Rutgers Üniversitesi’nden araştırmacılar, manyetik monopol ve Weyl fermiyonlarını içeren ve daha önce birleşimi ‘imkansız’ görülen yeni bir kuantum malzeme sentezledi.
Rutgers Üniversitesi-New Brunswick önderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi, daha önce var olması imkansız görülen iki laboratuvar ortamında sentezlenmiş malzemeyi birleştirerek yapay bir kuantum yapı oluşturdu. Bu yeni yapı, kuantum bilgisayarların temelinde yer alabilecek yeni malzemelerin geliştirilmesine ışık tutabilir.
Nano Letters dergisinde yayımlanan araştırmada, dört yıl süren deneyler sonucunda yeni bir atomik katman yapısının geliştirildiği belirtiliyor. Elde edilen mikroskobik yapı, iki farklı katmandan oluşuyor. Bu katmanlardan biri, nükleer reaktörlerde radyoaktif maddeleri yakalamak ve manyetik monopol parçacıklarını hapsetmek için kullanılan disprosyum titanat içeriyor. Diğeri ise elektronik, topolojik ve manyetik özellikleriyle dikkat çeken yeni bir manyetik yarı metal olan piroklor iridattan oluşuyor.
Her iki malzeme de tek başına kuantum fiziğinin mevcut anlayışına meydan okuyan özellikler sergilediği için “imkansız” olarak nitelendiriliyor. Ancak bilim insanları, bu iki malzemeyi bir araya getirerek malzemelerin temas ettiği atomik ölçekli bölgeyi inceleme fırsatı buldu.
Çalışmanın başyazarı ve Rutgers Üniversitesi’nde deneysel fizik profesörü olan Jak Chakhalian, “Bu araştırma, tamamen yeni iki boyutlu kuantum malzemeler tasarlamak için yeni bir yol sunuyor. Kuantum teknolojilerini ileriye taşımak ve bu malzemelerin temel özelliklerini keşfetmek için önemli bir adım” dedi.
Sınırları zorlayan keşif
Araştırma ekibi, çalışmaları sırasında kuantum fiziğinin temel ilkelerinden biri olan dalga-parçacık ikiliğini göz önünde bulundurdu. Kuantum nesneleri, hem dalga hem de parçacık özellikleri gösterebilir. Bu özellik, lazerler, manyetik rezonans görüntüleme (MR) cihazları ve transistörler gibi teknolojilerin temelini oluşturuyor.
Rutgers Üniversitesi’nden doktora öğrencileri Michael Terilli ve Tsung-Chi Wu ile 2024 yılında mezun olan Dorothy Doughty’nin araştırmaya önemli katkılarda bulunduğu belirtildi. Ayrıca, malzeme bilimci Mikhail Kareev ve fizik doktorasını tamamlayan Fangdi Wen de çalışmanın sentez sürecine büyük katkılar sağladı.
Bu kuantum malzemeyi üretmek için özel bir cihaz geliştirmek gerektiğini belirten Chakhalian, 2023 yılında tamamlanan “Q-DiP” adlı yeni bir araştırma platformu sayesinde bu yapının üretildiğini açıkladı. Q-DiP, malzemeleri atomik düzeyde katman katman inşa etmeye olanak tanıyan bir lazer ısıtıcı sistemi içeriyor.
Manyetik monopol ve Weyl fermiyonları
Oluşturulan yapının disprosyum titanat içeren kısmı, “spin ice” (dönüş buz) adı verilen özel bir manyetik yapıya sahip. Bu yapıdaki küçük mıknatıslar, su buzundaki atom düzenine benzer bir formasyon oluşturuyor ve manyetik monopol adı verilen özel parçacıkların ortaya çıkmasını sağlıyor.
Manyetik monopol, yalnızca kuzey veya güney kutbu olan tekil bir mıknatıs gibi davranan bir parçacık. Nobel ödüllü fizikçi Paul Dirac tarafından 1931’de teorik olarak öngörülen bu parçacık, serbest halde doğada bulunmuyor. Ancak disprosyum titanat içinde kuantum mekaniksel etkileşimler sonucu ortaya çıkabiliyor.
Yapının diğer yarısını oluşturan piroklor iridat ise Weyl fermiyonları adı verilen egzotik parçacıklar içeriyor. 1929’da Hermann Weyl tarafından tahmin edilen bu parçacıklar, 2015 yılında kristallerde keşfedildi. Weyl fermiyonları, ışık gibi hareket ediyor ve solak veya sağlak olacak şekilde iki farklı spin yönelimi gösterebiliyor.
Bu özel özellikleri nedeniyle piroklor iridat, elektrik akımını çok iyi iletebiliyor, manyetik alanlara sıra dışı tepkiler verebiliyor ve elektromanyetik alanlara maruz kaldığında özel etkiler gösteriyor.
Bu yeni kuantum malzemenin nükleer reaktörler için de potansiyel kullanım alanları bulunuyor. Özellikle disprosyum titanat, halihazırda reaktörlerde radyoaktif maddeleri yakalamak ve kontrol etmek için kullanılan bir bileşen. Yeni sentezlenen yapıda bu malzemenin bulunması, reaktör güvenliği ve radyasyon yönetimi açısından yenilikçi çözümler sunabilir. Ayrıca, manyetik monopol ve Weyl fermiyonları içeren bu yapı, manyetik alan yönetimi ve hassas sensör teknolojileri sayesinde nükleer enerji sistemlerinde daha verimli kontrol mekanizmalarının geliştirilmesine katkı sağlayabilir. Ancak, doğrudan nükleer reaktörlerde kullanılabilmesi için daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyuluyor.
Chakhalian, bu yeni malzemenin özellikle kuantum sensörleri ve spintronik cihazlar için büyük bir potansiyele sahip olduğunu belirtti. “Bu çalışma, malzeme sentezi alanında önemli bir ilerleme sağladı ve gelecekte kuantum sensörleri ve gelişmiş spintronik cihazların üretiminde devrim yaratabilir” dedi.
Kuantum bilgisayarlar, bilgiyi işlemek için kuantum mekaniğinin ilkelerini kullanıyor. Bu cihazlar, süperpozisyon adı verilen fiziksel ilke sayesinde birden fazla durumu aynı anda temsil edebilen kuantum bitleri (kubitler) kullanarak klasik bilgisayarlardan çok daha karmaşık hesaplamaları daha verimli şekilde gerçekleştirebiliyor.
Araştırmacılar, geliştirdikleri yeni malzemenin elektronik ve manyetik özelliklerinin kararlı ve olağanüstü kuantum durumlarının oluşturulmasını sağlayabileceğini düşünüyor.
Kuantum teknolojilerinin günlük hayata entegre edilmesiyle ilaç keşfi ve tıbbi araştırmaların hızlanması, finans, lojistik ve üretimde daha iyi tahminleme ve maliyet tasarrufları sağlanması bekleniyor. Ayrıca, yapay zeka algoritmalarını daha güçlü hale getirerek bu alandaki ilerlemeleri de hızlandırabilir.
Kaynak: Rutgers University
