Özel Bir Kuantum Pozisyonu Keşfedildi

Öne Çıkan İçerikler

Donmayan suya benzer yeni bir kuantum durumunun keşfi

Ne kadar soğuk olursa olsun donmayan su – Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf’un (HZDR) da dahil olduğu bir araştırma grubu bu şekilde tanımlanabilecek bir kuantum durumu keşfetti.

Japonya’daki Tokyo Üniversitesi Katı Hal Fiziği Enstitüsü, Amerika Birleşik Devletleri’ndeki Johns Hopkins Üniversitesi ve Almanya’nın Dresden kentindeki Max Planck Karmaşık Sistemler Fiziği Enstitüsü’nden (MPI-PKS) uzmanlar, özel bir materyali neredeyse mutlak sıfır sıcaklıkta soğutmayı başardı.

Atomların temel bir özelliği olan hizalanmalarının her zamanki gibi “donmadığını”, “sıvı” halde kaldığını buldular. Yeni kuantum malzeme, yeni ve son derece hassas kuantum sensörler geliştirmek için bir model sistem olarak kullanılabilir. Ekip bulgularını Nature Physics dergisinde sundu.

İlk bakışta kuantum malzemeler normal maddelerden farklı görünmüyorlar ama kesinlikle kendilerine özgü bir şey yapıyorlar: İçeride elektronlar hem birbirleriyle hem de kristal kafesin atomlarıyla olağandışı bir yoğunlukta etkileşime giriyorlar. Bu yakın etkileşim, sadece mikroskobik ölçekte değil, makroskobik ölçekte de etkili olan güçlü kuantum etkileriyle sonuçlanmaktadır.

Bu etkiler sayesinde kuantum malzemeler dikkate değer özellikler sergiler. Örneğin, düşük sıcaklıklarda elektriği tamamen kayıpsız iletebilirler. Çoğu zaman, sıcaklık, basınç veya elektrik voltajındaki küçük değişiklikler bile malzemenin davranışını büyük ölçüde değiştirmek için yeterlidir.

Prensipte mıknatıslar kuantum malzemeler olarak da görülebilir; sonuçta manyetizma malzemedeki elektronların içsel spinine dayanır. HZDR’deki Dresden Yüksek Alan Manyetik Laboratuvarı’ndan (HLD) Prof. Jochen Wosnitza, “Bazı yönlerden bu spinler bir sıvı gibi davranabilir” diye açıklıyor. “Sıcaklıklar düştükçe, bu düzensiz spinler donabilir, tıpkı suyun donarak buza dönüşmesi gibi.”

Örneğin, ferromıknatıs olarak adlandırılan bazı mıknatıs türleri, “donma” ya da daha doğrusu düzenlenme noktalarının üzerinde manyetik değildir. Ancak bu noktanın altına düştüklerinde kalıcı mıknatıs haline gelebilirler.

Yüksek saflıkta malzeme

Uluslararası ekip, aşırı soğukta bile katılaşmayan bir sıvıya benzer şekilde, ultra soğuk sıcaklıklarda bile spinlerle ilişkili atomik hizalamanın düzene girmediği bir kuantum durumu yaratmayı amaçladı. Araştırma grubu bu duruma ulaşmak için praseodim, zirkonyum ve oksijen elementlerinin bir bileşimi olan özel bir malzeme kullandı. Bu malzemede, kristal kafesin özelliklerinin elektron spinlerinin atomların etrafındaki orbitalleriyle özel bir şekilde etkileşime girmesini sağlayacağını varsaydılar

Tokyo Üniversitesi’nden Profesör Satoru Nakatsuji, “Ancak ön koşul, aşırı saf ve kaliteli kristallere sahip olabilmekti,” diye açıklıyor. Birkaç deneme yapıldı ve sonunda ekip deneyleri için yeterince saf kristaller üretmeyi başardı: Uzmanlar, bir tür süper termos şişesi olan kriyostatta, numunelerini kademeli olarak 20 milikelvine, yani mutlak sıfırın sadece ellide bir derece üstüne kadar soğuttular.

Numunenin bu soğutma işlemine ve manyetik alanın içine nasıl tepki verdiğini görmek için boyunun ne kadar değiştiğini ölçtüler. Başka bir deneyde ise grup, kristalin içinden doğrudan gönderilen ultrason dalgalarına nasıl tepki verdiğini kaydetti.

Samimi bir etkileşim

Sonuç: HLD’nin ultrason araştırmaları uzmanı Dr. Sergei Zherlitsyn, “Eğer spinler sıralanmış olsaydı, kristalin davranışında ani bir değişikliğe, örneğin uzunlukta ani bir değişikliğe neden olması gerekirdi,” diye açıklıyor. “Ancak, gözlemlediğimiz gibi, hiçbir şey olmadı! Ne uzunlukta ne de ultrason dalgalarına verdiği tepkide ani bir değişiklik olmadı.”

Sonuç: Spinlerin ve orbitallerin belirgin etkileşimi sıralanmayı engellemişti, bu yüzden atomlar sıvı kuantum durumunda kaldılar. Böyle bir kuantum durumu ilk kez gözlemlenmişti. Manyetik alanlarda yapılan daha ileri araştırmalar bu varsayımı doğruladı.

Bu temel araştırma sonucunun bir gün pratik sonuçları da olabilir: Jochen Wosnitza, “Bir noktada yeni kuantum durumunu son derece hassas kuantum sensörleri geliştirmek için kullanabiliriz” diyor. “Ancak bunu yapmak için, bu durumdaki uyarımları sistematik olarak nasıl üreteceğimizi bulmamız gerekiyor.”

Kuantum algılama geleceğin umut vaat eden teknolojilerinden biri olarak görülüyor. Kuantum doğaları onları dış uyaranlara karşı son derece hassas hale getirdiğinden, kuantum sensörler manyetik alanları veya sıcaklıkları geleneksel sensörlerden çok daha büyük bir hassasiyetle kaydedebilir.

Kaynak: https://phys.org/news/2022-12-discovery-quantum-state-analogous-wont.html

Bu yazı Astrafizik.com tarafından Türkçeye aktarılmış olup yazının aslı phys.org sitesine aittir, orijinaline mümkün olduğunca sadık kalmak koşuluyla dilimize çevirilmis olsa da editoryal tarafından katkılarda bulunulmuştur. Bu sebeple Astrafizik.com içerik izinlerine tabidir. Astrafizik.com referans gösterilmek koşuluyla 3. tarafların kullanımına izin verilmiştir.

Daha Fazla

Yorumlar

Bir Cevap Yazın

Popüler İçerik