Mete Atatüre’nin Öncülüğünde Hematitte Manyetik Monopollerin Keşfi

Oxford ve Cambridge Üniversiteleri’ndeki fizikçiler, doğal olarak oluşan bir antiferromanyetik demir oksit malzemesi olan hematitte manyetik monopollerin ve diğer alışılmadık manyetik yapıların izlerini keşfettiler. Araştırmacılar, bu yapıları, yarış pisti bellekleri ve süper hızlı, enerji verimli nöromorfik bilgisayarlar gibi yenilikçi cihazların temeli olabilecek kuantum algılama ölçümleri kullanarak buldular.

Bir çubuk mıknatısın kuzey ve güney kutupları vardır. Onu ikiye bölseniz bile, her iki yarısı da iki kutba sahip olacaktır. Mıknatısların bu iki kutuplu doğası, izole manyetik yüklerin var olamayacağını ima eden Maxwell denklemlerinde de ortaya çıkar. Ancak, 1920’ler ve 1930’lar boyunca bazı fizikçiler, klasik elektromanyetizmanın bu ilkesinin gözden geçirilmesi gerektiğini düşünmeye başladılar. 1931’de Paul Dirac, manyetik monopollerin - izole manyetik kuzey ve güney kutupları olarak hareket eden ve elektrik yüklerinin manyetik analogları olan temel parçacıklar - var olabileceğini ilk kez öngördü. Dirac’ın tasavvur ettiği türde manyetik monopoller serbest parçacıklar olarak hiç görülmemiş olsa da, onları taklit eden kolektif durumları barındıran dönen buzlar olarak bilinen egzotik malzemeler bulunmuştur.

Cambridge’in Cavendish Laboratuvarı’nın başındaki Mete Atatüre liderliğindeki bir araştırma ekibi, hematitte benzer bir “ortaya çıkan” manyetik monopole tipini gözlemledi. Bu monopoller, birlikte, içlerinden manyetik alan yayılan yerelleşmiş kararlı bir parçacık gibi davranan birçok dönen dönüşün (elektronların içsel açısal momentleri) kolektif durumlarıdır. “Bu ‘antiferromanyetik girdaplar’ (meronlar, antimeronlar ve bimeronlar olarak adlandırılır) hematitte ‘ortaya çıkan manyetik monopoller’ ile ilişkilidir,” diye açıklıyor ekibin ortak lideri Oxford’daki bir fizikçi olan Paolo Radaelli. “Bu girdaplar konumlarını ele verir ve biz onların davranışlarını elmas kuantum manyetometrisi ve diğer tarama teknikleri ile inceleyebiliyoruz.”

Elmas kuantum manyetometrisinde, elmasın küçük bir iğnesindeki tek bir dönüş, bir malzemenin yüzeyindeki manyetik alanı hassas ve zararsız bir şekilde ölçmek için kullanılır. “Kuantum manyetometrisi çok küçük manyetik alanları algılayabilir,” diye açıklıyor Atatüre. “Bu nedenle, yerel manyetizasyonun neredeyse sıfırladığı manyetik malzemelerin özel bir sınıfı olan antiferromanyetlerdeki manyetik düzeni haritalamak için idealdir.”

Araştırmacılar, bu teknik kullanarak hematitte birkaç alışılmadık manyetik yapı tespit ettiler, bunlar arasında iki boyutlu monopoller, dipoller ve kuadrupoller bulunmaktadır. Bu, doğal olarak oluşan bir mıknatısta gözlemlenen ilk iki boyutlu monopoldür.

Bu keşif hangi sonuçlara yol açabilir?

Hematitte keşfedilen manyetik monopollerin potansiyel sonuçları oldukça heyecan verici. Bu yapılar, yarış pisti bellekleri ve süper hızlı, enerji verimli nöromorfik bilgisayarlar gibi yenilikçi cihazların temeli olabilir. Ayrıca, bu keşif, temel fizikteki anlayışımızı derinleştirebilir ve elektromanyetizmanın klasik prensiplerinin gözden geçirilmesine yol açabilir.

Örneğin, manyetik monopollerin varlığı, evrenin çeşitli kuvvetlerini birleştirmeye çalışan teoriler tarafından öngörülmektedir ve bu tür tahminler, erken evrenin hacminin üstel olarak genişlediği bir enflasyon dönemi geçirdiğini savunan en popüler kozmolojik modelin geliştirilmesine motive olmuştur. Ayrıca, manyetik monopollerin varlığı, Maxwell denklemlerine simetri sağlayarak güncellenmesini gerektirebilir.

Teknoloji açısından, manyetik monopoller, elektrik yüklerinin kullanıldığı şekilde kullanılabilir ve bu, uzun vadede “manyetik elektrik” versiyonuna yol açabilir. Bu, temelde yeni bir teknoloji sınıfının kapısını aralayabilir ve bilgi depolama, işleme ve iletiminde devrim yaratabilir.

KAYNAKÇA

1. www.nature.com/articles/s41563-023-01737-4 

2. physicsworld.com/a/magnetic-monopoles-appear-in-haematite/