Rice Üniversitesinden araştırmacılar, CeMgAl11O19 adlı seryum temelli üçgen örgü yapısına sahip bir manyetik malzemenin sanıldığı gibi kuantum spin sıvı fazında olmadığını gösteriyor. Kuantum spin sıvılarında atomların manyetik yönleri (spinleri) klasik mıknatıslardaki gibi sabit bir düzene kilitlenmez. Manyetik malzemede spinler ya aynı yönde ya da zıt yönlerde dizilir ve bu düzen sabit kalır. Kuantum spin sıvılarında ise spinler sürekli hareket eden ve dalgalanan bir kuantum durumunda kalır. Yani sistem tek bir manyetik düzen oluşturmaz. Bu yüzden ölçümlerde tek bir enerji seviyesi yerine çok sayıda enerji durumunun oluşturduğu geniş bir spektrum görülür.
Önceki gözlemler, CeMgAl11O19’un manyetik düzen göstermemesi nedeniyle kuantum spin sıvısı olabileceğini düşündürüyordu. Ancak yapılan detaylı deneyler ve teorik analizler, bu yorumun eksik olduğunu gösteriyor. Araştırmacılar, malzemenin iç yapısında bulunan zayıf ve donmuş düzensizliklerin (quenched disorder) sistemin tek bir temel duruma yerleşmesini engellediğini belirliyor. Bu durum, birbirine çok yakın enerjilere sahip çok sayıda manyetik konfigürasyonun aynı anda var olmasına izin veriyor. Sonuçta malzeme, tek bir düzenli manyetik yapı yerine enerjileri birbirine çok yakın olan durumlar topluluğu içinde kalıyor ve manyetik düzen oluşmuyor.
Bu koşullarda nötron saçılması deneylerinde görülen enerji spektrumu, tek bir kuantum durumdan değil, farklı konfigürasyonlara ait çok sayıda klasik spin dalgası spektrumunun ortalamasından oluşuyor. Başka bir deyişle, deneylerde gözlenen sürekli enerji dağılımı aslında kuantum spin sıvılarında beklenen kesirli uyarımlardan değil, birbirine yakın enerjili klasik manyetik durumların istatistiksel ortalamasından kaynaklanıyor. Kuantum spin sıvılarında uyarım parçalara ayrılmış gibi davrandığından buna kesirli uyarım deniyor.
Sebebi manyetik rekabet
Malzemedeki ilginç davranışın arkasında ise iki farklı manyetik etkileşimin rekabeti yer alıyor. Normalde manyetik malzemelerde atomların spinleri ya ferromanyetik bir düzen oluşturur ve aynı yönde hizalanır ya da antiferromanyetik bir düzen kurarak komşu spinler zıt yönlere yerleşir. Bu iki düzen genellikle malzemeyi tek bir kararlı manyetik yapıya götürür. Ancak CeMgAl11O19’da ferromanyetik ve antiferromanyetik etkileşimler birbirine çok yakın güçte olduğu için sistem hangi düzeni seçeceğine karar veremiyor. Sonuçta malzemede tek bir manyetik düzen oluşmuyor ve çok sayıda farklı manyetik durum aynı anda mümkün hale geliyor.
Çalışmanın en önemli sonucu ise kuantum spin sıvılarının tanımlanmasında kullanılan temel deneysel göstergelerden birinin tek başına yeterli olmadığını ortaya koyması. Araştırmaya göre, geniş bir spin uyarım sürekliliğinin gözlenmesi ve manyetik düzenin bulunmaması, bir malzemenin mutlaka kuantum spin sıvısı olduğu anlamına gelmeyebilir. Benzer bir spektrum, birbirine çok yakın enerjili klasik manyetik durumların ortalamasından da ortaya çıkabiliyor.
Kaynak: Science Advances