Kuantum spin sıvıları için yeni bir aday malzeme
1973’te fizikçi ve daha sonra Nobel ödüllü Philip W. Anderson, tuhaf bir madde durumu önerdi: kuantum spin sıvısı (QSL). Bildiğimiz günlük sıvıların aksine, QSL aslında manyetizma ile ilgilidir ve manyetizma spin ile ilgilidir.
Düzensiz elektron spini QSL’ler üretir
Bir mıknatıs ne yapar? Bu uzun süreli bir gizemdi, ancak bugün sonunda manyetizmanın elektronlar gibi atom altı parçacıkların kendine özgü bir özelliğinden kaynaklandığını biliyoruz. Bu özelliğe “spin” denir ve onu düşünmenin en iyi – ancak fena halde yetersiz – yolu, bir çocuğun dönen oyuncağı gibidir.
Manyetizma için önemli olan şey, spinin, bir malzemenin milyarlarca elektronunun her birini kendi manyetik “yönü” ile (bir mıknatısın kuzey ve güney kutbunu düşünün) küçük bir mıknatısa dönüştürmesidir.
Ancak elektron dönüşleri izole değildir; çeşitli manyetik durumlar oluşturmak için stabilize olana kadar birbirleriyle farklı şekillerde etkileşime girerler ve böylece manyetik özelliklere ait olan malzemeyi verirler.
Geleneksel bir mıknatısta, etkileşimli dönüşler stabilize olur ve her elektronun manyetik yönleri hizalanır. Bu, kararlı bir oluşumla sonuçlanır.
Ancak “hüsrana uğramış” mıknatıs olarak bilinen şeyde, elektron dönüşleri aynı yönde stabilize olamaz. Bunun yerine, sürekli olarak bir sıvı gibi dalgalanırlar – bu nedenle “kuantum spin sıvısı” adı verilir.
Geleceğin teknolojilerinde kuantum spin sıvıları
QSL’ler hakkında heyecan verici olan şey, bir dizi uygulamada kullanılabilmeleridir. QSL’ler farklı özelliklere sahip farklı çeşitlerde geldikleri için kuantum hesaplamada, telekomünikasyonda, süperiletkenlerde, spintroniklerde (akım yerine elektron spin kullanan bir elektronik türü) ve diğer kuantum tabanlı teknolojilerde kullanılabilir.
Ancak bunları kullanmadan önce, QSL durumları hakkında sağlam bir anlayış kazanmalıyız. Bunu yapmak için, bilim insanlarının talep üzerine QSL üretmenin yollarını bulmaları gerekiyor – şu ana kadar zor olduğu kanıtlanmış bir görev ve QSL adayları olarak sunulan yalnızca birkaç malzeme var.
Karmaşık bir malzeme karmaşık bir sorunu çözebilir
PNAS’ta yayın yapan , Péter Szirmai ve Bálint Náfrádi liderliğindeki bilim adamları, László Forró’nun EPFL Temel Bilimler Okulu’ndaki laboratuvarında başarılı bir şekilde EDT-BCO olarak bilinen oldukça orijinal bir materyalde bir QSL üretti ve üzerinde çalıştı. Sistem, Université d’Angers’daki (CNRS) Patrick Batail grubu tarafından tasarlanmış ve sentezlenmiştir.
EDT-BCO’nun yapısı, bir QSL oluşturmayı mümkün kılan şeydir. EDT-BCO’daki elektron dönüşleri, her biri bir spin-1/2 manyetik momentine sahip olan üçgen şeklinde düzenlenmiş dimerler oluşturur; bu, elektronun ilk konfigürasyonuna geri dönmek için iki kez tam olarak dönmesi gerektiği anlamına gelir.
Spin-1/2 dimer tabakaları, bir kiral bisiklooktan tarafından ortalanmış bir karboksilat anyonları alt örgüsü ile ayrılır. Anyonlar, konformasyonel ve dönme serbestlik derecelerine sahip oldukları için “rotorlar” olarak adlandırılırlar.
Manyetik bir sistemdeki benzersiz rotor bileşeni, malzemeyi yeni bir malzeme ailesini temsil eden QSL adayları arasında özel kılar. Szirmai, “Rotor bileşenlerinin neden olduğu ince bozukluk, eğirme sistemine yeni bir yön katıyor” diyor.
Bilim adamları ve işbirlikçileri, EDT-BCO’yu QSL malzeme adayı olarak keşfetmek için bir dizi yöntem kullandı: yoğunluk fonksiyonel teori hesaplamaları, yüksek frekanslı elektron spin rezonans ölçümleri (Forró’nun laboratuvarının ticari markası), nükleer manyetik rezonans ve müon spin spektroskopisi. Tüm bu teknikler, EDT-BCO’nun manyetik özelliklerini farklı açılardan araştırır.
Tüm teknikler, uzun menzilli manyetik düzenin yokluğunu ve bir QSL’nin ortaya çıkışını doğruladı. Kısacası, EDT-BCO resmi olarak sınırlı QSL malzemeleri sıralamasına katılıyor ve bizi yeni nesil teknolojilere doğru bir adım daha ileri götürüyor. Bálint Náfrádi’nin belirttiği gibi: “QSL durumunun mükemmel gösteriminin ötesinde, çalışmalarımız son derece alakalı, çünkü özel olarak tasarlanmış fonksiyonel rotor molekülleri aracılığıyla ek QSL malzemeleri elde etmek için bir araç sağlıyor.”