Fizikçiler, Alışılmadık Bir Kuantum Parçacığı Buldu
Yeni bir keşif, gizemli bir kuantum spin uyarımı olan yalnız spinonun tek başına nasıl var olabileceğini ortaya koyarak kuantum teknolojilerindeki ilerlemelere işaret ediyor.
Varşova Üniversitesi Fizik Fakültesi ve British Columbia Üniversitesi’nden bilim insanları, manyetik sistemlerde “yalnız spinon” oluşumu için bir yol belirlediler. Bu alışılmadık kuantum parçacığı tek, eşlenmemiş bir spini temsil ediyor ve varlığı manyetizmanın temel düzeyde nasıl çalıştığına dair yeni bilgiler sunuyor. Sonunda kuantum hesaplama ve yeni manyetik malzeme türlerinin ilerlemesini destekleyebilecek olan bu buluş, Physical Review Letters dergisinde detaylandırıldı.
İnsanoğlunun manyetizma konusundaki bilgisi, doğal olarak mıknatıslanmış manyetitin keşfiyle başlayan antik çağlara kadar uzanıyor. Bu erken dönem merakı hızla pratik araçlara yol açtı. 11. yüzyıla gelindiğinde Çinli mucitler navigasyonda devrim yaratan ilk pusulaları geliştirmişlerdi. Günümüzde mıknatıslar, veri depolama sistemleri, hoparlörler, elektrik motorları ve hatta tıbbi görüntüleme teknolojileri de dahil olmak üzere sayısız modern cihazın ayrılmaz bir parçasıdır. İlginç bir şekilde, seyahat hatıralarının da vazgeçilmez bir parçası haline gelmişlerdir ve genellikle buzdolaplarında fotoğrafların yanında gururla sergilenirler.
Mıknatıslar ve kuantum mekaniği
Yaygın kullanımına rağmen manyetizmanın doğası uzun süre tam olarak anlaşılamamıştır. Niels Bohr ve Hendrika Johanna van Leeuwen manyetizmanın klasik fizik çerçevesinde açıklanamayacağını gösterdiğinde durum daha da karmaşık hale geldi. Kuantum mekaniğinin 1920’lerde gelişmesine kadar maddenin manyetik özelliklerinin esas olarak elektronların spinleri arasındaki etkileşimlerden kaynaklandığı anlaşılamadı. Spin, kütle ve elektrik yükü ile birlikte, temel parçacıkların temel özelliklerinden biridir.
1931 yılında Hans Bethe, manyetizmanın temel kuantum modellerinden biri olan tek boyutlu Heisenberg modeli için matematiksel olarak zarif bir çözüm önerdi. Yarım yüzyıldan daha kısa bir süre sonra, 1981’de Ludwig Faddeev ve Leon Takhtajan bu modelin çözümlerinin şaşırtıcı bir olgu sergilediğini fark ettiler: sanki bölünmez bir elektron iki temel parçacığa “bölünüyormuş” gibi. Elektronun spini 1/2’dir (Planck sabiti ħ biriminde) ve uzayda herhangi bir yönde yönlendirilebilir. Standart durumda, bir uyarılma bir elektronun spininin tersine çevrilmesini içerir ve tüm sistemin spininin 1 ile değişmesine neden olur.
Bununla birlikte, Faddeev ve Takhtajan’ın teorisinden, bir mıknatıstaki temel uyarımların sistemin toplam spinini 1/2 oranında değiştirdiği sonucu çıkar. Ekzotik olarak davranan bu uyarımlara spinon adı verildi. O zamandan beri, birçok deney onların varlığını doğrulamıştır. Bununla birlikte, spinonların yalnızca çiftler halinde oluşabileceğine uzun zamandır inanılıyordu – ve gerçekten de her zaman bu şekilde gözlemlenmişlerdi – bu da fenomenin biraz daha az “egzotik” görünmesine neden oldu.
Yalnız bir spinon
Physical Review Letters’da yeni yayımlanan bir makalede, Varşova Üniversitesi Fizik Fakültesi ve British Columbia Üniversitesi’nden bilim insanlarından oluşan bir ekip, böyle tekil bir uyarımın tek bir spinon olarak nasıl yaratılabileceğini gösterdi. Böyle bir spinon çok basit bir şekilde yaratılabilir: tek boyutlu Heisenberg modelinin (bir dizi etkileşen spinin teorik bir açıklaması) temel durumuna fazladan bir spin eklemek yeterlidir.
Araştırmacılar aynı etkinin, temel hal yerine, spinlerin çok düzenli bir şekilde eşleştirildiği, değerlik bağı katısı (VBS) olarak adlandırılan çok basitleştirilmiş bir model kullanıldığında da elde edilebileceğini keşfetti. Bu modeldeki bir spinon, bu tür eşleştirilmiş spinlerden oluşan bir ağ boyunca “seyahat eden” tek bir eşleştirilmemiş spin olarak anlaşılabilir.
Daha da önemlisi, bu teorik öngörü yakın zamanda C. Zhao ve arkadaşları tarafından Nature Materials’da yayınlanan makalede deneysel olarak başarıyla doğrulanmıştır.
Spinonlar ve gelecekteki teknolojiler için önemi
Bu, manyetiğin kuantum özelliklerinin daha iyi anlaşılmasına yönelik önemli bir adımdır ve yeni özelliklerinin keşfedilmesinin yolunu açabilir. Özellikle önemli olan spinonlar, elektronlar arasındaki güçlü etkileşimlerin ve kuantum dolanıklık gibi kuantum olaylarının sonucudur.
Benzer mekanizmalar, yüksek sıcaklık süper iletkenliği veya iki boyutlu kuantum sıvılarındaki kesirli Hall etkisi gibi temel olgularda kilit rol oynamaktadır. Kuantum dolanıklık aynı zamanda kuantum bilgisayarların ve bir bütün olarak kuantum hesaplamanın da temelini oluşturmaktadır.
Varşova Üniversitesi Fizik Fakültesi’nden Prof Krzysztof Wohlfeld, “Araştırmamız sadece mıknatıslar hakkındaki bilgilerimizi derinleştirmekle kalmıyor, aynı zamanda fizik ve teknolojinin diğer alanlarında da geniş kapsamlı sonuçlar doğurabilir” diyor.
Kaynak: https://scitechdaily.com