70 Yıllık Bir Manyetizma Hipotezinin İlk Deneysel Belgesine Sahibiz. Fizikçiler nihayet laboratuvarda 2D materyallerin özel bir sınıfının manyetik davranışını sergiledi ve 70 yılı aşkın bir süredir önerilmiş yaygın kabul görmüş bir hipotezin ilk deneysel belgesini sundu. Onsager çözümü olarak bilinen hipotez, belirli türde 2D malzemeler – grafen gibi sadece bir atom kalınlığına sahip malzemeler – manyetik faz geçişi yapmayı açıklıyor. Tıpkı H2O’yu buzdan sıvı suya dönüştüren faz geçişi gibi, bir manyetik faz geçişi de bir maddenin sıcaklığının artmasıyla manyetizmasını nasıl kaybettiğini açıklıyor. Ancak Nobel Ödülü sahibi kimyager Lars Onsager bu süreci 70 yılı aşkın bir süre önce tanımlamasına ve hatta şu ana kadar on yıllarca süre yapılmış olan araştırmaların temelini oluşturmasına rağmen, şimdiye kadar hiç kimse tarafından bunun bir laboratuvarda gerçekliği onaylanmamıştı.
Güney Kore Temel Bilim Enstitüsü’nden Je-Gesun Park; ” Onsager çözümü her gelişmiş istatistiksel mekanik kursunda öğretiliyor. Benimde bu sorunu öğrendiğim yer burasıdır” dedi. “Daha sonra bunun deneysel olarak manyetik bir materyal ile test edilmediğini öğrendiğimde, bunun benim gibi deneyselciler için utanç verici olduğunu düşündüm. Bu yüzden bunu test etmek amacıyla gerçek bir materyal aramak benim için çok doğaldı.” Fakat belirli bir sıcaklığın üstünde bu spinler hizalamalarını kaybediyor ve rastgele oluyorlar, bu da onların artık manyetik veya paramanyetik olmasını engelliyor. Bu Mıknatıslık modundan mıknatıssız moda geçme noktası manyetik bir faz geçiş olarak bilinir. Örneğin 3D şeklinde olan ataçlar için kullandığınız mıknatıs, ataçı belli bir yüksekliğe aldığınızda mıknatıslık etkisini kaybeder. Tıpkı buzun eriyip suya dönüşmesi gibi bir faz geçişi var, bu da sıcaklıkların ısınmasıyla birlikte moleküllerin katı iç yapılarını kaybeden buz sayesinde oluşur. Yani 3D maddelerde neler olduğunu biliyoruz. Peki ya 2D maddelerde durum nasıldır? Veya sade moleküller yada 1D materyallerinde nasıldır?
Fizikçi Wilhelm Lenz’in öğrencisi Ernst İsing’e yaklaşık yüz yıl önce sorduğu şey budur ve bunun üzerine 1925’te İsing, 1D materyallerin – yalnız olan moleküllerin – faz geçişlerine uğramadığını sonucuna varmıştır. Bu geçiş sadece moleküllerin bir araya geldiğinde ve maddeye dönüştüğü noktada olur. Ancak sıra 2D maddelere geldiğinde cevap zorlaşmıştı. 1943 yılına kadar zor gözükmeyen soruna kimyager Lars Onsager bir çözüm üretmişti. 2D materyallerin o zamandan bu yana fizik üzerinde çığır açan bir hipotez olan manyetik faz geçişi de dahil olmak üzere faz geçişine uğrayışını hesapladı. Önemli olan nokta; şu ana kadar kimse bunu gerçek 2D manyetik materyal üzerinde test etmemiş olmasıdır. Onsager’ı bir kere ve herkese kanıtlamak için Park ve ekibi, demir trityofikofosfat ile (FeP33) manyetik kristalleri ürettiler. Daha sonra, bu kristalin katmanlarını yapışkan bant kullanarak sıyırdıklarından 2D malzeme kullanarak tabakalarını oluşturdular – tıpkı grafenden tek tabakalı grafen elde etmek için bant kullanıldığı gibi. Bu grup çalışanları Raman spektroskopi denilen bir tekniği kullanarak, belirli sıcaklıklarda ne kadar manyetik olduğunu anlamak için, maddenin içindeki titreşimleri ölçtü; titreşim arttıkça, madde de daha az mıknatıslık oluştu. 3 boyutlu kristalde, elektronların dönüşleri 118 Kelvin’in (-155 C) düzenlenmiş (antiferromanyetik) ve bu sıcaklığın üzerinde ise düzensiz bir hale gelmiş (paramagnetic). Park: “3D ve 2D FePS3’ün Raman spektrumunda görünen faz geçişi ile aynı şekile sahip olduğuna karar verdik” dedi. “Bu ustaca olan deneyle manyetik faz geçişinin gösterilebilinmesi Onsager çözümü için güzel bir testtir.” Bu araştırma “Nano Letter”‘ da yayınlandı.
Onsager çözümü kısaca şöyle açıklanabilir; 2D maddelerinin faz geçişlerinin nasıl oluştuğunu açıklayan bir hipotezdir( moleküllerin özelliklerini etkileyen şekilde düzenlenmesi değişikliği) Bilinen en iyi faz geçişleri, katıdan sıvıya ve sıvıdan gaza olan geçişlerdir ve hepimiz lisede öğreniriz bunları. Ancak manyetik faz geçişi diye de bir şey vardır. Bunun nedeni, demir manganez ve nikel oksit gibi bazı 3D maddelerinin, elektronların spinleri doğrultusunda manyetik olmasıdır- bu da antiferromanyetizma olarak bilinir. Bir Elektronun spini (dönüşü), belirli bir yönde yüzen küçük bir mıknatıs gibi düşünülebilir ve son derece düşük sıcaklıklarda bu spinler (dönüşler), maddeyi manyetik hale getiren belirli bir düzende hizalanmaya eğilimlidir.
Çeviren: Cansın Gölcük
Kaynak: http://www.sciencealert.com/