Kırılgan kuantum sistemlerine çözüm: ‘Kuantum spin sıvısı’

ABD Enerji Bakanlığı’na bağlı Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı (ORNL) araştırmacılar, kuantum hesaplama teknolojilerinin önündeki en büyük engellerden biri olan ‘kırılganlık’ sorununu çözebilecek yeni bir manyetik malzeme geliştirdi. ‘Kuantum Spin Sıvısı’ teorisine bir adım daha yaklaşan bu çalışma, geleceğin süper bilgisayarları için kritik bir temel oluşturuyor.

Fizik dünyasında uzun süredir teorik olarak tartışılan ancak pratikte elde edilmesi son derece güç olan ‘Kuantum Spin Sıvısı’ (Quantum Spin Liquid) kavramı, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki (ORNL) son çalışmalarla somut bir zemine oturmaya başladı. Araştırmacılar, manyetizmanın aşırı soğukta bile yerleşmeyi reddettiği bu egzotik durumu incelemek için özel bir manyetik malzeme tasarladı.Bu gelişme, günümüzün dış etkenlere karşı hassas kuantum sistemlerinin yerini, çok daha kararlı ve hatasız çalışan teknolojilerin alması yolunda önemli bir kilometre taşı olarak değerlendiriliyor.DOĞANIN DÜZENİNE MEYDAN OKUYAN YAPIGeleneksel mıknatıslar soğutulduğunda, atomik manyetik momentleri (spinler) düzenli bir şekilde hizalanarak sabitlenir. Ancak bilim insanları, ‘Kuantum Spin Sıvısı’ adı verilen durumda, bu spinlerin mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda dahi hizalanmayıp akışkan kalabileceğini öngörüyor.Yaklaşık 20 yıl önce fizikçi Alexei Kitaev, manyetik atomların ‘petek’ (honeycomb) şeklinde bir kafes yapısında dizilmesi durumunda bu kararsızlığın sağlanabileceğini öne sürmüştü. ORNL ekibi, bu teoriyi pratiğe dökmek için kobalt atomlarının iki boyutlu bir petek ağı oluşturduğu ‘potasyum kobalt arsenat’ bileşiğine odaklandı.HASSAS ÜRETİM SÜRECİ VE TEST SONUÇLARIMalzemenin üretimi, kristal yapının bozulmaması için büyük bir hassasiyet gerektirdi. Araştırmacılar, özel bir çözeltiyi düşük sıcaklıklarda yavaşça ısıtarak kristallerin bozulmadan büyümesini sağladı.Elektron mikroskobu ve nötron saçılımı ile yapılan analizler, malzemenin petek kafes yapısının başarılı bir şekilde oluştuğunu doğruladı. Ancak, yaklaşık -259 santigrat derecenin (14 Kelvin) altına inildiğinde, kobalt spinlerinin tam bir sıvı gibi davranmak yerine düzenli bir desene kilitlendiği gözlemlendi.TEORİK FİZİK ARTIK GÖRÜNÜR OLDUTam bir kuantum spin sıvısı elde edilemese de, deney sonuçları bilim dünyası için büyük bir başarı olarak kabul ediliyor. Bilgisayar simülasyonları ve nötron saçılım verileri, malzemenin içinde ‘Kitaev etkileşimleri’nin var olduğunu kanıtladı. Bu etkileşimlerin geleneksel manyetik kuvvetlerden daha zayıf kalması nedeniyle spinlerin donduğu tespit edildi.GELECEĞİN TEKNOLOJİSİ: MAJORANA FERMİYONLARIAraştırmacılara göre, malzemenin kimyasal yapısında yapılacak ince ayarlar veya yüksek basınç uygulamaları, bu hassas dengeyi değiştirerek gerçek bir kuantum spin sıvısına ulaşılmasını sağlayabilir.Eğer bu durum başarılırsa, ‘Majorana fermiyonları’ adı verilen ve gürültüye karşı doğal koruma sağlayan parçacık benzeri yapılar ortaya çıkabilir. Bu yapılar, hata payı olmayan kuantum bilgisayarların ve ultra hassas sensörlerin temel yapı taşı olma potansiyeli taşıyor.Çalışma, potasyum kobalt arsenatın, kuantum teknolojilerinin geliştirilmesi için yeni ve somut bir platform sunduğunu ortaya koyuyor.