Kristal yapıya gönderilen lazer ışığı, içindeki magnon adı verilen kuantum parçacıklarının titreşimini ve etkisini anlık olarak değiştirdi.
Araştırmacılar, hematit kristaline lazer ışığı göndererek içindeki magnonların, yani kuasiparçacıkların frekansını ve etkisini ışık aracılığıyla değiştirmeyi başardı. Pusulalarda yön bulmak için kullanılan demir cevheri hematitin ışıkla uyarıldığında manyetik özelliklerini yeniden düzenleyebildi.
Science Advances dergisinde yayımlanan çalışmada, Almanya’daki araştırma ekibi hematit kristaline son derece kısa süreli ve yüksek frekanslı lazer darbeleri uyguladı. Bu lazer darbeleri, kristal içindeki manyetik titreşimlerin doğrudan kontrol edilmesini sağladı.
Yapılan ölçümler ise bu değişimlerin yalnızca ışıkla ortaya çıktığını ve kristaldeki sıcaklık artışının sadece 0,24 derece olduğunu gösterdi. Bu bulgu, etkinin ısınmadan değil, doğrudan optik bir mekanizmayla gerçekleştiğini kanıtladı.
Nedir bu magnonlar?
Katı maddelerin yapısında, elektronların kendi eksenlerinde dönme (spin) hareketlerinden kaynaklanan ve tüm yapı boyunca yayılan kolektif salınımlar bulunur. Bu kuantum salınımları, fizik dünyasında “magnon” olarak tanımlanır.
Magnonlar, enerji ve bilgi taşıyabilen kuasiparçacıklar olarak bir taşın suya düşmesiyle oluşan halka dalgaları gibi, malzeme boyunca düzenli şekilde yayılır. Ancak bugüne kadar bu parçacıkların titreşim hızlarının, yani frekanslarının doğrudan ve anlık kontrolü mümkün değildi.
Bu noktada hematit kristali, oda sıcaklığında dahi “antiferromanyetik” özellik göstermesiyle birlikte yapısında atomların manyetik alanları birbirine zıt yönlerde dizildiğinden, dışarıdan bakıldığında mıknatıs gibi davranmasa da iç yapısında son derece düzenli bir manyetik yapı barındırıyor. Bu özgün manyetik düzen, hematiti magnonların yani manyetik kuasiparçacıkların lazer ışığıyla hassas biçimde kontrol edilmesine olanak tanıyan ideal bir malzeme haline getiriyor.
Deney nasıl yapıldı?
Araştırma ekibi, hematit kristaline saniyenin katrilyonda biri kadar kısa süren ve terahertz frekansında titreşen lazer darbeleri gönderdi. Bu kısa ve güçlü lazer darbeleri, kristal içinde önce yüksek enerjili magnonların oluşmasına yol açtı. Ardından bu yüksek enerjili magnonlar, kristalin merkezinde bulunan daha düşük enerjili titreşimlerle etkileşerek onların hem frekansını hem de şiddetini değiştirdi.
Lazerin frekansı hematitin doğal rezonansına denk getirildiğinde, kristaldeki iki temel manyetik titreşim modundan biri hızlanırken diğeri yavaşladı. Her iki titreşimin şiddeti de birkaç kat artış gösterdi. Ölçümler, lazer uygulamasının yalnızca 0.24 derecelik sıcaklık artışına neden olduğunu doğruladı. Bu da gözlenen değişimlerin tamamen ışığın optik etkisiyle ortaya çıktığını kanıtlıyor.
Yeni mekanizma: 2M Rezonant Raman Saçılması
Araştırmacılar, gözlemlenen bu etkiyi açıklamak için “2M Rezonant Raman Saçılması” adını verdikleri yeni bir fiziksel mekanizma tanımladı. Bu süreçte lazer ışığı, kristal içindeki yüksek enerjili magnonları belirli bir frekansta uyarıyor.
Uyarılan bu magnonlar, kristalin başka bölgelerinde bulunan düşük enerjili magnonlarla karşılaşıyor. Bu etkileşim sonucunda düşük enerjili magnonların titreşim hızı ve etkisi değişiyor. Böylece kristalin manyetik yapısı, herhangi bir temas ya da ısıtma olmadan sadece lazer ışığıyla yeniden düzenlenmiş oluyor.
Etkinin yalnızca ışık kaynaklı olduğundan emin olmak isteyen araştırmacılar, atom düzeyinde bilgisayar simülasyonları gerçekleştirdi. Bu simülasyonlar, sadece yüksek enerjili magnonlar uyarıldığında deneyde gözlemlenen frekans değişimlerinin ortaya çıktığını doğruladı. Yani deney sonuçlarıyla simülasyonlar birebir örtüştü.
Yeni kuantum etkileri kazandırabilir
Araştırma, bir malzemenin manyetik özelliklerinin lazer ışığıyla anlık olarak kontrol edilebileceğini gösterdi. Bu yöntem sayesinde bir madde ışıkla mıknatıslanabilir veya mevcut manyetik özellikleri değiştirilebilir. Üstelik bu dönüşüm için maddeyi ısıtmaya gerek kalmıyor; değişim yalnızca ışık aracılığıyla gerçekleşiyor.
Diğer sonuçlardan biri ise normalde yalnızca mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda gözlemlenebilen bazı kuantum olaylarının oda sıcaklığında mümkün olabileceğini göstermesi. Örneğin, magnonların belirli bir düzende toplanarak birlikte tek bir kuantum varlığı gibi hareket etmesi, yani “Bose-Einstein yoğunlaşması”, bu yöntem sayesinde çok daha yüksek sıcaklıklarda da gözlemlenebilir hale geldi.
Bose-Einstein yoğunlaşması, aynı kuantum özelliklerine sahip parçacıkların (örneğin magnonlar gibi spin-1 taşıyan bozonların) düşük enerjili bir durumda birleşip tek bir süper parçacık gibi davranabiliyor. Bu durumda, bireysel davranışlar ortadan kalkar ve parçacıklar adeta “tek bir dalga” gibi hareket etmeye başlıyor. Normalde bu tür bir davranış, -273 derece yakın sıcaklıklarda gözlemlenebilirken, yeni deneysel yöntemle oda sıcaklığına yakın koşullarda da mümkün olduğu görüldü.
Araştırma, ışıkla yönlendirilebilen manyetik yapıların yalnızca temel bilimsel araştırmalar için değil, bilgi işlem ve elektronik teknolojileri için de kullanılabileceğini gösteriyor. Lazer ışığıyla kontrol edilen manyetik dalgalar, bilgisayarlar, veri depolama birimleri ve yapay zeka donanımları gibi alanlarda, düşük enerjiyle çalışan, aşırı ısınma sorunu olmayan ve yüksek hızda işlem yapabilen yeni sistemlerin geliştirilmesine olanak sağlayabilir. Özellikle terahertz frekanslarında çalışması hedeflenen bu tür teknolojilerin, bu çalışma ile birlikte uygulanabilir hale geldiği ifade ediliyor.
Kaynak: Science Advances
