Kuantum Dünyasında Büyük Yanılgı: Bilim İnsanlarının Gözünden Kaçan “Egzotik” Gerçek
Kuantum spin sıvısı olduğu düşünülen bir malzemenin aslında, rekabet eden ferromanyetik ve antiferromanyetik etkileşimlerden kaynaklanan yeni tanımlanmış bir manyetik durum sergilediği ortaya çıktı.
Kuantum spin sıvısı fazına giren malzemeler, alışılmadık özellikleri ve kuantum hesaplamadaki potansiyel uygulamaları nedeniyle önemli ilgi çekmektedir. Bununla birlikte, kuantum dünyası genellikle şaşırtıcı sonuçlar sunar. Science Advances’te yayınlanan ve Rice Üniversitesi fizikçisi Pengcheng Dai’nin eş liderliğini yaptığı yakın tarihli bir çalışma, sezyum magnezyum heksallüminatın (CeMgAl11O19) daha önceki gözlemler bu yöne işaret ediyor gibi görünse de aslında bir kuantum spin sıvısı oluşturmadığını buldu.
Rice’da araştırma bilimcisi ve eş ilk yazar olan Bin Gao, “Malzeme, iki özelliği nedeniyle kuantum spin sıvısı olarak sınıflandırılmıştı: durumların sürekliliğinin gözlemlenmesi ve manyetik düzenin olmaması,” dedi. “Ancak malzemenin daha yakından incelenmesi, bu gözlemlerin altında yatan nedenin bir kuantum spin sıvısı fazı olmadığını gösterdi.”
CeMgAl11O19 gibi yalıtım malzemelerinde, sezyum gibi manyetik iyonlar iki düzenlemeden birini benimseyebilir: ferromanyetik veya antiferromanyetik. Ferromanyetik durumda, bir iyon yakındaki iyonları aynı yönde hizalanmaya yönlendirme eğilimindedir ve bu da manyetik momentlerin aynı yöne işaret ettiği bir yapıya yol açar. Antiferromanyetik durumda ise, komşu iyonlar zıt yönlerde yönlenerek alternatif bir desen oluşturur. Araştırmacılar, malzemeyi mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara soğutarak bu manyetik düzenlemelerin nasıl oluştuğunu gözlemleyebilirler.
Manyetik Malzemelerde Ferromanyetik ve Antiferromanyetik Durumlar
Son derece düşük sıcaklıklarda, geleneksel kuantum dışı malzemeler, iyonları bu manyetik durumlardan birinde hizalandığında tek bir düşük enerjili konfigürasyona yerleşir. Tüm iyonlar ya ferromanyetik ya da antiferromanyetik düzenlemeyi benimsediğinden, araştırmacılar genellikle yalnızca tek bir kararlı düşük enerjili durum gözlemler.
Kuantum spin sıvıları farklı davranır. Mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda bile, bu malzemeler tek bir konfigürasyona yerleşmez. Bunun yerine, kuantum mekaniksel etkiler, birden fazla düşük enerjili durum arasında sürekli olarak geçiş yapmalarına olanak tanır. Bu dinamik davranış, tek bir durum yerine bir durum sürekliliği üretir. Ayrıca, malzemenin sabit bir manyetik desen geliştirmesini engeller; bu da tek bir düzenli yapı yerine hem ferromanyetik hem de antiferromanyetik düzenlemelerin ortaya çıkması anlamına gelir.
CeMgAl11O19 bu özelliklerin her ikisini de sergiledi. Belirgin bir manyetik düzen göstermedi ve sürekli bir durum yelpazesi üretti. Bununla birlikte, ayrıntılı analiz, bu davranışın gerçek bir kuantum spin sıvısından kaynaklanmadığını ortaya koydu. Bunun yerine, malzemenin içindeki rekabet eden ferromanyetik ve antiferromanyetik etkileşimlerden kaynaklanan durumların dejenerasyonundan kaynaklanıyordu.
CeMgAl11O19’un Alışılmadık Manyetik Davranışının Araştırılması
“Daha önce görmediğimiz bir dizi özelliğe sahip olan bu malzemeyle ilgileniyorduk,” diyor Rice Üniversitesi’nde araştırma bilimcisi ve çalışmanın ortak ilk yazarı Tong Chen. “Kuantum spin sıvısı değildi, ancak kuantum spin sıvısıyla ilişkili olduğunu düşündüğümüz davranışları gözlemliyorduk.”
Alışılmadık sinyallerin kaynağını anlamak için araştırma ekibi, ek ölçümlerle birlikte nötron saçılım deneyleri kullandı. Sonuçları, CeMgAl11O19’daki ferromanyetik ve antiferromanyetik durumları ayıran sınırın çoğu manyetik malzemeye göre daha zayıf olduğunu güçlü bir şekilde gösterdi. Bu daha zayıf sınır nedeniyle, manyetik iyonlar iki olasılık arasında daha kolay geçiş yapabilir.
Sonuç olarak, iyonlar tek bir düzenli konfigürasyona kilitlenmez. Bunun yerine, bazıları ferromanyetik hizalanmayı benimserken, diğerleri aynı yapı içinde antiferromanyetik kalır. Bu karışım, uzun menzilli manyetik düzenin oluşmasını engeller.
Sıralamanın olmaması, malzemenin sahip olabileceği düşük enerjili konfigürasyonların sayısını da artırır. Mutlak sıfıra yakın bir sıcaklığa soğutulduğunda, CeMgAl11O19 birkaç düşük enerjili durumdan herhangi birine yerleşebilir. Bu, tipik olarak kuantum spin sıvılarıyla ilişkilendirilen sürekliliğe benzeyen bir dizi gözlemlenebilir durum üretir. Bununla birlikte, malzeme gerçekte o fazda olmadığı için, bir duruma yerleştikten sonra bu durumlar arasında hareket edemez.
Rice Üniversitesi Profesörü Pengcheng Dai. Fotoğraf: Jeff Fitlow/Rice Üniversitesi
Yeni Bir Manyetik Madde Halinin Keşfi
“Malzemenin farklı düşük enerjili durumlar arasında ‘seçme’ yeteneği, kuantum spin sıvı durumuna çok benzer gözlemsel veriler üretti,” diyor bu çalışmanın baş yazarı Dai. “Bu, bildiğimiz kadarıyla ilk kez tanımladığımız yeni bir madde halidir.”
Dai, bu tür keşiflerin bilim insanlarının kuantum malzemeler hakkında hala ne kadar çok şey öğrenmesi gerektiğini vurguladığını belirtti. “Bu, dikkatli gözlem ve verilerinizin kapsamlı bir şekilde incelenmesinin önemini vurguluyor.”
Kaynak: https://scitechdaily.com