- Delft Teknoloji Üniversitesi’nde tek bir atomun çekirdek spini radyo dalgalarıyla kontrol edildi
- Çekirdek spininin doğrudan manipüle edilemeyeceğine dair önceki fiziksel beklentinin aksine bir sonuç elde edildi
- Bulgu, kuantum bilgisinin saklanması ve okunması için yeni olanaklar sunabilir
Hollanda’daki Delft(TU Delft)’de görev yapan araştırmacılar, tek bir atomun çekirdeğindeki manyetizmayı radyo dalgalarıyla kontrol etmeyi başardı. Çalışma, fizikçilerin bu çekirdek spininin doğrudan manipüle edilemeyeceğine dair önceki bilginin aksine bir sonuç ortaya koydu. Baş araştırmacı Sander Otte liderliğindeki ekip, bulgunun kuantum bilgisinin saklanması ve okunması için yeni olanaklar sunabileceğini belirtti.
FizikHaber notu: Lisede manyetizma ünitesinde MR’dan söz ederiz ama işin arkasındaki spin pek anlatılmaz. Oysa çekirdek spini günlük hayatımıza sandığımızdan yakın. Hastanelerdeki MR cihazları, vücuttaki hidrojen çekirdeklerinin spinlerini radyo dalgalarıyla uyararak görüntü oluşturur. Kimyagerler aynı ilkeyle (NMR spektroskopisi) moleküllerin yapısını çözer. Çekirdek spinleri dış etkilere karşı oldukça korunaklı olduğu için kuantum bilgisayarlarda bilgi saklamak için de umut verici adaylar arasında.
Metallerde her atom hafif derecede manyetiktir, ancak atom içinde kuantum mekaniğinde spin olarak bilinen farklı manyetik yönelimler de bulunur. Elektronlardan kaynaklanan manyetizma en güçlü olanıdır; bazı atomlarda çekirdek de spin taşır ve bu spin çok daha zayıf olmakla birlikte dış etkilerden daha iyi korunur. Ekip, dönüştürülmüş bir taramalı tünelleme mikroskobu (scanning tunnelling microscope) kullanarak elektriksel sinyalleri tek bir atoma yüksek hassasiyetle yönlendirdi.
İki Sinyal Aynı Anda Nasıl Gönderildi?
Önceki çalışmalarda ekip esas olarak okunması en kolay olan elektron spinine odaklanmıştı. Çekirdek spini ise yalnızca hiperince etkileşim (hyperfine interaction) adı verilen bir mekanizma yoluyla dolaylı olarak gözlemlenebiliyordu; bu etkileşim çekirdek ve elektron spinlerinin hafifçe dolanık hale gelmesine neden oluyordu.
Son deneyde ekip, bir atoma eşzamanlı olarak iki farklı sinyal gönderdi: biri elektrona, diğeri çekirdeğe yönelikti. Bu yöntem her sinyalin etkisinin bağımsız olarak incelenmesini sağladı. Ekip, beklenmedik şekilde, iki spin büyük ölçüde dolanıklıktan çıkmış olsa bile çekirdek spininin yön değiştirebildiğini buldu.
Manyetik Rezonans Ölçüm Tekniği
Araştırmacılardan biri, bu sonucun basit anlayışa göre gerçekleşmemesi gerektiğini belirtti: çekirdek spininin, bir taramalı tünelleme mikroskobundan gelen elektriksel sinyallere hiç duyarlı olmaması bekleniyordu. Bu araştırma için ekip, çift manyetik rezonans (double magnetic resonance) adı verilen yerleşik bir ölçüm tekniğini tek bir atoma uygulanacak şekilde geliştirdi. Bu sayede atom çekirdeğinin manyetizması ile yörüngedeki bir elektronun manyetizması birbirinden bağımsız olarak ele alınabildi.
Spin Rezonansı Gitar Teliyle Nasıl Açıklanıyor?
Manyetik rezonansta bir spinin yönelimi dalga sinyali kullanılarak değiştirilir. Kuantum mekaniğine göre yalnızca sınırlı sayıda böyle bir dönüş mümkündür, bu nedenle sinyalin tam olarak doğru frekansta olması gerekir.
Araştırmacılardan biri bu durumu gitar tellerine benzetti: her olası spin dönüşü kendi notasına sahip bir tel gibidir ve belirli bir teli titretmek için tam olarak doğru notayı çalmak gerekir. Çekirdek spininin “notaları”, elektron spininkinden yüz ila bin kat daha düşüktür.
Atomların çekirdek spini, kuantum bilgisinin güvenli şekilde saklanması gereken uygulamalar için özel bir öneme sahiptir. Çekirdek spinlerinin kontrol edilebilmesi, kuantum bilgisinin saklanması ve okunması için yeni olanaklar sağlayabilir. Şimdilik araştırma, çekirdek spinini yönlendiren mekanizma hakkında yeni sorular gündeme getiriyor ve ekip bu mekanizmayı anlamak için çalışmalarına devam edecek.
Kaynak: www.nanotechnologyworld.org
