Metrolojide Kuantum Sıçraması: Elektriksel Direnç için Yeni Bir Standart Olarak Memristörler

TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi’nden Dr. Itır Köymen birlikte çalıştığı uluslararası konsorsiyum üyeleri memristörlerin (yenilikçi nanoskopik anahtarlama aygıtlarının) doğanın temel sabitlerine doğrudan bağlı, kararlı direnç değerleri sağlayabileceğini göstermiştir. Bu çalışmayla, direnç gibi elektriksel birimlerin bugüne kadar kullanılmış yöntemlere kıyasla çok daha basit ve doğrudan izlenebilmesinin önü açılmıştır. Geleneksel kuantum temelli ölçüm teknolojisi o kadar karmaşıktır ki, yalnızca dünyanın birkaç uzman laboratuvarında uygulanabilmektedir.

2019’dan bu yana, Uluslararası Birimler Sistemi’ndeki (SI) tüm temel birimler — metre, saniye ve kilogram dâhil — doğanın temel sabitlerine dayandırılmıştır. Örneğin, bir zamanlar “prototip kilogram”a dayanan kilogram artık Planck sabiti h ile tanımlanmaktadır. Bir metre ışık hızına, bir saniye ise sezyum atomunun salınımına bağlıdır.

Lazer interferometreleri ve atom saatleri sayesinde, uzunluk ve zaman birimleri dünya çapında nispeten kolay biçimde doğrulanabilmektedir. Ancak, kütle ve elektriksel birimler gibi fiziksel nicelikler için durum çok farklıdır. Bu büyüklüklerin metrolojik izlenebilirliği öylesine karmaşıktır ki, ölçümler yalnızca birkaç ulusal metroloji enstitüsünde gerçekleştirilebilmektedir.

Bugüne kadar elektriksel direncin standardı olarak kuantum Hall etkisi kullanılmıştır. Bu yöntem son derece hassas ve tekrarlanabilir değerler sağlasa da, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklar ve klinik MR sistemlerindekinden daha güçlü manyetik alanlar gerektirir. Bu ölçümler, karmaşık kriyojenik sistemler ve sıkı biçimde denetlenen tesisler gerektirir.

Memristörler ise kökten farklı bir yaklaşım sunmaktadır. Aslen yeni nesil bilgi işlem mimarileri için yapı taşları olarak geliştirilen bu aygıtlar, evrensel sabitleri doğrudan izleyen bir anahtarlama davranışı sergiler. İşlevsel olarak, programlanabilir dirençler gibi davranırlar. İçlerinde atomlardan oluşan iletken nanofilamentler meydana gelir. Uygulanan elektriksel gerilimle bu filamentler atomik hassasiyetle ayarlanabilir; böylece iletkenlikleri sürekli değil, ayrık kuantum basamakları hâlinde değişir.

Bu çalışmanın temelini, Planck sabiti h ve temel yük e’den türetilen kuantize elektriksel iletkenlik G₀ oluşturur. Deneylerde memristörler, oda sıcaklığında ve açık havada kararlı bir şekilde 1·G₀ ve 2·G₀ iletkenlik durumlarına programlanmış ve bu durumlarını uzun süre korumuştur. İtalya, Almanya, İspanya, Türkiye ve Portekiz’deki araştırma enstitülerinde yapılan ölçümler, 1·G₀ için yüzde 3.8 ve 2·G₀ için yüzde 0.6 sapma göstermiştir. Bunun anahtarı, ince taşlamaya benzer bir süreç olan “elektrokimyasal cilalama”dır. Bu süreçte, kararsız atomlar iletken filamentten uzaklaştırılır ve yalnızca kararlı, kuantize bir iletim kanalı bırakılır.

Bu yaklaşım, “çip üzeri NMI” (yani ulusal metroloji enstitüsü hizmetinin bir mikroçipe sığdırılması) kavramını gerçeğe yaklaştırmaktadır. Gelecekte, bir ölçüm cihazının referans standardı doğrudan kendi çipi içine yerleştirilebilecektir. Metroloji enstitülerinden başlayan ve referans dirençler, hassas kalibratörler üzerinden son kullanıcı cihazlarına uzanan uzun kalibrasyon zincirlerine artık gerek kalmayacaktır. Bir multimetreyi defalarca kalibrasyon laboratuvarına göndermek yerine, cihaz kendi içinde değişmez doğa sabitine dayanarak kendini kontrol edebilecektir — yani yerleşik bir kalibrasyon standardına sahip olacaktır.