Birmingham Üniversitesi’ndeki bilim insanları, kuantum seviyesinde karmaşık, düzensiz manyetik özelliklere sahip malzemelere yeni bir yol geliştirerek kuantum fiziğinde bir atılım gerçekleştirdi. Nature Communications dergisinde yayınlanan çalışma, bilim adamlarının onlarca yıldır anlamaya çalıştığı bir olgu olan Kitaev’in kuantum spin sıvı durumunun gereksinimlerini karşılayan rutenyum bazlı bir malzemeyi tanımlıyor.
Kuantum spin sıvıları, klasik fizik yasalarına uymayan manyetik özelliklere sahiptir. Elektronların birbirleriyle etkileşime girdiği ve aynı yöne işaret ettiği çubuk mıknatıslar gibi ferromıknatısların aksine, kuantum spin sıvılarındaki elektronlar, kuantum dolaşma adı verilen bir süreç aracılığıyla bağlanır. Kuantum spin sıvıları teoride mevcut olmasına ve modellenmesine rağmen daha önce deneysel olarak üretilmemiş veya doğada tespit edilmemiştir.
Baş araştırmacı Dr Lucy Clarke şöyle açıklıyor: “Bu çalışma, maddenin kuantum durumlarının keşfedilmesine olanak tanıyan yeni malzemeleri nasıl tasarlayabileceğimizi anlama konusunda gerçekten önemli bir adımdır. “Şimdiye kadar yeterince anlaşılmamış olan ve kuantum araştırmalarında kullanılmak üzere yeni manyetik özellikleri nasıl tasarlayabileceğimiz konusunda önemli ipuçları sağlayabilecek geniş bir malzeme ailesini ortaya çıkarıyor.”
Teorik fizikçi Alexei Kitaev tarafından 2009 yılında oluşturulan model, kuantum spin sıvılarına ilişkin bazı temel prensipleri göstermeyi başardı. Ancak açıklanan manyetik etkileşimler, bilim adamlarının malzemeleri geleneksel olarak düzenli bir manyetik duruma döndürmeden deneysel olarak oluşturamayacağı bir ortam gerektiriyordu.
Birleşik Krallık’taki IŞİD Nötron ve Muon Kaynağındaki cihazları kullanan Birmingham ekibi, yeni açık yapılı malzemenin rutenyum metal iyonları arasında ayarlanabilir etkileşimlere sahip olabileceğini göstererek Kitaev’in kuantum spin sıvı durumuna yeni bir yol açtı. Üstelik bu daha açık yapıların içinde meydana gelen manyetik etkileşimler olabileceğinden daha zayıftır ve bu da onların davranışlarına ince ayar yapmak için daha fazla fırsat sağlar.
Bu çalışma, Kitaev’in ideal materyalinin yaratılmasına yol açmasa da, alandaki teori ile deney arasında bir köprü kurmuş ve araştırma için verimli yeni alanlar açmıştır. Bu araştırma, klasik fizik yasalarına uymayan, aranan yeni özelliklere sahip kuantum malzemelerinin anlaşılması ve kontrol edilmesinde önemli ilerlemeyi temsil etmektedir.
