1966'da Japon fizikçi Yosuke Nagaoka, mıknatısları harekete geçiren fenomen olan ferromanyetizmaya neden olabilecek alışılmadık yeni bir mekanizma fikrini ortaya attı.
Teoride fikri mantıklıydı, ancak doğal malzemelerde asla gözlenmedi. Şimdi bunun laboratuvarda olduğuna dair ilk işaretlere sahibiz.
Bir kez daha, keşif için kuantum fiziğine borçluyuz. Bilim adamları, sıkı bir şekilde kontrol edilen, özel yapım bir kuantum elektrik sisteminde Nagaoka ferromanyetizmasının (adıyla anılan) 'deneysel imzaları' dedikleri şeyi yaratabildiler.
Bu yeni manyetizma düzeneğini pratikte kullanmak için henüz çok erken olmasına rağmen, keşif Nagaoki'nin 54 yıllık öngörüsünün doğru olduğunu gösteriyor; ve bunun geleceğin kuantum sistemlerinin nasıl gelişeceği üzerinde büyük bir etkisi olabilir.
Hollanda'daki Delft Teknoloji Üniversitesi'nden kuantum fizikçisi Lieven Wandersiepen, “Sonuçlar çok netti: ferromanyetizmayı gösterdik” diyor.
“Bu proje üzerinde çalışmaya başladığımızda, deneyin mümkün olup olmayacağından emin değildim, çünkü fizik, laboratuvarımızda şimdiye kadar incelediğimiz her şeyden çok farklı.”
Ferromanyetizmayı hayal etmenin en kolay yolu, bir çizime kayan bloklar yerleştirdiğiniz çocuklar için bir bulmaca oyunudur. Bu benzetmede, her blok kendi dönüşü veya hizalaması olan bir elektrondur.
Nagaoke'nin ferromanyetizması, tüm dönüşler sağa hizalanmış bir bulmaca şeklinde. (QuTech için Scixel de Groot)
Elektronlar bir yönde hizalandığında, bir manyetik alan oluşur. Nagaoka, malzeme manyetik kalırken elektronların serbestçe hareket edebildiği gezici ferromanyetizmanın bir tür ideal versiyonunu tanımladı.
Bulmacanın Nagaoki versiyonunda, tüm elektronlar aynı yöne hizalanır, bu da yapboz parçaları karıştırılsa bile sistemin manyetizmasının bir bütün olarak sabit kaldığı anlamına gelir.
Elektronların (veya mozaiklerin) karıştırılması genel konfigürasyonla alakasız olduğundan, sistem daha az güç gerektirir.
Nagaoke'nin ferromanyetizmasını iş başında göstermek için, bilim adamları aslında yeni nesil kuantum bilgisayarları oluşturabilecek küçük yarı iletken parçacıklar olan kuantum noktalarından oluşan ikiye iki boyutlu bir kafes inşa ettiler.
Tüm sistem neredeyse mutlak sıfıra (-272.99 ° C veya -459.382 ° F) soğutuldu, ardından içinde üç elektron yakalandı (bir 'bulmaca bloğu' boş bırakıldı). Bir sonraki adım, Nagaoka'nın önerdiği gibi ızgaranın bir mıknatıs gibi davrandığını göstermekti.
Delft Teknoloji Üniversitesi'nden kuantum fizikçisi Udittendu Muhopadhyay, “Elektronların dönüş yönünü çözebilen ve bunu laboratuvarda ölçebileceğimiz bir elektrik sinyaline dönüştürebilen çok hassas bir elektrik sensörü kullandık” diyor.
Sensör, ultra-küçük aşırı duyarlı kuantum noktaları sisteminin, beklendiği gibi elektron dönüşlerini doğal olarak en düşük enerji durumunu tercih ederek hizaladığını gösterdi.
Daha önce fizikteki en zor problemlerden biri olarak tanımlanan bu, hem manyetizma hem de kuantum mekaniği anlayışımızda önemli bir adımdır ve nano ölçekte ferromanyetizmanın nasıl çalıştığına dair uzun süredir devam eden fikrin gerçekten doğru olduğunu göstermektedir.
İleriye dönük olarak, keşif, kendi kuantum bilgisayarlarımızı, mevcut teknolojimizin ötesinde hesaplamalar yapabilen cihazları geliştirmeye yardımcı olacaktır.
“Bu sistemler, karmaşık kimyasal süreçler gibi günümüzün en gelişmiş süper bilgisayarıyla çözülemeyecek kadar karmaşık problemleri incelemenizi sağlar” diyor Vanderspen.
“Nagaoke ferromanyetizmasının uygulanması gibi pilot deneyler, geleceğin kuantum bilgisayarlarının ve simülatörlerinin geliştirilmesi için önemli kılavuzlar sağlıyor.”
Çalışma Nature dergisinde yayınlandı.
Kaynaklar: Fotoğraf: QuTech için Sofía Navarrete ve María Mondragón De la Sierra
