Manyonların el yönelimini dış manyetik alanla değiştirmenin yolu bulundu

ABD Enerji Bakanlığı'na bağlı Ames Ulusal Laboratuvarı'ndaki araştırmacılar, malzemeler içinde bilgi taşıyabilen çok küçük manyetik dalgalar olan manyonların "el yönelimini" kontrol etmenin bir yolunu buldu. Ekip, malzemenin manyetik durumunu dış bir manyetik alanla değiştirerek manyon davranışını çevirebildi. Bulgular, kuantum bilgi ve kuantum bilgisayar teknolojileri için olası uygulamalar sunuyor ve Physical Review Letters dergisinde yayımlandı.

Manyonlar ve el yönelimi ne anlama geliyor?

Manyonlar, manyetik malzemelerin içinde ilerleyen küçük manyetik hareket dalgalarıdır. Bu dalgalar sağ el ya da sol el yönünde bir yol izler. Bunu, saat yönünde ya da ters yönde dönen bir topaça benzetmek mümkün. Manyonlar elektrik yükünü hareket ettirmeden enerji ve bilgi aktarabildiği için, gelecekteki yüksek verimli bilgi işlem uygulamalarının olası yapı taşları olarak araştırılıyor.

El yönelimini incelemek için en uygun ortamlardan biri ferrimıknatıslar. Bu malzeme sınıfı, doğal olarak hem sağ elli hem sol elli manyonlar barındırır. İçlerinde iki farklı türde manyetik atom bulunur ve bu atomların manyetik momentleri zıt yönlere bakar. Momentlerin büyüklüğü eşit olmadığından birbirlerini tamamen sıfırlamazlar. Bu durum, iki farklı manyon türünün aynı malzeme içinde birbirini nasıl etkilediğini incelemeye olanak tanıyor.

Keşif nasıl ortaya çıktı?

Çalışmayı, Ames Laboratuvarı bilim insanı Rob McQueeney'in yönettiği grup yürüttü. Ekip, alışılmadık manyetik davranışlar gösteren kuantum malzemelerden kagome metallerindeki manyetik uyarılmaları inceliyordu. Araştırmacılar, bazı malzemelerde, örneğin TbMn₆Sn₆'da, manyonların birbirleriyle etkileşmeden kesiştiğini gördü. ErMn₆Sn₆ gibi başka malzemelerde ise manyonlar etkileşiyor ve kesişmekten kaçınıyordu.

McQueeney süreci şöyle anlatıyor: "Baktık ve 'Bu garip, neden böyle acaba?' dedik. Sonra fark etmeye başladık: Bu sol elli bir manyon, şu da sağ elli bir manyon. Demek ki şimdi karışıyorlar."

Ferrimıknatıslarda sol ve sağ elli manyonların iki ayrı uyarılma bandı oluşturduğu zaten biliniyordu. Normal koşullarda sağ elli ve sol elli manyonları uyarmak için farklı enerjiler gerekir. McQueeney'in grubu ise uygun koşullarda bu iki durumun karışabildiğini gösterdi. Bu karışma sayesinde bir manyonun el yönelimini görece az enerjiyle değiştirmek mümkün hale geliyor. Ekibin özetine göre, ferrimıknatıs kagome metallerinin manyetik durumunu dış alanla değiştirmek, sol ve sağ elli manyonların karışmasını sağlıyor.

McQueeney, "Manyonların bilgi taşımada belirli avantajları var. Ancak el yönelimini yönetmek çözülmüş bir sorun değildi. Şimdi çözüldü" diyor.

Neden önemli?

Manyonlar elektrik yükü taşımadan bilgi iletebildiği için, geleneksel elektronik teknolojilerine göre daha verimli bir bilgi taşıma yolu sunabilir. Sağ ve sol elli manyonları kolayca kontrol edip birleştirebilmek ise manyetik temelli gelecekteki kuantum bilgi teknolojileri için yeni olasılıklar açıyor. Çalışma, Dhurba R. Jaishi ve arkadaşlarının imzasını taşıyor ve başlığı "Eşdoğrusal Ferrimıknatıslarda Simetri Kırılmasıyla Kiral Manyon Karışımı" anlamına geliyor.

Arka plan

Geleneksel elektronik cihazlar, bilgiyi yüklü parçacıkların hareketiyle işler. Bu hareket, ısınma yoluyla enerji kaybına yol açar. Bu yüzden araştırmacılar bilgiyi yük yerine elektronların manyetik özelliklerinin oluşturduğu dalgalarla taşıma fikrini uzun süredir inceliyor. Manyonlar bu yaklaşımın merkezindeki kavramlardan biri. Bir manyonun yönelimi, taşınan bilginin bir tür "etiketi" gibi düşünülebilir. Bu etiketi istenen anda çevirebilmek, böyle bir sistemin kontrol edilebilir olması için kritik.

Kagome metalleri adını, kagome adı verilen bir örgü desenine benzeyen atom dizilimlerinden alır. Bu düzen, malzemelerde olağandışı manyetik ve elektronik davranışlara yol açabildiği için kuantum malzeme araştırmalarında ilgi görüyor. Yine de bu çalışma temel fizik düzeyinde bir ilerleme. Haberde, bu bulgudan doğan bir cihazın ya da ticari bir uygulamanın ne zaman çıkacağına dair bir bilgi yok. Sonuçlar, gelecekteki teknolojilerin tasarımına yön verebilecek bir mekanizmayı ortaya koyuyor.