Mühendisler Grafen Gibi Davranan Alışılmadık Manyetik Bir Malzeme Yarattı
Illinois Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, uzun zamandır ayrı olarak kabul edilen yoğun madde fiziğinin iki alanı arasında şaşırtıcı bir matematiksel bağlantı keşfettiler.
İki boyutlu malzemelerin elektronik ve manyetik davranışları, geleceğin teknolojileri için önemli bir potansiyel taşımaktadır. Uzun yıllar boyunca bilim insanları bu iki özelliği birbirinden bağımsız olarak ele almışlardır. Illinois Üniversitesi Grainger Mühendislik Fakültesi’ndeki mühendisler, bu iki özelliğin aynı matematiksel çerçeve kullanılarak tanımlanabileceğini göstermişlerdir.
Physical Review X’te yayınlanan bir çalışmada , Illinois Urbana-Champaign Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, dikkatlice tasarlanmış iki boyutlu manyetik sistemlerin, grafendeki hareketli elektronları yöneten denklemlerin aynısını nasıl izleyebileceğini gösterdi . Bu bağlantı, radyo frekansı teknolojilerinin gelişimini etkileyebilir ve bilim insanlarına bu tür malzemeleri analiz etme ve tasarlama konusunda yeni bir strateji sunabilir.
“2 boyutlu elektronik ile 2 boyutlu manyetik davranışlar arasında bir benzerlik olduğu hiç de açık değil ve bu benzerliğin ne kadar iyi çalıştığına hala hayret ediyoruz,” diyor çalışmanın baş yazarı Bobby Kaman. “Graphene’in keşfi sayesinde 2 boyutlu elektronik çok iyi inceleniyor ve şimdi de çok iyi incelenmemiş bir malzeme sınıfının aynı temel fiziğe uyduğunu gösterdik.”
Metamalzemelerden İlham
Bu kavram, Axel Hoffmann’ın araştırma grubunda malzeme bilimi ve mühendisliği yüksek lisans öğrencisi olan Kaman’ın metamalzemeleri incelerken ortaya çıktı . Bu malzemeler, orijinal maddenin atomik ölçekteki formunda mümkün olmayan davranışlar üreten, dikkatlice düzenlenmiş iç yapılarla tasarlanmıştır.
Grafen içinden geçen elektronlar ve manyetik malzemeler olarak adlandırılan maddelerdeki küçük manyetik bozulmalar, her ikisi de dalga gibi davranabilir. Bu benzerlik, Kaman’ı, manyetik bir malzemenin grafende görülen elektronik davranışı taklit edecek şekilde tasarlanıp tasarlanamayacağını merak etmeye yöneltti.
Kaman, “Grafen, iletken elektronlarının kütlesiz dalgalar halinde organize olması nedeniyle benzersizdir; bu nedenle, manyetik bir malzemenin fiziksel geometrisini grafene benzeyecek şekilde değiştirmenin, onun grafen gibi davranmasını sağlayıp sağlamayacağını merak ettim,” dedi. “Belki grafene benzer birkaç özelliği olacağını düşünmüştüm, ancak benzerlik beklediğimden çok daha derin ve zengindi.”
Bu fikri test etmek için ekip, “spin” olarak bilinen mikroskobik manyetik momentlerin ince bir film içinde düzenlendiği bir sistemi inceledi. Filmin yüzeyi, grafenin yapısına benzeyen altıgen bir düzende yerleştirilmiş delikler içeriyor.
Araştırmacılar, malzeme içinden geçen ve spin dalgaları olarak adlandırılan bozulmaların enerjilerini hesapladıklarında, bu dalgaların grafen içinden geçen elektronları tanımlayan aynı matematiksel kurallara uyduğunu keşfettiler.
Daha Karmaşık Bir Davranış Yelpazesi
Grafen ile olan benzetme açık olsa da, sistemin araştırmacıların başlangıçta beklediğinden daha karmaşık olduğu ortaya çıktı. Analizleri, dokuz farklı enerji bandı ortaya koydu; bu da malzemenin aynı anda birkaç farklı davranış türünü destekleyebileceği anlamına geliyor.
Bu davranışlardan biri, grafendeki elektron dalgalarına çok benzeyen kütlesiz spin dalgalarını içerir. Sistem ayrıca, yerelleşmiş durumlarla bağlantılı düşük dağılımlı bantların yanı sıra farklı bantlarda ortaya çıkan topolojik etkiler de içerir.
Hoffmann, “Bobby’nin çalışmasını olağanüstü kılan şey, tasarlanmış bir spin sistemi ile temel bir fizik modeli arasında doğrudan bir bağlantı kurmasıdır,” dedi. “Manyetik kristaller, yapı ve geometriye bağlı çok çeşitli olaylar üretmeleriyle ünlüdür ve bunların çoğu gerçekten anlaşılmadan kataloglanmıştır. Bu sistemdeki grafen benzetmesi, gözlemlenen davranışlar için net bir açıklama sunmaktadır.”
Araştırmacılar, bulgularının bilimsel anlayışı geliştirmenin yanı sıra pratik teknolojilere de yol açabileceğini söylüyor. İlgi alanlarından biri de kablosuz ve hücresel iletişim sistemlerinde kullanılan mikrodalga bileşenleridir.
Hoffmann, “Bu tür cihazlardan biri, mikrodalga radyo sinyallerinin yalnızca tek yönde yayılmasına izin veren bir ‘mikrodalga sirkülatörü’dür,” diye açıkladı. “Bunlar genellikle hantal yapıdadır, ancak incelediğimiz manyetik sistem, mikrodalga cihazlarının mikrometre ölçeğine kadar küçültülmesine olanak sağlayabilir.”
Derleyen: Feyza ÇETİNKOL
Kaynak: Mühendisler Grafen Gibi Davranan Alışılmadık Manyetik Bir Malzeme Yarattı
Kablosuz Retina İmplantı, Görme Engelli Hastaların Tekrar Görmesine Yardımcı Oluyor