çeşit deniz oluştururlar. Yarıiletken malzemelerde ise bu seviyeyi 4 eV değerinden daha küçük olacak şekilde potansiyele göre ayarlıyorsunuz. Metaller için bu seviye aralığında bir çeşit iyon denizine sahip olmak anlamına geliyor ve, küçük elektrik akımları ile beraber bir elektron akışı sağlanabilir. Dahası bu denizi manyetik alan ile beraber yönlendirebilirsiniz. Bu iki bant arasındaki seviyeyi Fermi Seviyesi diye adlandırıyoruz. Bu seviye 4 eV değerinin üstüne çıktığında ise malzemeyi yalıtkan olarak tanımıyoruz. Bunu ise sizlere şöyle açıklamak istiyorum, elektronları insan, fermi seviyesini bir dere, bantları ise derenin iki tarafı olarak düşünürsek; bu derenin açıklığı arttıkça, insanın zıplaması için daha fazla enerjiye ve çevikliğe sahip olması gerekiyor. Durum böyle olunca, belirli bir seviyeden sonraki bu 4 eV, insanın karşı tarafa atlaması imkansız hale geliyor. Peki neden değerlik bandında elektron artınca iletkenlik özelliği azalır? Cevabı oldukça basit, değerlik bandında bulunan elektronların artması bu alanda oluşan denge halini arttırarak, elektronların enerjilerini düşürmeye başlıyor. Şimdi bu bilgiler ile beraber Kuantum Malzemeleri ve bunların sınıflandırılması nasıl yapılıyor, incelemeye başlıyalım. 

Kuantum malzemeleri temelinde atomlar ve onların etkileşimi ile beraber farklı karakteristik malzemelerdir. Kuantum mekaniği ile beraber davranışları tamamen farklı ve olağan dışı olarak tanımlanabilirler. 

Topolojik Kuantum Malzemeleri:  Yaygın metallerden ve yalıtkanlardan topolojik olarak farklı olan elektronik bant yapılarına sahip bir bileşik sınıfıdır. Bu malzemeler, malzeme bilimi araştırmaları için son derece verimli bir zemin olarak ortaya çıkmıştır. Bu malzemelerin topolojik olarak önemsiz elektronik yapıları, yüksek hareketlilik ve spin-momentum kilitlenmesi olarak tezahür eden topolojik olarak korunan durumlardan çeşitli kuantum Hall etkilerine, aksiyonik fiziğe ve Majorana modlarına kadar birçok ilginç özelliği desteklemektedir. Bu sınıf malzemeler, topolojik yalıtkanlar, Weyl yarı metalleri, 2-boyutlu grafen yapılar, Chern manyetik yalıtkanları ve bunların hetero yapıları olarak sınıflandırılabilir.

Süperiletken Kuantum Malzemeleri: Süper iletken malzemelerde elektronlar malzeme boyunca kolektif bir dalga oluşturur. Elektrik direncini tamamen ortadan kaldırır, ve bir küp manyetik malzemenin bir süper iletken üzerinde havalanması (Meissiner etkisi ve manyetik akılar). Bu konuda daha fazla detay için sitede bulunan süperiletkenlik sekmesini ziyaret edebilirsiniz. Farklı  süperiletken malzemeler ve bu malzemeler için gereken sıcaklık değerlerine ulaşabilirisiniz.

 https://kuantumbilgisayar.net/?p=193

Kuantum Süperakışkan Sıvılar: Kuantum dalgalanma durumunda elektron spinleri dolaşık hale gelir. Bir ortam olarak adlandırılan kolektif uyarımları destekleyen kuasipartiküller olarak davranış sergiler. Bu egzotik kuasipartiküller gelecekteki bilgi depolama ve
işleme yetenekleri bakımından dünyada kendinden söz ettirecektir. Bu konuda çalışılan en temel malzeme ise helyumdur.