Kobalt atomu (kırmızı), harici bir manyetik alan tarafından sürekli olarak yeniden yönlendirilen (yukarı dönüşten aşağıya doğru) bir manyetik momente (“dönme”, mavi ok) sahiptir. Sonuç olarak, manyetik atom bakır yüzeyindeki (gri) elektronları harekete geçirerek onların salınmasına (dalgalanmalar oluşturmasına) neden olur. Würzburg-Dresden Mükemmeliyet Kümesi ct.qmat tarafından yapılan bu açıklama, fizikçilerin taramalı tünelleme mikroskobuna demir bir uç (sarı) eklemesi sayesinde mümkün oldu.
Araştırmacılar, kuantum malzemelerdeki manyetik etkileşimler hakkındaki geleneksel inanışlara meydan okuyan ve potansiyel olarak teorik kuantum fiziği anlayışımızı yeniden şekillendiren spinaron etkisini ortaya çıkardılar.
Deneysel fizikçiler Profesör Matthias Bode ve Dr. Artem Odobesko’nun Würzburg laboratuvarında aşırı koşullar hüküm sürüyor. JMU Würzburg ve TU Dresden arasındaki bir işbirliği olan Cluster of Excellence ct.qmat’a bağlı olan bu vizyonerler, kuantum araştırmalarında yeni kilometre taşları belirliyor. En son çabaları ise spinaron etkisini ortaya çıkarmak.
Bireysel kobalt atomlarını stratejik olarak bakır bir yüzeye yerleştirdiler ve sıcaklığı 1,4 Kelvin’e (-271,75°) düşürdüler santigrat) ve daha sonra onları güçlü bir dış manyetik alana maruz bıraktılar. “Kullandığımız mıknatısın maliyeti yarım milyon euro. Bu yaygın olarak bulunabilen bir şey değil” diye açıklıyor Bode. Daha sonraki analizleri beklenmedik açıklamalara yol açtı.
Minik Atom, Devasa Etki
“Taramalı tünelleme mikroskobu kullanarak tek tek kobalt atomlarını görebiliriz. Her biri atom manyetik kuzey veya güney kutbu olarak düşünülebilecek bir dönüşü vardır. Bunu ölçmek şaşırtıcı keşiflerimiz açısından çok önemliydi” diye açıklıyor Bode. “Manyetik olmayan bir bakır tabanı üzerine manyetik bir kobalt atomunu buharla biriktirdik, böylece atomun bakırın elektronlarıyla etkileşime girmesine neden olduk. Kuantum materyalleri içindeki bu tür korelasyon etkilerini araştırmak, gelecekte dönüştürücü teknoloji yenilikleri vaat eden bir arayış olan ct.qmat’ın misyonunun merkezinde yer alıyor.
Top Havuzundaki Rugby Gibi
1960’lardan bu yana katı hal fizikçileri, kobalt ve bakır arasındaki etkileşimin, kobalt atomunun ve bakır elektronlarının farklı manyetik yönelimlerinin birbirini iptal etmesiyle Kondo etkisi ile açıklanabileceğini varsaydılar.
Bu, bakır elektronlarının kobalt atomuna bağlandığı ve “Kondo bulutu” olarak adlandırılan durumu oluşturan bir duruma yol açar. Ancak Bode ve ekibi laboratuvarlarını daha derinlemesine araştırdılar. Ve Forschungszentrum Jülich araştırma enstitüsünden teorisyen Samir Lounis tarafından 2020’de önerilen alternatif bir teoriyi doğruladılar.
Würzburg’lu fizikçiler, yoğun bir dış manyetik alanın gücünden yararlanarak ve taramalı tünelleme mikroskobunda bir demir uç kullanarak, kobaltın dönüşünün manyetik yönünü belirlemeyi başardılar. Bu dönüş katı değildir, ancak sürekli olarak ileri geri geçiş yapar, yani “yukarı dönüş”ten (pozitif) “dönme”ye (negatif) ve tam tersi. Bu geçiş, spinaron etkisi adı verilen bir olay olan bakır elektronlarını harekete geçirir.
Bode bunu canlı bir benzetmeyle açıklıyor: “Dönme hizasındaki sürekli değişiklik nedeniyle kobalt atomunun durumu bir ragbi topuyla karşılaştırılabilir. Bir ragbi topu bir top çukurunda sürekli olarak döndüğünde, çevredeki toplar dalga benzeri bir şekilde yer değiştirir. Tam da bunu gözlemledik; bakır elektronları tepki olarak salınmaya başladı ve kobalt atomuna bağlandı.” Bode şöyle devam ediyor: “Kobalt atomunun değişen mıknatıslanması ve ona bağlı bakır elektronlarının bu kombinasyonu, Jülich meslektaşımız tarafından tahmin edilen spinarondur.”
Spinaron etkisinin Würzburg ekibi tarafından yapılan ilk deneysel doğrulaması, Kondo etkisine şüphe düşürüyor. Şimdiye kadar kobalt-bakır ikilisi gibi kuantum malzemelerdeki manyetik atomlar ve elektronlar arasındaki etkileşimi açıklayan evrensel bir model olarak kabul ediliyordu. Bode şöyle bir espri yapıyor: “Fizik ders kitaplarına önemli bir yıldız işareti koymanın zamanı geldi!”
Spinaron ve Spintronics
Spinaron etkisinde kobalt atomu, elektronlarla etkileşimine rağmen manyetik özünü koruyarak sürekli hareket halinde kalır. Kondo etkisinde ise manyetik moment, elektron etkileşimleriyle nötralize edilir. Bode, “Keşfimiz, metal yüzeylerdeki manyetik momentlerin fiziğini anlamak açısından önemlidir” diyor. Geleceğe bakıldığında, bu tür olaylar yeni tür elektronik cihazlarda manyetik bilgi kodlamanın ve taşımanın önünü açabilir. “Spintronics” olarak adlandırılan bu, BT’yi daha yeşil ve enerji açısından daha verimli hale getirebilir.
Ancak Bode, bu kobalt-bakır kombinasyonunun pratikliğinden bahsederken beklentileri yumuşatıyor. “Esasen tek tek atomları, ultra yüksek vakumda, tertemiz bir yüzey üzerinde ultra düşük sıcaklıklarda manipüle ettik. Cep telefonları için bu mümkün değil. Korelasyon etkisi, maddenin davranışını anlamaya yönelik temel araştırmalarda bir dönüm noktası olsa da, bundan gerçek bir geçiş yapamam.”
Würzburg’lu kuantum fizikçisi Artem Odobesko ve Jülich teorisyeni Samir Lounis şu anda, 1960’lardan bu yana çeşitli malzeme kombinasyonlarında Kondo etkisini tanımlayan çok sayıda yayının geniş ölçekli bir incelemesine odaklanıyor. Odobesko, “Birçok kişinin aslında spinaron etkisini tanımlıyor olabileceğinden şüpheleniyoruz” diyor ve ekliyor: “Eğer öyleyse, teorik kuantum fiziğinin tarihini yeniden yazacağız.”
Mükemmeliyet Kümesi ct.qmat
Mükemmellik Kümesi ct.qmat – Kuantum Maddede Karmaşıklık ve Topoloji, 2019’dan beri Julius-Maximilians-Universität Würzburg ve Technische Universität Dresden tarafından ortaklaşa yürütülmektedir. Otuzdan fazla ülke ve dört kıtadan yaklaşık 400 bilim adamı, şaşırtıcı sonuçlar ortaya çıkaran topolojik kuantum materyalleri üzerinde çalışmaktadır. ultra düşük sıcaklıklar, yüksek basınç veya güçlü manyetik alanlar gibi aşırı koşullar altındaki olaylar. ct.qmat, Federal ve Eyalet Hükümetlerinin Alman Mükemmellik Stratejisi aracılığıyla finanse edilmektedir ve Almanya’da iki farklı federal eyalette bulunan tek Mükemmeliyet Kümesidir.
Referans: Felix Friedrich, Artem Odobesko, Juba Bouaziz, Samir Lounis ve Matthias Bode tarafından yazılan “Co adatomlarda spinaron kanıtı”, 26 Ekim 2023, Doğa Fiziği.
DOI: 10.1038/s41567-023-02262-6