Deneyde kullanılan X-ışını odaklama merceği, yüzyıllarca deniz fenerlerinde kullanılan bir tasarıma dayanmaktadır.
Bir fraktal, aynı nesne içinde farklı boyut ve ölçeklerde tekrar tekrar meydana gelen herhangi bir geometrik kalıptır. Bu “kendi kendine benzerlik”, doğanın her yerinde, örneğin bir kar tanesinin kenarlarında, bir nehir ağında görülebilir.
MIT fizikçileri de ilk kez kuantum materyalinde bu fraktal benzeri desenleri keşfettiler. (Kuantum, atomik ölçekli etkilerin bir sonucu olarak garip elektronik veya manyetik davranış sergileyen bir malzeme…)
Söz konusu malzeme, neodimyum nikel oksit veya NdNiO3’tür, sıcaklığına bağlı olarak hem elektriksel iletken hem de yalıtkan olarak paradoksal olarak hareket edebilen nadir bir toprak nickelatıdır. Materyal manyetikliği oryantasyonu malzeme boyunca aynı olmasa da, “etki alanları” yama çalışmasına benzese de, malzeme manyetik olur.
Araştırmalarında, araştırmacılar; malzemenin manyetik alanlarının dokusunda fraktal benzeri bir desen tanımladılar. Etki alanı boyutlarının dağılımının, daha yüksek sayıda küçük etki alanını ve daha düşük sayıda büyük etki alanını yansıtan bir aşağı eğime benzediğini buldular.
Araştırmacılar toplam dağılımın herhangi bir bölümünü yakınlaştırdığında, aynı aşağı doğru eğimli paterni gözlemleyebildiler.
Bilim insanları; nöromorfik cihazlar için olası bir yapı taşı olan, biyolojik nöronları taklit eden yapay sistemler de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için neodim nikel oksidi araştırıyorlar. Bir nöron aktif olmadığı için, aldığı gerilime bağlı olarak, NdNiO3 bir iletken veya bir yalıtkan olabilir. Araştırmacı Comin; malzemenin nano ölçekli manyetik ve elektronik dokularının anlaşılmasının benzer kapsamlardaki diğer malzemeleri anlamak ve üretmek için gerekli olduğunu söylüyor.
Odaklanmış Fenerler
Comin ve Li’nin araştırmasının amaçlarında kuantum materyalinde fraktallar bulmak yoktu. Bunun yerine, ekip sadece, sıcaklığın malzemenin manyetik alanları üzerindeki etkisini inceliyordu.
Comin: “Malzeme tüm sıcaklıklarda manyetik değildir. Malzemelerin soğutulması üzerine manyetik faza ulaşıldığında bu alanların nasıl ortaya çıktığını ve büyüdüklerini görmek istedik.”
Bunu yapmak için, ekibin; malzemenin nano ölçekte manyetik alanlarını ölçmek için bir yol bulması gerekiyordu.Çünkü bazı alanlar birkaç atom genişliğinde olduğu kadar küçük olabilir, diğerleri arasında on binlerce atom bulunur.
Araştırmacılar sıklıkla bir materyalin manyetik özelliklerini araştırmak için X ışınları kullanır. Burada, yumuşak X ışınları olarak bilinen düşük enerjili X ışınları; malzemenin manyetik düzenini ve konfigürasyonunu algılamak için kullanılmıştır. Comin ve meslektaşları bu çalışmaları Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki Ulusal Senkrotron Işık Kaynağı II kullanarak gerçekleştirdiler. Burada devasa, halka şeklinde bir parçacık hızlandırıcı, milyarlarca etrafa elektron salıyor. Bu makine tarafından üretilen yumuşak X ışınlarının parlak ışınları; malzemelerin en gelişmiş karakterizasyonu için bir araçtır.
Sonunda, araştırmacılar; yüzyıllarca deniz fenerlerinde kullanılan tasarıma dayanan yeni bir röntgene odaklanan lens geliştirdiler. Yeni X ışını probu; tek bir eğimli cam levha yerine, bir kavisli lens gibi hareket etmek üzere düzenlenmiş birçok cam parçasından yapılan bir tür kompozit lens olan Fresnel Lensi’ne dayanmaktadır. Deniz fenerlerinde, bir Fresnel Mercek birkaç metre boyunca uzanabilir ve parlak bir lamba tarafından üretilen dağınık ışığı denizdeki gemileri yönlendiren bir yön ışınına odaklamak için kullanılır. Comin ekibi; yaklaşık 100 mikron genişliğinde, daha küçük olmasına rağmen, yaklaşık 70 nanometreye kadar olan birkaç yüz mikronluk yumuşak bir X ışınını odaklamak için benzer bir mercek üretti.
Comin: “Bunun güzelliği, yüzyıllardır bilinen ve deniz fenerlerinde uygulanmış geometrik optiklerden konseptleri kullanıyoruz ve onları sadece 10.000 faktör kadar küçültüyoruz.”
Fraktal Dokular
Brookhaven’in senkrotron ışık kaynağındaki araştırmacılar; özel X-ışını odaklama merceklerini kullanarak, gelen yumuşak X-ışınlarını ince bir neodim nikel oksit filmine odakladılar. Ardından, manyetik alanların boyutlarını, şeklini ve yönelimlerini nokta nokta haritalamak için numune boyunca çok daha küçük, nanoskopik X-ışınlarını taradılar. Numuneyi farklı sıcaklıklarda haritaladılar ve malzemenin manyetik olduğunu veya belirli bir kritik sıcaklığın altında manyetik alanlar oluşturduğunu doğruladılar. Bu sıcaklığın üstünde, alanlar kayboldu ve manyetik düzen etkili bir şekilde silindi.
İlginç bir şekilde, ekip; numuneyi kritik sıcaklığın altına kadar soğuturlarsa, manyetik alanların neredeyse öncekiyle aynı yerde tekrar ortaya çıktığını keşfetti.
Comin: “Yani sistemin hafızası var. Materyal, manyetik bitlerin nerede olacağına dair bir hatırayı tutar. Bu da beklenmeyen bir durumdu. Tamamen yeni bir etki alanı dağılımı göreceğimizi düşündük ancak bu manyetik bitleri tamamen sildikten sonra bile aynı paternin yeniden ortaya çıktığını gözlemledik.”
Materyallerin manyetik alanlarını haritaladıktan ve her alanın boyutunu ölçtükten sonra; araştırmacılar, verilen büyüklükteki alan sayısını saymış ve sayılarını bir boyut fonksiyonu olarak çizdiler. Sonuçta ortaya çıkan dağılım; aşağı doğru bir eğime benziyordu.
Araştırmacı Li: “Birden fazla mekansal ölçeğe yayılan benzersiz zenginlik dokuları gözlemledik. En çarpıcı biçimde, bu manyetik kalıpların fraktal bir doğası olduğunu bulduk.”
Comin, bir malzemenin manyetik alanlarının nano ölçekte nasıl düzenlendiğini ve hafızasını gösterdiklerini bilmenin, örneğin yapay nöronların ve esnek manyetik veri depolama cihazlarının tasarlanmasında yararlı olduğunu söylüyor ve ekliyor:
“Sabit diskleri eğirmedeki manyetik disklere benzer şekilde, bir miktar bu manyetik alanlardaki bilgilerin depolanması öngörülebilir. Malzemenin bir tür belleği varsa, dış bozulmalara karşı dayanıklı bir sisteme sahip olabiliriz, bu nedenle ısıya maruz kalsa bile, bilgiler kaybolmaz.”