kuantum mekaniğinde, güçlü
manyetik alan ve düşük sıcaklık şartları altındaki iki boyutlu bir
elektron gazında gözlemlenen davranış şekli.
iki boyutlu
elektron gazı nedir? şudur;
normal elektron gazında elektronlar her yöne doğru, yani 3 boyutlu bir hareket yaparlar. yarı iletken iki malzemeyi sandviç gibi üst üste koyarak, bir çeşit sıkıştırma yöntemiyle elektronların bu hareketi kısıtlanabilir. bu durumda aşağı veya yukarı hareket edemez, sadece ileriye geriye ya da sağa sola doğru hareket edebilirler. buna da iki boyutlu elektron gazı denir.
etkiye dönelim. klasik
hall etkisinden farkı nedir bunun? günlük hayattan bir benzetme üzerinden anlatmayı severim, biliyorsunuz. büyük bir alışveriş merkezi düşünün. merkezinde de dev bir
vantilatör olsun. insanlar alışveriş yaparken ya da vitrinlere bakarken birbirleriyle alakasız, rastgele yönlere doğru gidiyorlar. dev vantilatöri çalıştırınca insanların hareketleri de etkileniyor. vantilatörün devri arttıkça insanlar yine rastgele şekilde sağa sola savruluyorlar. vantilatör manyetik alanın yaptığı işi yapıyor. insanlar da elektronların davranışını sergiliyor. vantilatörün devrini 2 kat artırırsanız insanların savrulma miktarı da 2 katına çıkıyor. 3 kat artırırsanız o da 3 kata çıkıyor. yani özetle; manyetik alan şiddeti arttıkça elektronların sapma miktarı da onunla doğru orantılı şekilde artıyor.
kuantum hall etkisinde durum farklı. bunu, alışverişte dev bir indirim kampanyası yapılmış gibi düşünün. duyan herkes oraya koşmuş. içerisi o kadar kalabalık ki insanlar sadece tek sıra hâlinde ilerleyebiliyor. kalabalık yüzünden vantilatör yine son devrine kadar hızlandırılmış ama adım atacak yer olmadığından insanlar savrulamıyor, tek sıra hâlinde ilerlemeye devam ediyorlar. durdukları yerde sıkıntıdan hafifçe sağa sola sallanabilmek dışında bir şey yapamıyorlar. yani sadece 2 boyutta hareketleri var. arada bir sıra geçici olarak hızlanıyor, işi bitip arka kapıdan çıkanlar sayesinde ve sonra yine sıkışıyor.
klasik etkide düşük sıcaklık ve yüksek manyetik alan eşiğine gelinirse kuantum etki devreye girer.
gözünüzde iyi kötü canlandıysa, fiziksel olan versiyona dönebiliriz. düşük sıcaklıklar altında, güçlü manyetik alan uygulandığında 2 boyutlu elektron gazının hareketi doğru orantılı olarak artmaz. niye? çünkü manyetik alan altındaki elektronlar dairesel
yörüngelere girer ama işin içine kuantum yani mikro boyutlar girdiğinde ne olduğunu biliyoruz; bu elektronların enerjileri her değeri alamıyor. kesikli değerler diyoruz buna. hatta ve hatta bu enerji seviyelerinin özel bir adı var:
landau seviyeleri. bunu bir apartmanın katları gibi düşünebilirsiniz: 1-2-3-4 diye sıralı şekilde gider. manyetik alanı da bu apartmandaki bir görevlinin elinde bulunan bir
megafon gibi düşünün. megafon ne kadar güçlü olursa, görevlinin sesi o kadar çok kata ulaşabilir. yani manyetik alan arttıkça, elektronlar daha yüksek landau seviyelerine yerleşmeye başlar. landau seviyelerine ulaşınca elektronların bazı
direnç değerleri değiştiği için, hareketleri de düzene girer. alışveriş merkezi örneğinde şunu demiştim: "arada bir sıra geçici olarak hızlanıyor, işi bitip arka kapıdan çıkanlar sayesinde ve sonra yine sıkışıyor." tabii ki bu sadece durumu anlatmak için kullandığım bir benzetme. gerçekte elektronlar arka kapıdan çıkıp gitmiyor ama sıranın birden hızlanıp yeniden yavaşlamasına benzer bir durum, iki boyutlu elektron gazında da yaşanıyor. bunun nedeni de manyetik alan şiddeti arttıkça, elektron enerjisinin bir sonraki landau seviyesine ulaşması. iki seviye arasında rahatlayan hareket, seviyelerden herhangi birine ulaşılınca yeniden düzene giriyor.
tamam güzel ama bundan bize ne! neye yarayacak yani bu? biliyorsunuz, dünya genelinde belirli nicelikler için standart hâline getirilmiş tanımlar var. 1 metre, 1 kilogram, 1 litre gibi nicelikler dünyanın her yerinde aynı. kuantum hall etkisi de elektronik devrelerde kullandığımız direnç değerleri için böyle bir standartlık sağlıyor. bunun dışında günlük hayatta kullandığımız herhangi bir alanda doğrudan etkisi olmasa da kuantum bilgisayarlarının geleceğinde işe yarama ihtimaline ek olarak
kozmolojide kullanılan
ince yapı sabiti ile de alakalı olduğundan daha çok evrenle ilgili çalışmalar esnasında karşılaşabileceğimiz bir etki.
devamını gör...