Kuantum malzemeleri, ışık hızında, enerji tasarruflu bilgi sistemlerinin geleceğinin anahtarını taşıyor. Ancak bunların dönüştürücü potansiyellerinden yararlanmanın sorunu, katılarda çok sayıda atomun sıklıkla elektronların egzotik kuantum özelliklerini bastırmasıdır.
Pirinç Üniversitesi Kuantum malzeme bilimcisi Hanyu Zhu'nun laboratuvarındaki araştırmacılar, atomların daireler halinde hareket ettiklerinde harikalar yaratabildiğini buldu: Nadir toprak kristalindeki atomik kafes, kiral fonon olarak bilinen tirbuşon şeklindeki bir titreşimle canlandırıldığında, kristal, mıknatısa dönüştürülür. Araştırma kısmen ABD Ulusal Bilim Vakfı tarafından iki kuruluş aracılığıyla desteklendi: araştırma hibeler de dahil olmak üzere KARİYER ödülüve yazarlardan biri NSF'dir Lisansüstü Araştırma Görevlisi. Çalışma şurada yayınlandı: Bilim.
Araştırmaya göre, seryum florürün ultra hızlı ışık darbelerine maruz bırakılması, atomlarını anlık olarak elektronların dönüşlerini harekete geçiren bir dansa göndererek onların atomik dönüşle aynı hizada olmalarına neden oluyor. Atomlar yalnızca belirli frekanslarda döndüklerinden ve daha düşük sıcaklıklarda daha uzun süre hareket ettiklerinden, frekans ve sıcaklığa bağlı ek ölçümler, mıknatıslanmanın atomların kolektif kiral dansı nedeniyle meydana geldiğini doğrulamaktadır.
Zhu, “Atomik hareketin elektronlar üzerindeki etkisi şaşırtıcıdır çünkü elektronlar atomlardan çok daha hafif ve hızlıdır” dedi. “Atomlar saat yönünde veya saat yönünün tersine hareket etseler, yani zamanda ileri veya geri gitseler, malzeme özellikleri değişmeden kalırdı.” – fizikçilerin zamanın tersine çevrilmesi simetrisi olarak adlandırdığı bir olgu.”
Atomların kolektif hareketinin zamanın tersine çevrilmesi simetrisini bozduğu fikri nispeten yenidir. Kiral fononlar birkaç farklı malzemede deneysel olarak gösterilmiştir ancak malzeme özelliklerini tam olarak nasıl etkiledikleri tam olarak anlaşılamamıştır.
Zhu, “Spin-fonon eşleşmesi adı verilen büyüleyici bir olguya odaklanmaya karar verdik” dedi. Spin-fonon bağlantısı, sabit diske veri yazmak gibi gerçek dünya uygulamalarında önemli bir rol oynar.
Yeni deneylerinde Zhu ve ekip üyeleri, atomlardan oluşan bir kafesi kiral bir şekilde hareket ettirecek şekilde yönlendirmenin bir yolunu bulmak zorundaydı. Bu, işbirlikçilerin teorik hesaplamalarının yardımıyla, hem doğru malzemenin seçilmesini hem de atomik kafesin girdap şeklinde dönmesi için doğru frekansta ışık yaratılmasını gerektiriyordu.
Araştırma bulgularından elde edilen spin-fonon eşleşmesine ilişkin içgörülere ek olarak, deneysel tasarım ve kurulum, manyetik ve kuantum malzemeler üzerine gelecekteki araştırmalara bilgi sağlamaya yardımcı olacaktır.