Kuantum Maddesinde Yeni Keşif

Kuantum Maddesinde Yeni Keşif
Spin akımı oluşturmak için bir genç bilim insanı tarafından (beklenmeden keşfedilen manyetik malzeme (https://www.flickr.com/photos/argonne/19943329732)

Fizikte maddenin hal değişimine faz geçişi ya da hal değişimi denmektedir. Günlük yaşamda, faz geçişleri genellikle sıcaklık değişiklikleriyle ilgilidir. Örnek olarak bir buz küpü ısındığında ve eridiğinde oluşabilmektedir. Ancak manyetik alan gibi diğer parametrelere bağlı olarakta farklı türde faz geçişleri de vardır. Malzemelerin faz geçişleri özellikle sıcaklığın doğrudan mutlak sıfır noktasında meydana geldiğinde bu malzemelerin kuantum özelliklerini anlamak için ilgi çekici olabilmektedir. Bu geçişlere “kuantum faz geçişleri” veya “kuantum kritik noktalar” denir. Seryum, Rutenyum ve Kalay bileşiği bilim dünyasında çok önemli bir haber oluşturdu. Bu bileşik artık “Kuantum Maddesinde Yeni Keşif” olarak üzerinde Katı Hal fizikçilerinin özellikle çalışacağı konular yer bulabilecek. Kuantum Maddesinde Yeni Keşif kuantum bilgisayarların çalışma prensipleri üzerinde bile etkili olabilecek. Tabii bunu zaman gösterecektir.

Seryum, Rutenyum ve Kalay bileşiği sürprizi barındırıyor
Seryum, Rutenyum ve Kalay bileşiği sürprizi barındırıyor

Böyle bir kuantum kritik noktası Avusturyalı-Amerikan araştırma ekibi tarafından yeni bir materyalde ve alışılmadık derecede bozulmamış bir formda bir keşfedildi. Bu konu aynı zamanda katı hal fiziğinin de bir konusu olarak karşımıza çıkıyor. Bu keşiften sonra bilim insanları bahse konu olan malzeme üzerinde yoğunlaşmış durumdalar. Özel kuantum durumları (sözde topolojik durumlar) nedeniyle kuantum teknolojisi için büyük potansiyele sahip olduğu düşünülen malzemenin Weyl-Kondo yarı metali olabileceğinden de şüpheleniliyor. Bunun doğru olduğu kanıtlanırsa, topolojik kuantum materyallerinin hedeflenen gelişimi için bir anahtar bulunabilir. Sonuçlar, TU Wien, Johns Hopkins Üniversitesi, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) ve Rice Üniversitesi arasındaki bir iş birliği ile Science Advances dergisinde yayınlandı.

Kuantum kritikliği – her zamankinden daha basit ve daha net

TU Wien Katı Hal Fiziği Enstitüsü’nden Prof. Silke Bühler-Paschen, “Genellikle kuantum açısından kritik davranışların metallerde veya yalıtkanlarda olduğunu belirtiyor. Bir yarı metali incelediklerini ve bunun da metaller ve yarı iletkenler arasında kalan özelliklere sahip bir seryum, rutenyum ve kalay bileşiği olduğunu belirtiyor.

Genellikle, kuantum kritikliği yalnızca çok özel çevresel koşullar altında – belirli bir basınç veya bir elektromanyetik alan – altında yaratılabilmektedir. Doktora çalışmasında Prof. Collin Broholm’un Johns Hopkins Üniversitesi ekibinden olan Wesley Fuhrman, “Bununla birlikte, şaşırtıcı bir şekilde, yarı metalimizin hiçbir dış etki olmaksızın kuantum açısından kritik olduğu ortaya çıktı” diye belirtmekte. Wesley Fuhrman Nötron saçılım ölçümleri ile sonuca önemli katkı sağlayan bir doktora öğrencisi. “Normalde uygun laboratuvar koşullarını üretmek için çok çalışmanız gerekmekle beraber bu yarı metal kuantum kritikliğini tek başına sağlamakta” diye ifade etmekte.

Bu şaşırtıcı sonuç, muhtemelen bu malzemedeki elektronların davranışının bazı özel özelliklere sahip olmasıyla ilgili olduğu düşünülmekte.

Bühler-Paschen, “Bu durum elektron sistemi ile oldukça ilişkili bir durum. Bu, elektronların birbirleriyle güçlü bir şekilde etkileşime girdiği ve elektronlara ayrı ayrı bakarak davranışlarını açıklayamayacağınız anlamına gelir” demekte.

“Bu elektron etkileşimi, sözde Kondo etkisine yol açar. Burada, malzemedeki kuantum spini, onu çevreleyen elektronlar tarafından korunur, böylece spinin artık malzemenin geri kalanı üzerinde herhangi bir etkisi olmaz.” Kuantum Maddesinde Yeni Keşif üzerinde ki yazımıza biraz da Kondo etkisini ne olduğuna değinerek devam edelim.

Kondo Etkisi Nedir?

Fizikte, Kondo etkisi, manyetik safsızlıklar nedeniyle bir metaldeki iletim elektronlarının saçılmasının sıcaklıkla birlikte elektriksel özdirençte karakteristik bir değişikliğe neden olduğunu açıklar.  Etki ilk olarak, s-d elektron saçılımını hesaba katmak için probleme üçüncü dereceden pertürbasyon teorisini uygulayan Jun Kondo tarafından tanımlandı. Kondo’nun modeli, iletilen elektronlarının manyetik safsızlıktaki saçılma hızının, sıcaklık 0 K’ye yaklaştıkça farklılaşması gerektiğini öngördü.

Bir manyetik safsızlık kafesine genişletilen Kondo etkisi, metaller arası bileşiklerde, özellikle seryum, praseodim ve iterbiyum gibi nadir toprak elementlerini ve uranyum gibi aktinit elementleri içerenlerde ağır fermiyonların ve Kondo izolatörlerinin oluşumunu muhtemelen açıklamaktadır. Kondo etkisi ayrıca kuantum nokta sistemlerinde de gözlemlenmiştir.

Yarı metalde olduğu gibi, yalnızca nispeten az sayıda serbest elektron varsa, Kondo etkisi kararsızdır. Bu, malzemenin kuantum kritik davranışının nedeni olabilir. Sistem Kondo etkisi olan ve olmayan bir durum arasında dalgalanacak ve bu da sıfır sıcaklıkta bir faz geçişi etkisine sahip olacaktır.

Kuantum dalgalanmaları Weyl parçacıklarına yol açabilir

Sonucun bu kadar merkezi bir öneme sahip olmasının ana nedeni, “Weyl fermiyonları” fenomeni ile yakından bağlantılı olduğundan şüphelenilmesidir.

Katılarda, Weyl fermiyonları, kuasipartiküller şeklinde görünebilir. Rice Üniversitesi’nden teorik fizikçi Qimiao Si teorik tahminlere göre “Bu tür Weyl fermiyonları bu materyalde bulunmalıdır “demekte.

Bununla birlikte, deneysel kanıt henüz bulunamamıştır.” Gözlemlediğimiz kuantum kritikliğinin bu tür Weyl oluşumunu desteklediğinden şüpheleniyoruz. Silke Bühler-Paschen bunun “fermiyonlar” olduğunu söylemekte.

“Bu nedenle kritik kuantum dalgalanmaları, süper iletken Cooper çiftlerini bir arada tutan yüksek sıcaklık süper iletkenlerindeki kuantum kritik dalgalanmalara benzer şekilde, Weyl fermiyonları üzerinde dengeleyici bir etkiye sahip olabilir. Bu, dünya çapında pek çok araştırmanın konusu olan çok temel bir sorudur ve burada yeni ve sıcak bir ipucu keşfettik ” diye de ekliiyor.

Bize öyle geliyor ki belirli kuantum etkileri – yani kuantum kritik dalgalanmalar, Kondo etkisi ve Weyl fermiyonları – yeni keşfedilen materyalle sıkı bir şekilde iç içe geçmiş ve birlikte egzotik Weyl-Kondo durumlarına yol açıyor. Bunlar diğer kuantum durumlarından farklı olarak dışsal etkilerle kolayca yok edilemeyen büyük kararlılığın “topolojik” durumlarıdır. Bu, onları kuantum bilgisayarlar için özellikle ilginç kılıyor.

Tüm bunları doğrulamak için, farklı dış koşullar altında başka ölçümler yapılacaktır. Ekip, çeşitli kuantum etkilerinin benzer bir etkileşiminin diğer materyallerde de bulunmasını bekliyor. Bühler-Paschen, “Bu, bu tür malzemelerin özel olarak geliştirilebileceği, uyarlanabileceği ve somut uygulamalar için kullanılabileceği bir tasarım konseptinin oluşturulmasına yol açabilir” diyor.

https://phys.org/news/2021-05-quantum-material.html?utm_source=nwletter&utm_medium=email&utm_campaign=daily-nwletter

Adresinden derlenmiştir.

    İlk yorum yapan olun

    Bir Cevap Yazın