Bir Mıknatıs İçinde Gizlenen Maddenin Yeni 'Yarı Buz, Yarı Ateş' Fazı Bulundu

2016 yılında ABD'deki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndan fizikçiler Weiguo Yin, Christopher Roth ve Alexei Tsvelik, stronsiyum, bakır, iridyum ve oksijenin bir karışımı olan Sr3CuIrO6'da spin durumlarının “yarı ateş, yarı buz” fazı olarak adlandırdıkları durumu tanımladılar.

Şimdi ise bunun tam tersini buldular: iki farklı yapı içindeki elektronların davranışlarını değiştirdiği yarı buz, yarı ateş fazı.

Keşif için kritik olan, komşu parçacıklar arasındaki etkileşimlerin bir tanımı olan hayal kırıklığı olarak adlandırılan bir kavramdır. Bulmacanın bir parçası değiştiğinde, davranıştaki bir değişiklik faz kayması olarak tüm tahtaya yayılabilir.

Ekibin yarı ateş, yarı buz malzemesinde, bakır atomlarından oluşan bir kafes üzerindeki elektronların dönüşleri, bir cehennemin titreyen alevleri gibi düzensizdir. İridyum bölgeleri yerinde donmuş durumda ve bu da onlara daha güçlü bir manyetik çekim sağlıyor.

Bu oluşumu yerinden oynatmak, matematiksel bir faz kaydırma standardına göre imkansız görünüyordu. Yine de kritik bir bulgu, ekibin tüm durumu tersine çeviren kesin bir sıcaklık değişikliği bulmasına yol açtı.

Bu tersine çevrilebilme özelliği, Yin ve Tsevik'in aradığı dönüm noktasıdır - Sr3CuIrO6'nın kuantum bilgi bilimi ve mikroelektronik potansiyelini ortaya çıkarmanın anahtarıdır.

Yin, “Egzotik fiziksel özelliklere sahip yeni durumlar bulmak ve bu durumlar arasındaki geçişleri anlayıp kontrol edebilmek, yoğun madde fiziği ve malzeme bilimi alanlarında temel sorunlardır” diyor.

“Bu sorunların çözülmesi kuantum hesaplama ve spintronik gibi teknolojilerde büyük ilerlemelere yol açabilir.”

Manyetik malzemeler birkaç farklı biçimde olabilir. Demir gibi geleneksel ferromanyetik malzemelerde, içindeki parçacıkların spinlerinin hepsi aynı yönde hizalanır. Ferrimıknatıs ise Sr3CuIrO6 gibi iki spin durumunun bulunduğu bir malzemedir.

Ekibin 2016'daki keşiflerine ilişkin 2024 tarihli makalesinde belirtildiği gibi, garip, yarı ateş, yarı buz fazı harici bir manyetik alan tarafından indüklenebilir ve oldukça çarpıcıdır. Bakır spinler düzensiz bir karmaşaya düşerken, iridyum spinler kendilerini hazır oldaki askerler gibi düzene sokuyor.

Bu oldukça ilginç ama tek başına çok da kullanışlı değil. Örneğin kuantum hesaplamanın temel birimleri olan kübitler elektron spinlerine dayanabilir, ancak bu spinlerin ikili sistemin farklı değerlerini gösterebilmesi gerekir. Ve ayarlanabilir kübitler - spinleri manipüle edilebilenler - daha da kullanışlıdır.

Tsvelik, “Kapsamlı araştırmalarımıza rağmen, bu durumun nasıl kullanılabileceğini hala bilmiyorduk, özellikle de yarı ateş, yarı buz durumunu üreten yerleşik bir matematiksel ferromanyetizma modeli olan tek boyutlu Ising modelinin sonlu sıcaklıkta bir faz geçişine ev sahipliği yapmadığı bir yüzyıldır iyi bilindiği için” diye açıklıyor.

“Bulmacanın parçalarını kaçırıyorduk.” 

Bu parçalar ekibin yeni çalışmasında bir araya geldi. Çok dar, sonlu bir sıcaklık aralığında yarı ateş, yarı buzun gizli bir ikizinin gizlendiğini keşfettiler; yani bakırın düzene girdiği ve iridyumun düzensizliğe düştüğü yarı buz, yarı ateş.

Bu sadece gizli fazlar ve bunların geçişleri üzerine gelecekteki araştırmalar için yollar açmakla kalmıyor; aynı zamanda faz değişiminin sıkı bir şekilde kontrol edilebileceği ve potansiyel kuantum uygulamalarının tüm alanını açacağı anlamına geliyor.

Bununla birlikte, bunun yolculukta sadece bir adım olduğunu belirtmek önemlidir

Yin, “Bundan sonra, ateş-buz fenomenini kuantum spinli sistemlerde ve ek kafes, yük ve yörünge serbestlik dereceleriyle keşfedeceğiz” diyor. “Yeni olasılıklara açılan kapı artık ardına kadar açık.”

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.