Bilim İnsanları, Süperiletkenlik Arayışında “Eksik Bağlantı” Olabilecek Yeni Bir Manyetizma Türü Keşfetti

Araştırmacılar, altermanyetizma olarak adlandırılan üçüncü bir manyetizma türünün ilk kesin kanıtını ortaya koydu. 11 Aralık’ta Nature dergisinde yayımlanan bu bulgular, yeni nesil yüksek hızlı manyetik bellek cihazlarının tasarımında devrim yaratabilir ve süperiletkenlik alanında uzun süredir eksik olan bağlantıyı tamamlayabilir.

"Daha önce iki iyi bilinen manyetizma türümüz vardı." diyen çalışmanın yazarı ve İngiltere’deki Nottingham Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olan Oliver Amin, Live Science’a şu açıklamayı yaptı: "Ferromanyetizma, manyetik momentlerin—atom ölçeğinde küçük pusula iğneleri gibi düşünebilirsiniz—aynı yöne baktığı durumu ifade eder. Antiferromanyetizmada ise komşu manyetik momentler birbirine zıt yönlerde hizalanır; bunu siyah ve beyaz karelerden oluşan bir satranç tahtası gibi düşünebilirsiniz."

Elektrik akımındaki elektron spinleri yalnızca iki yönü işaret edebilir ve bu yönler manyetik momentlerle hizalanarak ya da onlara ters düşerek bilgi depolamak veya iletmek için kullanılır. Bu prensip, manyetik bellek cihazlarının temelini oluşturur.

Yeni Bir Manyetizma Türü

Altermanyetik malzemeler, 2022 yılında teorik olarak öne sürüldü ve yapıları ferromanyetik ve antiferromanyetik özellikler arasında bir geçiş noktası oluşturuyor. Antiferromanyetik malzemeler gibi, her manyetik moment komşusunun ters yönüne bakarken, bu yönlenme hafifçe burulmuş bir yapıya sahiptir. Bunun sonucu olarak, ferromanyetik benzeri bazı özellikler de ortaya çıkar.

"Ferromanyetik malzemelerin avantajı, hafızayı okumak ve yazmak için yukarı-aşağı manyetik alanları kolayca kullanabilmemizdir." diyen çalışmanın ortak yazarı ve Nottingham Üniversitesi'nden doktora öğrencisi Alfred Dal Din, Live Science’a şu bilgileri verdi: "Ancak bu malzemeler net manyetizmaya sahip olduğundan, üzerlerinden bir mıknatıs geçirerek verileri kolayca silebilirsiniz."

Öte yandan antiferromanyetik malzemeler, bilgi depolama açısından çok daha güvenlidir, çünkü net manyetizmaları sıfırdır. Ancak, bu malzemeleri manipüle etmek çok daha zordur. "Altermanyetik malzemeler, antiferromanyetik malzemelerin hızını ve dayanıklılığını korurken, ferromanyetizmadan gelen 'zaman tersinim simetrisinin bozulması' özelliğini de taşır." diyen Dal Din, bu özelliğin yeni manyetik cihazların tasarımında kritik bir rol oynayabileceğini belirtti.

"Örneğin, gaz parçacıkları rastgele hareket eder, çarpışır ve bir alanı doldurur." diye ekleyen Amin, "Eğer zamanı geri sararsanız, bu davranış aynı görünür." Ancak elektronlar kuantum spini ve manyetik momenti bir arada bulundurduğundan, zamanın geri sarılması spin yönlerini değiştirerek simetriyi bozar. "İleriye doğru akan bir elektron sistemi ile geriye sarılmış bir elektron sistemi farklı görünecektir, bu da simetrinin bozulduğu anlamına gelir." diye açıklıyor Amin. 

"Bu özellik, belirli elektriksel fenomenlerin var olmasını sağlamakta."

Süperiletkenliğin ‘Eksik Bağlantısını’ Bulmak

Araştırma ekibi, Nottingham Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Peter Wadley liderliğinde, mangan tellürid adlı bir malzemenin yapısını ve manyetik özelliklerini incelemek için fotoemisyon elektron mikroskobu (PEEM) tekniğini kullandı. Önceden antiferromanyetik olduğu düşünülen bu malzeme, testler sonucunda altermanyetik özellikler taşıdığı kanıtlanan ilk madde oldu.

"Seçtiğimiz X-ışını polarizasyonuna bağlı olarak manyetizmanın farklı yönlerini açığa çıkarabiliyoruz." diyen Amin, dairesel polarize ışığın zaman tersinim simetrisi kırılmasıyla oluşan farklı manyetik alanları görünür hale getirdiğini belirtti. Yatay ve dikey polarize X-ışınları ise malzeme içindeki manyetik momentlerin yönlerini ölçmeye yardımcı oldu. Araştırmacılar, bu iki yöntemin sonuçlarını birleştirerek ilk kez bir altermanyetik malzemenin detaylı manyetik haritasını oluşturdu.

Bu kavramı kanıtladıktan sonra ekip, kontrollü termal çevrimler kullanarak altermanyetik cihazlar üretti. "Altıgen ve üçgen yapıya sahip cihazlarımızda egzotik manyetik girdaplar oluşturmayı başardık." diyen Amin, bu tür girdap yapıların spintronik alanında bilgi taşıyıcı olarak giderek daha fazla ilgi çektiğini vurguladı.

"Bu keşif, yeni nesil manyetik bellek cihazlarının tasarımında büyük bir değişiklik yaratabilir." diyen araştırmacılar, altermanyetizmanın daha yüksek hız, daha fazla dayanıklılık ve gelişmiş kullanım kolaylığı sunduğunu belirtti.

Dal Din konuyla ilgili "Ayrıca, altermanyetizma süperiletkenlik araştırmalarına da büyük katkı sağlayacak." diyerek ekledi: "Uzun zamandır süperiletkenlik ile manyetizmanın simetri ilişkisi arasında bir boşluk vardı. Şimdiye kadar ulaşılamayan bu manyetik malzeme sınıfı, aslında bu eksik parçanın kendisi olabilir."

‍

‍

‍

Kaynak: https://www.space.com/space-exploration/tech/scientists-discover-new-3rd-form-of-magnetism-that-may-be-the-missing-link-in-the-quest-for-superconductivity