Son yıllarda geniş ölçekli bir evrensel kuantum bilgisayarının geliştirilmesine yönelik yoğun çalışmalar gerçekleştiriliyor. Ancak, böyle bir kuantum bilgisayarın inşa edilmesinin önünde kuantum bilginin uzun süreli depolanabilmesi gibi hâlâ çözülmeyi bekleyen problemler var. Şimdi bu problemin aşılmasında yol katetmemizi sağlayabilecek bir malzeme ABD’deki Bolton College ve Harvard Üniversitesi araştırmacıları tarafından keşfedildi.
Bu tür bir depolamadaki zorluk birbirinden ayrı atomların kuantum durumunun korunmasıdır. Journal of American Chemical Society dergisinin son sayısında yayınlanan yeni bir çalışmaya göre bakır, iridyum ve oksijenden oluşan bakır iridat (Cu2IrO3) bu rolü yerine getirmek için gerekli atomik geometriye sahip olabilir. Bakır iridatın doğada bulunan bal peteği gibi atomlardan oluşan bir balpeteği örgüsüne sahip olmasından dolayı elektronların spinleri asla donmaz. Böyle bir geometriye sahip malzemede elektronların spinleri sıradan bir malzemede olduğu gibi bir mıknatıs oluşumuna ve düşük sıcaklıklardaki donmaya uğramaz, bunun yerine elektronlar sıralı bir düzende olmadıkları için kendi etraflarında hafifçe sallanmaya devam ederler [1]. Bu olguya son zamanlarda “manyetik hüsran” adı verilmektedir. Böylesi malzemeler de “boşa çıkmış mıknatıslar” olarak sınıflandırılır [2].
Bakır iridat malzemesinde sahip olduğu bal peteği geometrisinden dolayı elektronların sıralı düzende olmaması ile oluşan madde hâli kuantum spin sıvı olarak bilinmektedir [1]. Bu bildiğimiz şekilde tanıdık gelen bir sıvı değildir, bunun yerine, bu malzemenin manyetizması sıradan bir mıknatısdan daha az düzenlidir. Mıknatıslardaki elektronların spinleri tamamen aynı yönde donarken spin sıvılarda ise sıcaklıkları mutlak sıfıra bile ulaşsa asla donmazlar.
Bu durum ise bazı olağandışı özelliklere olanak tanır. Örneğin, bu özelliklerden biri uzun erimli dolanıklık. Bir parçacığın kuantum durumunun başka bir dolaşık parçacıkla çiftlenmesi kuantum dolanıklık olarak adlandırılmaktadır ve birisinin kuantum durumu bilindiğinde diğerinin kuantum durumunun ne olduğu aradaki mesafeye bakılmaksızın bilinebilir.
Yeni Kuantum Spin Sıvıların Keşfi Mümkün mü?
Malzemeler bir spin sıvı gibi davranabilmek için ya bakır iridat gibi bal peteği geometrisine ya da üçgen şeklinde bir atomik yapıya gerek duyar. Bu düzenleme doğada daha önce 2012 yılında keşfedilen Herbertsmithite minerali ile gözlenmiştir. Bunun dışında 2015 yılında Çinli fizikçiler tarafından bulunan ytterbiyum kristalinin 2016 yılında bu kristalin kuantum spin sıvı hâline sahip olduğu gösterilmişti. Dolayısıyla bakır iridat kuantum bilgisayarlar için veri depolamada kullanılmaya uygun keşfedilen ilk malzeme değil. Ancak bakır iridatın kuantum spin sıvı hâli içerdiğini göseren bu çalışmanın en önemli yanı elde edilen bulguların kuantum bilgisayarlar için daha fazla uygun malzemenin bulunmasına yöntelik bir yöntem sunmasıdır [3].
Aynı süreç kullanılarak, yeni kuantum spin sıvıların her şekilde keşfedilmesi mümkün olabilir. Bunlardan bazıları şimdiye kadar bulunanlarda daha iyi sonuçlar verebilir.
Çalışmaları ile ilgili araştırmacı Fazel Tafti şunları söyledi [4],
“Deneysel keşiflerin gerçekleşmesi uzun zaman alıyor, çünkü bilim insanları doğanın izin verdiği her bir yolu denemek zorunda kalıyor ve doğa yakalanması zor olabilir. Ama şimdi biz bir spin sıvısı üretmeyi başardık, bu sıvılardan daha fazlasını elde etmenin bir reçetesini de bulduk. Sonraki adım daha fazla spin sıvı elde etmek için bakır iridat için kullanılan aynı reçetenin periyodik tablodaki diğer elementlere uygulanması olacaktır.”
Son olarak bu çalışmaya katkı veren araştırmacılar arasında yer alan Harvard Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olarak çalışan Çiğdem Özsoy Keskinbora’yı tebrik ederiz.
Gökhan Atmaca, MSc.
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca
Referanslar:
[1] http://www.kuark.org/2016/12/kuantum-spin-sivi-hali-maddenin-bu-tuhaf-hali-ytterbiyum-kristalinde-sakli/
[2] http://www-thphys.physics.ox.ac.uk/people/FionaBurnell/frusmag.html
[3] https://futurism.com/scientists-have-discovered-a-new-material-that-could-be-crucial-to-quantum-computers/
[4] https://www.inverse.com/article/37762-quantum-computer-spin-liquid
Manşet görseli, Mykola Abramchuk et al. Cu2IrO3: A New Magnetically Frustrated Honeycomb Iridate, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139 (43), pp 15371–15376
