Topolojik materyallerin tuhaf dünyası

Topolojik materyaller nedir?
Sıra dışı özellikler
Kullanım Alanları
Yorumlar

Yeni teknolojiler genelikle sıra dışı buluşların ardından ortaya çıkmaya başlıyor. Yoğun madde fiziği alanında çalışan bir bilim insanı için bu sıra dışı buluşlar çoğu zaman yeni bir özelliğe sahip materyaller oluyor. Topolojik materyaller de özelikleri itibariyle kendi çalışma alanına bütün fizikçileri çekmiş durumda. Ortalama etki yaratan teknolojik gelişmelere oranla topolojik materyaller gelecek için büyük potansiyel vaat ediyor.

Topolojik materyaller nedir?

Topolojik materyallerin ne olduğunun anlaşılması için biraz geçmişe gitmemiz gerekiyor. Klasik bir sınıflandırma olarak malzemeleri elektriksel özellikleri açısından iletken ve yalıtkan olarak sınıflandırıyoruz. Maddelerin iletkenliği, yalıtkanlığı ve bunun derecesini de bant kuramı, serbest elektron kuramı gibi teoriler ile açıklamaya çalışıyoruz. Bu geleneksel sınıflandırma günümüze kadar da devam etti.

1879 yılında Edwin Hall üzerinde elektrik akımı olan bir metalde (x boyutu), bu akıma dik bir manyetik alan uygulandığında (y boyutu), bu iki bileşene dik bir boyutta (z boyutu) bir potansiyel fark oluştuğunu gözlemledi. Hall etkisi oldukça bilinen bir etkidir. Bu gözlemden 100 yıl sonra Klaus Von Klitzing, Kuantum Hall Etkisini keşfetti. Klitzing neredeyse iki boyutlu kabul edilebilecek çok ince bir yüzeye, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda oldukça güçlü bir manyetik alan uyguladı ve yüzey üzerinden geçen akımla 3. Boyutta oluşan voltaj arasındaki ilişkinin kuantize olduğunu fark etti. Bunun dışında bu deneyde yeni bantlar keşfedildi ve belki de en önemlisi 2 boyutlu levhanın kenarlarında doğrusal bantlar oluşmuştu. Bu olayların devamında güçlü bir manyetik alan olmadan ve oda sıcaklığında da bu tarz etkileri gözleyebileceğimiz materyaller olduğu keşfedildi. Bu materyallere topolojik yalıtkanlar diyoruz.

Maddelerin fiziksel fazlarını matematiksel bir düşünceyle açıklayan 3 bilim insanı David Thouless, Ducan Haldane ve Michael Kosterlitz 2016 yılında madedelerin topolojik fazları üzerine çalışmalarıyla Nobel ödülüne layık görüldüler. Bugün ise topolojik materyaller yoğun madde fizikçilerinin çalıştığı en popüler konu olmuş durumda. Topolojik maddeler yıllarca bilinenin aksine 2 boyutlu kabul edilebilecek incelikte yapıların termal dalgalanmalardan etkilenmeyeceği ve mevcut faz yapısının özelliklerini koruyabileceğini de ortaya çıkardı. Madde herhangi bir darbe veya kuvvete maruz kaldığında hasar gören yeri doğrudan bir girdap oluşturuyor ve elektronlar o bölgeye doğru akıp girdap şeklinde bir yönelim gösteriyorlar. Bu sayede mevcut özelliklerini yüksek sıcaklık ve darbelerde koruyabiliyorlar. Böyle keskin özelliklere rağmen bazı materyallerin topolojik materyaller sınıfına girip girmediği ise bir tartışma konusu.

Sıra dışı özellikler

Topolojik materyallerin üzerinde en çok araştırma yapılanı topolojik yalıtkanlardır. İç bölgesinde yalıtkan, fakat yüzeyinde veya 2 boyutlu ise kenarlarında süper iletken özelliği gösteren bu sıra dışı malzemeler aynı zamanda sıcaklığa ve darbelere karşı da oldukça dayanıklı bir yapı sergiliyor. Bu özellikleriyle bir elektronik mühendisinin isteyebileceği birçok şeyi aynı anda barındırdığını söyleyebiliriz. Bu açıdan bakıldığında topolojik yalıtkanların özellikle grafen ile avantajlarını ve dezavantajlarını gösteren bir çok karşılaştırma araştırması ortaya çıktı.

Kullanım Alanları

Bilim insanları bilgi teknolojisinde devrim yaratan silikon tabanlı işlemcilerin gelişim açısından sonlara yaklaştığını düşünmekteler. Özellikle Moore Kanunu’nun geçerliğini kaybetmeye başladığı günümüzde artan enerji ve hesaplama ihtiyacı için yeni teknolojilere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu noktada iki veri göze çarpıyor. Birincisi; bulut teknolojisi, sunucu çiftlikleri gibi modern hizmetlerin kapasitesi ihtiyaçlar doğrultusunda her yıl %70 oranında artmaktadır ve silikon tabanlı bilgisayar teknolojisinin bu durumu sürdürülebilir şekilde çözmesi olanaksız görünmektedir. İkinci olarak ise bilgisayar teknolojisini oluşturan silikon tabanlı işlemcileri kullanan cihazların tükettiği enerji, dünyanın tükettiği toplam enerjinin %5’ine denk gelmektedir ve bu miktar her 10 yılda bir 2 katına çıkmaktadır. Bilim insanları bu iki noktadan yola çıkarak az enerji tüketen fakat yüksek hızda ve işlem kapasitesinde işlemci geliştirmek üzere yoğun bir şekilde çalışmaktalar.

Transistörler işlemcilerin temel birimleridir ve yapılarında temel olarak silikon gibi yarı iletkenler vardır. Yarı iletken teknolojisinde transistörlerde oluşan akımlarda elektronlar dirençle karşılaştıkları için normalde ihtiyaçları olan enerjiden daha çok enerjiye ihtiyaç duyarlar ve bu enerjinin bir bölümü istenmedik bir şekilde ısıya dönüşür. Topolojik yalıtkanlar bu noktada devreye girmektedir. Kenarlarından elektronları dirençsiz bir şekilde iletebilmeleri sayesinde oldukça düşük enerjilerde çalışacak bir işlemci teknolojisi geliştirmeye yardım edebilirler. Aşağıdaki videoda bu durum basit bir animasyon ile anlatılmaktadır.

Topolojik materyallerin 20 yıl içerisinde her elektronik ürünün kullandığı vazgeçilmez teknolojilerden biri konumuna ulaşacağı düşünülmektedir. Günümüzde laboratuvar ortamında topolojik kuantum kapatitörler, topolojik sensörler gibi icatlar üretilebilmektedir. Elektriksel özellikleri dışında sağlamlığı ile de avantaj kazanan topolojik materyallerin bir diğer kullanım alanı ise nanoteller olacağı öngörülüyor.

Topolojik materyallerin ortaya çıkması ile birlikte kimyasal özellikleri de merak konusu haline geldi. Niobyum Fosfat'ın iyi bir katalizör olduğu ortaya çıktı. Bunun dışında kimya alanında özellikle depolama teknolojilerinde topolojik materyallerin katkısının görüleceği belirtiliyor. Bilim insanları topolojik materyallerin kuantum bilgisayarların yüksek depolama ihtiyacına ve belirsiz bit problemlerine çözüm olacağını düşünüyor.