Uluslararası bir araştırma ekibi, 40 yıl önce varlığı öngörülen yeni bir madde formuna dair kanıt buldu. Bu durum “kuantum spin (dönü) akışkan” (etkileşim halindeki kuantum durumları düzensiz bir halde olduğundan akışkan olarak adlandırılır) olarak biliniyor ve elektronların, yani doğanın görünmez yapıtaşlarının parçalanmasına sebep oluyor.
Cambridge Üniversitesi’nden fizikçileri içeren araştırma grubu, grafene benzeyen iki boyutlu bir malzemenin içinde Majorana adı verilen parçacıkların izlerini ilk kez ölçtü. Deney sonuçları, Kitaev modeli adı verilen teorik model ile başarıyla eşleşti. Sonuçlar Nature Materials dergisinde basıldı.
Kuantum spin akışkanlar maddenin gizemli bir hali. Manyetik malzemelerde saklı olduğu düşünülüyor, fakat doğada gözlemlenememişti. Gerçek malzemelerde elektron ayrışmasının gözlemlenmesi bilimde çığır açan bir buluş. Sonuç olarak, Majorana fermiyonları bilinen tüm bilgisayarlardan daha hızlı hesap yapabilen kuantum bilgisayarları için temel olarak kullanılabilir.
Makalenin yazarlarından, Cambridge’teki Cavendish Laboratuvarı’ndan Dr. Johannes Knolle de, maddenin bu yeni halinin tahmin edildiğini ama daha önceden görülmediğini belirtti.
Tipik bir manyetik malzemede elektronlar küçük mıknatıslar gibi davranır. Bu malzemeler yeterince soğutulduğunda “mıknatıslar” kendini tüm kuzey kutuplarının aynı yönü göstereceği şekilde sıralar. Fakat spin akışkan içeren bir malzeme mutlak sıfıra soğutulsa bile sıralı durmaz ve kuantum dalgalanmalarından kaynaklanan karışık bir çorba oluşturur.
Cavendish Laboratuvarı’nda Yoğun Madde Teorisi grubundan Dmitry Kovrizhin, çalışma sonuçlanana kadar kuantum spin akışkanın deneysel izlerinin neye benzeyeceğini bile bilmediklerini söyledi. Önceki çalışmalarında yaptıkları tek şey, kuantum spin akışkanı gözlemleseler ne görebileceklerini sormak oldu.
Araştırmacılar alfa-ruthenyum klorür (a-RuCl3) içinde elektron ayrışmasına kanıt bulabilmek için nötron saçılması tekniklerini kullandı. a-RuCl3 tozu, maddenin manyetik özelliklerini test edebilmek için nötronlarla uyarıldı ve nötronlar maddeden sektikleri zaman ekrana yansıyan dalgacıkların deseni gözlemlendi.
Bilinen bir mıknatıs ayrı ve keskin çizgiler yaratırdı ama, Majorana fermiyonlarının kuantum spin akışkan durumundayken nasıl bir desen yaratacakları bilinmiyordu. 2014’de Knolle ve ekibinin yaptığı teorik tahmin, keskin çizgiler yerine deneycilerin ekranda gördüğü geniş kamburlarla çok iyi eşleşti. Böylece, ilk kez, iki boyutlu bir malzemede kuantum spin akışkan durumu ve elektron ayrışması ilk kez doğrudan kanıtlandı.
Knolle, maddenin bilinen kuantum durumlarının kısa listesine yeni bir ekleme olduğunu söyledi. Kovrizhin’e göre bu, kuantum maddesini anlamak için önemli bir adım. Ona göre, daha önce hiç gözlemlenmemiş bir kuantum durumunu keşfetmek eğlenceli ve yeni şeyler deneme olanağı sunuyor.
