Lazer ve nötronlarla incelenen manyetik malzemede denge kuralı çiğnendi

ABD Enerji Bakanlığı'na bağlı Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'nda (ORNL) çalışan araştırmacılar ve iş birlikçileri, lazer ve nötronları birlikte kullanarak manyetik bir malzemede uzun ömürlü bir kuantum durumu gözlemledi. Çalışma, denge halinden çok uzağa itilmiş malzeme sistemlerini incelemek için yeni bir yol açıyor. Bulgular Nature Communications dergisinde yayımlandı.

Deneyde neler yapıldı?

Ekip, manyetik davranışın merkezinde yer alan magnonlara odaklandı. Magnonlar, bir malzemedeki manyetik uyarımların dalga benzeri hareketini temsil eden kuantum yarı parçacıklarıdır. Bilgi taşıyabilirler; kuantum mıknatıslar da veri aktarımı için uzun ömür ve bellek özelliği sunabilir.

Deneyde hızlı lazer darbeleri malzemeyi olağan dinlenme durumundan çıkardı. Malzemenin içindeki manyetik davranışın mikroskobik ayrıntılarını ise ORNL'deki Spallation Neutron Source tesisi ortaya koydu. Bu tesis, Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi'nin kullanıcı tesislerinden biri. Lazerle sürmeyi nötron saçılmasıyla birleştiren bu yaklaşım, dengeden uzak sistemlerin çalışmalarında alışılmış bir yöntem değil.

Araştırmacı Chengyun Hua, yeni bir yola girildiği için mekanik işler, güvenlik, donanım ve yazılım mühendisleri ile araştırma ekibinin hep birlikte alışılmışın dışında düşünmesi gerektiğini söyledi.

Denge kuralı nasıl bozuldu?

Ölçümler, malzemenin “ayrıntılı denge” adı verilen fiziksel kuralı ihlal ettiğini gösterdi. Dinlenme halindeki bir sistemde bu kural, enerji kazandıran ve enerji kaybettiren olayları öngörülebilir biçimde birbirine bağlar. Hızlı lazer darbeleri altında ise bu denge bozuldu. Nötron verilerinde yalnızca bir tarafta fazladan sinyaller göründü.

Daha da şaşırtıcı olan, dengesiz durumun çabuk kaybolmamasıydı. Bu yana kaymış fazla magnonlar kalıcı oldu. Bu da araştırmacıların kısa süreli bir ısınma etkisiyle karşılaşmadığını gösterdi. Gözlenen şey, periyodik lazer darbeleriyle ayakta tutulan, uzun ömürlü bir dengesiz kararlı durumdu.

Hua, yoğun madde sisteminde ayrıntılı denge ihlalinin daha önce kimse tarafından doğrudan sınanmadığını belirtti. Ona göre kuramsal olarak bunun olabileceği anlaşılır bir şeydi, ancak deneyde görmek gerçekten çok etkileyiciydi.

Arka plan

Fizikte denge, bir sistemin dışarıdan sürekli enerji almadan, kendi haline bırakıldığında vardığı durumu anlatır. Bu durumda sistemin içindeki süreçler ileri ve geri yönde birbirini dengeler. Ayrıntılı denge ilkesi de bu simetrinin matematiksel ifadesidir. Kuramcılar, sürekli enerji pompalanan sistemlerde bu simetrinin kırılabileceğini uzun süredir tartışıyor. Ancak bunu bir katının içinde, mikroskobik düzeyde doğrudan görmek zordu.

Nötron saçılması burada işe yarıyor. Nötronlar elektrik yükü taşımadığı için malzemenin içine nüfuz edebilir ve manyetik uyarımlarla etkileşerek enerji alıp verebilir. Saçılan nötronların enerji dağılımına bakan araştırmacılar, uyarımların enerji kazanma ve kaybetme olaylarını ayrı ayrı okuyabilir. Dengede bu iki tarafın ilişkisi bellidir; bir tarafın fazla çıkması dengenin bozulduğunu gösterir. Lazerle önce malzemeyi sürüp ardından nötronlarla yoklamak, genel olarak “pompala ve yokla” düzeneği diye bilinen yaklaşıma benzer bir mantık taşır.

Neden önemli?

Kuantum mıknatısların denetlenmesi, kuantum bilgi biliminin ilerlemesi açısından önem taşıyor. Taşınan bilgideki kaybın azaltılması, bellek aygıtlarının geliştirilmesi ve diğer kuantum teknolojilerine katkı, bu alandaki umutlar arasında sayılıyor. Magnonlar bilgi taşıyabildiği için, ömürlerinin ve davranışlarının kontrol edilebilmesi bu hedefler için temel bir adım.

Araştırmacılara göre kuralı bozan bu davranışın gözlenmesi, sistemi başka dengesiz kuantum fiziği olaylarını gerçek zamanlı incelemek için güçlü bir platform haline getiriyor. Farklı malzemelerde elde edilecek bilgiler kuantum malzemeler, tutarlı taşınım ve düşük kayıplı elektronik alanındaki gelecek çalışmalara yön verebilir. Çalışma ayrıca, malzemeler dinlenme halinde değil de aktif olarak sürülürken izlendiğinde nötron saçılmasının neleri açığa çıkarabileceğine dair yeni bir ölçüt de sunuyor.

Ne değişecek?

Yöntemin işe yaraması, yaklaşımı ilk tasarlayan Hua, Barry Winn ve Alan Tennant için de sevindirici bir gelişme oldu. Bu başarı, ORNL'de çok yıllara yayılan ve bu kadar karmaşık ölçümler için gereken özel altyapıyı kurmaya yönelik kararlı bir çabanın sonucu. Ekibin erken denemeleri, yüksek risk taşıyan ama büyük kazanç vadeden dengesiz fizik çalışmaları için ilk zemini hazırladı.

Sonuçlar daha geniş bir kuantum bilişim geleceğine de işaret ediyor. ORNL araştırmacıları için çalışma, yeni kuantum malzemelerin anlaşılması adına deneysel bir temel oluşturuyor. Bu malzemelerin ileride kuantum bilgisayarlarla incelenmesi ve gelecekteki bilgi teknolojilerinde kullanılması da hedefler arasında yer alıyor. Yine de çalışma temel araştırma niteliğinde; doğrudan bir ürün ya da uygulama vaadi taşımıyor.