Kuantum kristalleri, bilgisayardan kimya endüstrisine kadar her alanda devrim yaratabilir.

Gelişmiş Malzemeler

Teknolojik Yenilik Web Sitesi Editör Ekibi - 04/11/2025

Elektronların çoğu atomlara bağlıdır, ancak birçoğu malzemede serbestçe yüzer ve uygun "kancalar" tarafından yakalanabilir. [Görsel: www.inovacaotecnologica.com.br]

Serbest elektronların kontrolü

Bilim insanları, elektronların davranışları üzerinde benzeri görülmemiş bir kontrol sağlayan "kuantum kristalleri" adını verdikleri yeni bir malzeme sınıfı tasarladılar.

Çığır açan gelişme, "yüzeyde hareketsizleştirilmiş elektretler" olarak adlandırılan, başıboş elektronları yönlendirmek için kılavuz görevi gören yapılarda yatıyor ve kuantum bilgisayarların ve çok daha verimli endüstriyel süreçlerin önünü açıyor.

En basit kimyasal reaksiyondan elektronik bir süper bilgisayara veya kuantum bilgisayarına kadar tüm modern teknoloji, elektronların nasıl hareket ettiğine ve etkileşime girdiğine bağlıdır. Ancak çoğu malzemede elektronlar atomlara güçlü bir şekilde bağlıdır ve bu da hareket olasılıklarını sınırlar.

Elektronların serbestçe hareket ettiği "elektret" olarak bilinen özel malzemeler, bu sınırlamanın üstesinden gelmenin yolunu açmıştır. Ancak, şimdiye kadar tasarlananların hepsi dengesiz ve büyük ölçekte üretimi zor olduğu için pratik uygulamaları engellemiştir.

Elektronların katı bir yüzey üzerinde serbestçe hareket edebildiği yeni bir malzeme türüdür. Bu elektronlar farklı şekillerde düzenlenerek, bu malzeme daha hızlı bilgisayarlar üretmek veya daha verimli kimyasal reaksiyonları katalize etmek için kullanılabilir. [Görsel: Andrei Evdokimov ve ark. - 10.1021/acsmaterialslett.5c00756]

Yüzeye Monte Edilen Elektretler

ABD'deki Auburn Üniversitesi'nden Andrei Evdokimov ve meslektaşları, pratik ve kararlı elektretleri sentezlemenin bir yolunu buldular.

Çözüm, "çözünmüş elektron öncülleri" adı verilen özel molekülleri, elmas ve silisyum karbür gibi ultra kararlı malzemelerin yüzeyine sabitlemekte yatıyor. Silisyum karbür de, ünlü kardeşi gibi bir yarı iletkendir, ancak çok daha dirençlidir. Bu yüzey moleküllerinin hareketsizleştirilmesi, sağlam ve kontrol edilebilir bir platform oluşturur.

Her şeyin anahtarı, moleküllerin ayarlanabilir bir şekilde birleşmesinde yatar. Moleküllerin temel malzemenin yüzeyindeki düzenlenme biçimine bağlı olarak, serbest elektronlar iki ana şekilde yapılandırılabilir: Hesaplama için kuantum bitleri (kübitler) gibi davranan izole adalar oluşturabilirler veya karmaşık kimyasal reaksiyonları katalize etmek için ideal olan sürekli bir metalik "deniz" oluşturabilirler.

Ekibin koordinatörü Profesör Evangelos Miliordos, "Bu serbest elektronları kontrol etmeyi öğrenerek, doğanın asla öngörmediği şeyleri yapan malzemeler tasarlayabiliriz" dedi.

Düşük konsantrasyonlarda, elektronlar izole 0D sistemleri veya 1D kanalları oluşturabilir. Daha yüksek konsantrasyonlarda ise, alt tabaka olarak kullanılan kristal üzerinde 2D elektron denizleri oluştururlar. [Görsel: Andrei Evdokimov ve ark. - 10.1021/acsmaterialslett.5c00756]

Olası uygulamalar

Enerji transferi, bağ oluşturma ve iletkenlikteki temel rolleri nedeniyle elektronlar, kimyasal sentezin ve modern teknolojinin can damarıdır. Kimyasal süreçlerde elektronlar, redoks reaksiyonlarını yönlendirir, bağ oluşumunu sağlar ve katalizde olmazsa olmazdır. Teknolojik uygulamalarda ise, elektronlar arasındaki akışın ve etkileşimlerin yönlendirilmesi, elektronik bileşenlerin, yapay zekâ algoritmalarının, güneş pillerinin ve hatta kuantum hesaplamanın işleyişini belirler.

Dolayısıyla, bu elektron manipülasyonu yapan kristallerin keşfi birçok kapıyı açıyor. Ancak ekip, daha da önemlisi, iki ana alandaki uygulama olasılıklarından bahsediyor.

Birincisi kuantum hesaplamada: Elektron adaları çok kararlı ve sağlam kübitler olarak hizmet verebilir ve kırılganlık veya girişim nedeniyle veri kaybı, günümüz kuantum bilgisayarları için en büyük zorluklardan biridir.

İkinci [yöntem] ise, bugün var olan hiçbir şeye benzemeyen gelişmiş katalizörlerde yatıyor. "Elektron denizi", kimyasal reaksiyonları son derece verimli bir şekilde destekleyerek yakıt, ilaç ve endüstriyel ürün üretiminde devrim yaratabilir, bunları daha ucuz ve daha sürdürülebilir hale getirebilir.

Ekip üyelerinden Konstantin Klyukin, "Bu temel bir bilim, ancak çok gerçek sonuçları var," dedi. "Hesaplama ve üretim şeklimizi değiştirebilecek teknolojilerden bahsediyoruz."

Diğer haberler:

Daha fazla konu