Alansız Gelecek: Elektronikte Kuantum Hassasiyetinin Yükselişi...

Şimdiye kadar sıfır manyetik alan Kuantum Anormal Hall etkisi yalnızca çok düşük akımlarda meydana geliyordu. Bu cihaz bunu değiştirebilir. Kredi bilgileri: Fijalkowski/JMU Würzburg Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, kuantum direnç standartlarının performansını artırabilecek bir yöntem geliştirdiler. Kuantum Anormal Hall etkisi adı verilen kuantum fenomenine dayanıyor. Elektrik direncinin hassas ölçümü, elektroniklerin endüstriyel üretiminde (örneğin yüksek teknolojili sensörlerin, mikroçiplerin ve uçuş kontrollerinin imalatında) çok önemlidir. Würzburg Üniversitesi (JMU) Topolojik İzolatörler Enstitüsü'nden fizikçi Profesör Charles Gould, "En küçük sapmalar bile bu karmaşık sistemleri önemli ölçüde etkileyebileceğinden, burada çok hassas ölçümler hayati önem taşıyor" diye açıklıyor. "Yeni ölçüm yöntemimizle, Kuantum Anormal Hall Etkisini (QAHE) kullanarak herhangi bir harici manyetik alan olmadan direnç ölçümlerinin doğruluğunu önemli ölçüde artırabiliyoruz ."

Yeni Yöntem Nasıl Çalışıyor? 

Pek çok kişi klasik Hall etkisini fizik derslerinden hatırlayabilir: Bir iletken içinden bir akım geçtiğinde ve manyetik bir alana maruz bırakıldığında, Hall voltajı olarak adlandırılan bir voltaj yaratılır. Bu voltajın akıma bölünmesiyle elde edilen Hall direnci, manyetik alan şiddeti arttıkça artar. İnce katmanlarda ve yeterince büyük manyetik alanlarda, bu direnç tam olarak h/ne2 değerlerinde ayrık adımlar geliştirmeye başlar; burada h Planck sabitidir, e temel yüktür ve n bir tamsayıdır. Bu, Kuantum Hall Etkisi olarak bilinir çünkü direnç yalnızca doğanın temel sabitlerine (h ve e) bağlıdır, bu da onu ideal bir standart direnç yapar.

QAHE'nin özelliği, kuantum Hall etkisinin sıfır manyetik alanda var olmasına izin vermesidir. "Herhangi bir dış manyetik alanın yokluğunda yapılan işlem, yalnızca deneyi basitleştirmekle kalmıyor, aynı zamanda başka bir fiziksel niceliğin, yani kilogramın belirlenmesinde de avantaj sağlıyor. Bir kilogramı tanımlamak için elektrik direncini ve voltajı aynı anda ölçmek gerekir" diyor Gould ve ekliyor: "ancak voltajı ölçmek yalnızca manyetik alan olmadan çalışır, dolayısıyla QAHE bunun için idealdir." Şu ana kadar QAHE yalnızca pratik metrolojik kullanım için çok düşük olan akımlarda ölçülmüştü. Bunun nedeni ise daha yüksek akımlarda QAHE'yi bozan bir elektrik alanıdır. Würzburglu fizikçiler artık bu soruna bir çözüm geliştirdiler. Gould, "Çok terminalli Corbino cihazı dediğimiz bir geometride iki ayrı akımı kullanarak elektrik alanını nötrleştiriyoruz" diye açıklıyor. "Bu yeni numarayla direnç, daha büyük akımlara kadar h/e2'ye nicemlenmiş halde kalıyor ve QAHE'ye dayanan direnç standardını daha sağlam hale getiriyor."

Pratik Uygulamaya Giden Yolda 

Araştırmacılar yaptıkları fizibilite çalışmasında, yeni ölçüm yönteminin temel DC tekniklerinin sunduğu hassasiyet seviyesinde çalıştığını göstermeyi başardılar. Bir sonraki hedefleri ise daha hassas metrolojik araçlar kullanarak bu yöntemin fizibilitesini test etmektir. Bu amaçla Würzburg grubu, bu tür ultra hassas metrolojik ölçümlerde uzmanlaşan Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Alman Ulusal Metroloji Enstitüsü, PTB) ile yakın işbirliği içinde çalışıyor. Gould ayrıca şunu belirtiyor: “Bu yöntem QAHE ile sınırlı değil. Geleneksel Kuantum Hall Etkisinin, yeterince büyük akımlarda benzer elektrik alanı kaynaklı sınırlamalar yaşadığı göz önüne alındığında, bu yöntem, daha da büyük akımların yararlı olduğu uygulamalar için mevcut son teknoloji metrolojik standartları da geliştirebilir."