Fizikçi Andrea Bianchi, laboratuvarında oluşturulan manyetik bir malzemede “kuantum spin sıvısı” durumunu gözlemledi.
Her gün birisinin kuantum fiziğinde maddenin yeni bir durumunu keşfetmesi, atomik ve atom altı parçacıkların özelliklerini anlamak için davranışlarını tanımlamaya ayrılmış bilimsel alan değil.
Ancak uluslararası bir araştırma ekibinin yaptığı tam olarak bu. Ekip, Montreal Üniversitesi fizik profesörü ve Regroupement québécois sur les matériaux de pointe’de araştırmacı olan Andrea Bianchi ile öğrencileri Avner Fitterman ve Jérémi Dudemaine’den oluşuyor.
Physical Review X dergisinde yayınlanan yakın tarihli bir makalede, bilim adamları Bianchi’nin laboratuvarında oluşturulan manyetik bir malzemede “kuantum dönüşlü sıvı zemin durumunu” belgeliyor: seryum, zirkonyum ve oksijenden oluşan bir bileşik olan Ce2Zr2O7.
Aşırı soğuk bir katının içinde kilitli bir sıvı gibi
Kuantum fiziğinde spin, elektronların dönüşlerine bağlı dahili bir özelliktir. Mıknatıstaki malzemeye manyetik özelliklerini veren de spindir.
Bazı malzemelerde spin, bir sıvıdaki moleküllerinkine benzer düzensiz bir yapıya neden olur, bu nedenle “spin sıvısı” ifadesi ortaya çıkar.
Genel olarak, bir malzeme sıcaklığı arttıkça daha düzensiz hale gelir. Örneğin su buhara dönüştüğünde durum böyledir. Ancak spin sıvılarının temel özelliği, mutlak sıfıra (–273°C / –459.67°F) kadar soğutulduklarında bile düzensiz kalmalarıdır.
Spin sıvıları düzensiz kalır, çünkü tüm dönüşlerin hizalandığı geleneksel bir mıknatısta olduğu gibi, katı bir durumda stabilize etmek yerine malzeme soğudukça dönüş yönü dalgalanmaya devam eder.
Elektronların “sinir bozucu” sanatı
Bir elektronu, yukarıyı veya aşağıyı gösteren küçük bir pusula olarak hayal edin. Geleneksel mıknatıslarda, elektron dönüşlerinin tümü aynı yönde, yukarı veya aşağı yönelir ve “ferromanyetik faz” olarak bilinen şeyi yaratır. Fotoğraflarınızı ve notları buzdolabınıza sabitleyen şey budur.
Ancak kuantum spinli sıvılarda, elektronlar üçgen bir kafes içinde konumlanır ve sıralarına müdahale eden yoğun türbülans ile karakterize edilen bir “ménage à trois” oluşturur. Sonuç, dolanık bir dalga fonksiyonudur ve manyetik düzen yoktur.
Bianchi, “Üçüncü bir elektron eklendiğinde, elektron dönüşleri hizalanamaz çünkü iki komşu elektronun her zaman karşıt dönüşlere sahip olması gerekir, bu da manyetik önleme dediğimiz şeyi yaratır,” diye açıkladı Bianchi. “Bu, çok düşük sıcaklıklarda bile dönüş düzensizliğini ve dolayısıyla sıvı halini koruyan uyarılar üretir.”
Peki üçüncü bir elektronu nasıl eklediler?
Bir ménage à trois yaratmak
Ce2Zr2O7, manyetik özelliklere sahip seryum bazlı bir malzemedir. Bianchi, “Bu bileşiğin varlığını biliyorduk” dedi. “Bizim atılımımız onu benzersiz bir şekilde saf bir biçimde yaratmaktı. Mükemmele yakın bir üçgen atom dizilimi üretmek için optik bir fırında erimiş numuneler kullandık ve ardından kuantum durumunu kontrol ettik.”
Almanya, Dresden’deki McMaster ve Colorado Eyalet üniversiteleri, Los Alamos Ulusal Laboratuvarı ve Max Planck Karmaşık Sistem Fiziği Enstitüsü’ndeki araştırmacılarla birlikte çalışarak bileşiğin manyetik difüzyonunu ölçtüler.
Bianchi, “Ölçümlerimiz örtüşen bir parçacık işlevi gösterdi – bu nedenle Bragg tepe noktası yok – klasik manyetik düzenin yokluğunun açık bir işareti” dedi. “Ayrıca, dönüş sıvılarının ve manyetik engellenmenin karakteristiği olan, sürekli dalgalanan yönlere sahip bir dönüş dağılımı gözlemledik. Bu, yarattığımız malzemenin düşük sıcaklıklarda gerçek bir spin sıvısı gibi davrandığını gösteriyor.”
DOI: 10.1103/PhysRevX.12.021015
Daha fazla içerik için tıklayın.