Kuantum spin sıvı tam olarak maddenin yeni tuhaf bir hâlidir. Yani katı, sıvı ve gazlar gibi düşünebileceğimiz maddenin hallerinden biridir. Bu maddenin hâli etkileşen kuantum spinlerinden oluşan bir sistem ile elde edilebilir. Kuantum spin sıvı hâli ilk olarak fizikçi Phil Anderson tarafından 1973 yılında bir üçgen örgü üzerindeki spinler sistemi için taban durum olarak öne sürülmüştü. İlk kuantum spin sıvı hâli ise 2003 yılında üçgen örgü yapılı organik bir Mott yalıtkanında keşfedildi. İkinci keşif herbertsmithite doğal kristalinde 2006 yılında MIT’li araştırmacılar tarafından yapılmıştı.
Kuantum spin sıvı hâli kuantum mekaniğinin hayalet etkisi olarak bilinen kuantum dolanık parçacıklarının spinlerinden oluşmaktadır. ABD’deki Georgia Teknoloji Enstitüsü’nden fizikçiler kuantum mekaniğinin bu hayalet etkisinin yeni bir egzotik kristal içinde olduğuna dair bir kanıt buldular. Bu kanıt, maddenin nadir de olsa karşılaşılan kuantum spin sıvı hâlini içeren keşfedilmemiş malzemeler sınıfı için bir ipucu olarak sayılabilir. 2015 yılında yeni bir kuantum spin sıvı malzemesi Çin’de fizikçiler tarafından sentetik olarak ytterbiyum (YbMgGaO4) kristali olarak üretilmişti. Şimdi ise Georgia Teknoloji Enstitüsü’nden bir araştırma grubu kuantum spin sıvı hâlinin bu kristalin içinde saklı olduğuna dair sözünü ettiğimiz kanıtı buldular. Araştırmacıların bu çalışması Nature Physics dergisinde yayınlandı.
Son zamanlarda kuantum spin sıvı üzerine çalışmalar gerçekleştiren fizikçiler bu hâli içeren malzemelerin sentetik versiyonlarını yapmak için kolları sıvadı. Çünkü bu malzemelerin geleceğin kuantum bilgisayarları için büyük etkileri olacağı düşünülüyor.
Burada kullanılan spin terimi gündelik yaşamdaki döndürmek anlamından farklıdır. Kuantum mekaniğinde spin bir parçacığın öz açısal momentumunu tanımlar. Bu kavram bir parçacığın bir manyetik alan içinde hareket ettiğinde nasıl davrandığını tanımlamaktadır.
Bir kuantum spin sıvıda, elektronların spinleri garip davranışların tümünü oluşturarak yüksek bozulmuş bir durum oluşturan bir etkileşmeye başlar. Bu yüksek bozulmuş durumda, elektronlar sıralı yani düzenli değildirler ama bunun yerine kuantum dalgalanmaların neden olduğu bir dolanık “çorba” durumu oluştururlar. Yüksek bozulmuş durum elektronların düzenli bir şekilde dizilmediği bunun yerine malzeme içinde farklı dağılımlar gösterdiği anlamına gelir. Bu çorba ise kuantum dolanık parçacıklardan oluşmuştur. Bu parçacıklar birbirlerinden ne kadar uzakta olursa olsun anlık olarak birbirini etkileyebilirler.
Böyle bir kuantum spin sıvısı milyarlarca kuantum dolanık parçacıklı bir sistemdir. Bu sistemi şöyle düşünün, yüksek bozulmuş durumda olan bu elektronların hepsi delirmişçesine düzensiz bir şekilde kristal içinde dağılmış durumdalar, bu da yetmiyormuş gibi bunlar birbirlerine kuantum dolanıklar, ne kadar uzaklaşırlarsa uzaklaşsınlar teorik olarak birbirlerini etkileyebiliyorlar. Bu haliyle, burada olup biten tam fizikçilere göre! Her birinin spini karmakarışık iken onlar hâlâ tutarlı, birbirine bağlı bir grup gibi davranıyorlar.
Georgia Teknoloji Enstitüsü’nden Dr. Martin Mourigal, bu duruma ilişkin konuya açıklık getirmeye çalışıyor, ” Bu dolanıklığın aynı sistemde iki elektronu içermediği, bunun yerine üç, beş, 10 veya 10 milyar parçacığın tümünü içeren bir madde durumunu hayal edin. Tüm bu parçacıkların birbiriyle dolanık olduğu gerçeğine dayalı çok ama çok egzotik bir madde durumu oluşturabilirsiniz. Artık birbirinden ayrı parçacıklar yoktur, topluca hareket eden tek büyük elektron topluluğu vardır.”
Spinde olduğu gibi, sıvı da gündelik yaşantımızda karşılaştığımız sıvıya karşılık gelmez. Kuantum spin sıvıdaki sıvı elektron spinlerinin topluca bir arada bulunma doğasını tanımlamada kullanılıyor.
Bir spin sıvı için, spinler birbirlerine bağlı olmalarına rağmen onların yönleri düzgün şekilde hizalanmış değildir ama bir spin katıda, bu yönler düzgün bir dağılıma sahiptir.
Araştırmacılar maddenin bu tuhaf haline dair ipuçlarını bulmuş olsalar da bulguları kuantum spin sıvı malzemeleri için buzdağının sadece görünen kısmı olabilir. Mourigal ayrıca yaptıkları çalışmayı çok güzel bir şekilde özetliyor, 2006 yılında kuantum spin sıvı içeren doğal bir kristal olan herbetsmithite MIT’den araştırmacılar tarafından keşfedilmişti. Bunu hatırlatarak, bu herbertsmithite kristalinin hayvanların var olduğunu gösterdiğini ama aslında hayvanların memeliler, balık, sürüngen ve kuşlar gibi farklı türlerinin de olduğunu belirtiyor. Dolayısıyla onlar sadece birini buldular ve görünen o ki spin sıvıların farklı türlerini aramaya devam edecekler.
Araştırmacılar ytterbiyum kristali içinde düzenli moddaki elektronların güçlü bir süperiletken mıknatıs kullanılmasıyla bulunması zor bir hâlini keşfettiler. Manyetik alan kaldırıldığında, elektronlar tekrar kendi özel hareketli hallerine geri döndüler.
Elde edilen bulgular doğal olarak oluşan herbertsmithite kristalinde gözlenenleri yansıtıyor ama ytterbiyum kristalinde olanların bir kuantum spin sıvı malzemesine işaret ettiğini onaylamak için yıllar süren birbirinden bağımsız matematiksel testlerin yapılması gerekiyor. Ancak bu konuda Dr. Moruigal çok endişeli değil gibi, esprili bir şekilde ilk bakışta malzemenin “ben bir kuantum spin sıvıyım” diye çığlık attığını söylüyor.
Kuantum spin sıvı hâline sahip malzemelerin veri depolaması ve bellek üzerine uygulamalara sahip olması bekleniyor. Bunun dışında, yüksek sıcaklık süperiletkenliğinin temellerinin anlaşılmasında bizlere yardımcı olabilirler. Bu alandaki çalışmalardan birinin bir gün Nobel Ödülünü kazandırması da ayrıca sürpriz olmaz.
Gökhan Atmaca, MSc.
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca
Referanslar:
ScienceAlert
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_spin_liquid
Image Credit: Georgia Tech / Martin Mourigal