Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim insanları “yarı buz, yarı ateş” olarak sunulan yeni bir madde evresini ortaya çıkardılar. Bu keşif, fizikte daha önce kabul edilen sınırları tersine çeviriyor ve kuantum hesaplama, manyetik soğutma ve daha birçok alanda ilerlemelere yol açabilir.
Maddenin Yeni Bir Hali Ortaya Çıkıyor
ABD Enerji Bakanlığı Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndan iki fizikçi, manyetik bir malzeme modelini incelerken maddenin yeni bir fazını keşfetti. Yeni tanımlanmış bu faz, elektron spinlerinin , yani elektronların “yukarı” ya da “aşağı” bakan küçük manyetik momentlerinin benzersiz bir düzenlemesidir. Faz, yüksek oranlı düzenli (“soğuk”) ve yüksek oranda düzensiz (“sıcak”) spinlerin bir karışımını içeriyor. Araştırmacılar bu faza “yarı buz, yarı ateş” adını verdiler. Keşif, ferromıknatıs olarak bilinen manyetik bir malzemenin tek boyutlu bir modelinin incelenmesiyle ortaya çıktı.
Enerji ve Bilgi Teknolojileri için Pratik Potansiyel
“Yarı buz, yarı yarıya” özellikle önemli kılan şey, maddenin farklı halleri arasında pratik, sonlu bir sıcaklıkta son derece keskin geçişlere neden olma yeteneğidir ve bu, enerji sistemleri ve bilgi teknolojisinde gelecekte uygulamaları olabilecek bir şeydir.
Fizikçiler Weiguo Yin ve Alexei Tsvelik tarafından elde edilen bulgular Physical Review Letters dergisinin 31 Aralık 2024 tarihli sayısında detaylı olarak yer almaktadır.
Yin, “Egzotik fiziksel özelliklere sahip yeni durumlar bulmak ve bu durumlar arasındaki geçişleri anlayıp kontrol edebilmek, yoğun madde fiziği ve malzeme bilimi alanlarında temel sorunlardır” dedi. “Bu sorunların çözülmesi kuantum programlama ve spintronik gibi teknolojilerde büyük ilerlemelere yol açabilir.” Tsvelik de şunları ekledi: “Bulgularımızın, belirli malzemelerdeki fazları ve faz geçişlerini anlamak ve kontrol etmek için yeni bir kapı açabileceğini düşünüyoruz.”
İkiz Evre ve On Yıllık Keşif
“Yarı buz, yarı ateş” fazı, Yin, Tsvelik ve Christopher Roth tarafından keşfedilen ‘yarı ateş, yarı buz’ fazının ikiz halidir.
Ancak hikâyenin tamamı, Yin ve Tsvelik’in Brookhaven fizikçisi John Hill’in rehberliğinde stronsiyum, bakır, iridyum ve oksijenden oluşan manyetik bir bileşik olan Sr3CuIrO6 üzerinde çalışan çok kurumlu bir iş birliğinin parçası olduğu 2012 yılına kadar uzanıyor. Bu araştırma, 2012’de deneysel ve 2013’te teorik olmak üzere iki makaleye yol açtı ve her ikisi de PRL’de yayınlandı.
Yin ve Tsvelik, Sr3CuIrO6’nın faz davranışlarını incelemeye devam etti ve 2016’da “yarı ateş, yarı buz” fazını buldu. Kritik bir dış manyetik alan tarafından indüklenen bu durumda, bakır bölgelerindeki “sıcak” spinler atomik kafes üzerinde tamamen düzensizdir ve daha küçük manyetik momentlere sahipken, iridyum bölgelerindeki “soğuk” spinler tamamen düzenlidir ve daha büyük manyetik momentlere sahiptir.
Tsvelik, “Ancak kapsamlı araştırmalarımıza rağmen, bu durumun nasıl kullanılabileceğini hala bilmiyorduk, özellikle de yarı ateş, yarı buz durumunu üreten yerleşik bir matematiksel ferromanyetizma modeli olan tek boyutlu Ising modelinin sonlu sıcaklıkta bir faz geçişine ev sahipliği yapmadığı bir yüzyıldır iyi bilindiği için” dedi.
Yasak Geçişler
Kayıp parçalara ilişkin bir ipucu yakın zamanda Yin tarafından tespit edilmiştir. Sırasıyla harici manyetik alana sahip olan ve olmayan sistemler için yaptığı iki yayında, yukarıda bahsedilen yasak faz geçişine sabit sonlu sıcaklıkta ultranarrow faz geçişi ile yaklaşılabileceğini göstermiştir.
Bu güncel çalışmada Yin ve Tsvelik, “yarı ateş, yarı buz ”un sıcak ve soğuk spinlerin yer değiştirdiği zıt, gizli bir durumu olduğunu keşfettiler. Yani, sıcak dönüşler soğuk, soğuk dönüşler de sıcak hale geliyor ve bu da onların bu faza “yarı buz, yarı ateş” adını vermelerine yol açıyor.
Kuantum Parçaları ve Soğutma
Fazlar arasındaki geçişin ultra dar bir sıcaklık aralığında gerçekleştiğini ortaya koyuyor ve Yin ve Tsvelik bunun gelecekteki uygulamalarda kullanılabileceği olası yolları şimdiden önerdiler. Örneğin, “yarı ateş, yarı buz” tarafından sunulan dev bir manyetik entropi değişikliği ile ultra keskin faz geçişi, soğutma teknolojileri için yararlı olabilir. Bu fenomen aynı zamanda fazların bit olarak hareket ettiği yeni bir tür kuantum bilgi depolama teknolojisinin temeli olarak da kullanılabilir.
Bundan sonra, ateş-buz fenomenini kuantum spinli sistemlerde ve ek kafes, yük ve yörünge serbestlik dereceleriyle keşfedeceğiz” dedi.
Haberin Kaynağı: scitechdaily.com/half-ice-half-fire-a-bizarre-new-state-of-matter-that-could-reshape-physics/
Haberi Derleyen: Elif Gül Türkmen / Eskisehir Teknik Üniversitesi / Yüksek Lisans Öğrencisi