Hesaplamanın geleceği, kuralların bugünün cihazlarını güçlendirenlerden çok farklı olduğu kuantum fiziğinin şaşırtıcı dünyasında yatmaktadır. Kuantum bilgisayarlar, silikon cipslerinde çalışan en hızlı süper bilgisayarlar için bile çok karmaşık sorunlarla başa çıkmayı vaat ediyor. Bu vizyonu gerçekleştirmek için, dünyanın dört bir yanındaki bilim adamları, alışılmadık, neredeyse diğer dünya özelliklerine sahip yeni kuantum malzemeleri arıyorlar.
Daha ilgi çekici adaylardan birine kuantum spin sıvısı denir – evrendeki en soğuk sıcaklıklarda bile elektron dönüşlerinin asla yerleşmediği bir madde durumu. Bununla birlikte, bugüne kadar, bir laboratuvarda böyle bir kuantum durumunu hazırlamak inatçı bir şekilde zorlaştı. Birden fazla kurumla işbirlikçi bir projede, ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim adamları şimdi retankize edici bir şekilde yaklaşıyor.
Argonne Kıdemli Fizikçi ve Grup Lideri Daniel Haskel tarafından açıklandığı gibi, bu malzemelerde, sıradan bir sıvıda olduğu gibi akıcı kalan atomlar değil, elektronların küçük manyetik yönelimleri – veya döner. Her spin, herkesi içerik tutacak şekilde hizalayarak komşularıyla “geçinmek” ister. Ancak dönüşler baskı altında birbirine yaklaştığında, her komşuyu tatmin etmek imkansız hale gelir.
Sonuç, dönüşlerin artık herhangi bir sabit düzenlemeye yerleşemediği bir tür manyetik çıkmaz – hayal kırıklığı olarak adlandırılır. Sonuç, mutlak sıfıra yakın soğutulsa bile, dalgalanan dönümlerin sürekli, dolaşmış bir dansıdır.
Profesör Russell Hemley’s Group’taki Illinois Chicago Üniversitesi’nde yüksek lisans öğrencisi olan Eduardo Poldi, Argonne’de ortak randevu alarak, “Bu kuantum spin durumuna ulaşmak büyük bir kilometre taşı olacaktır.” Dedi. “Bazı kuantum spin sıvıları, kuantum bilgisayarın temel yapı taşları olan kubitler için yeni bir platform olarak hizmet edebilir.”
DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olan Argonne’nin Gelişmiş Foton Kaynağı’ndaki (APS) son deneylerinde, ekip dikkatlerini bir spin sıvısı için malzemelere sahip olduğu düşünülen kristal bir malzemeye çevirdi. Sodyum, kobalt ve antimon (NCSO) içeren bir oksittir.
Malzemenin özel özellikleri vardır: kobalt atomları bir arı kovanı gibi bir petek deseni oluşturur. Bu yapı kilit bir rol oynar. Elektron dönüşleri, petekteki her hücrenin kenarlarına dik olarak hizalanma eğilimindedir, ancak üç kenarın buluştuğu noktalarda, tüm spinler komşularını tatmin etmek için hizalanamaz – bir hayal kırıklığı yaratır.
Teorik modeller, bu hayal kırıklığının topolojik korumalı bir kuantum spin sıvısı barındırabileceğini öngörmektedir. Böyle bir durumda, kuantum bilgilerini kodlayan ancak dış rahatsızlıklara karşı dirençli kalan uyarımlar oluşabilir. Bu yerleşik koruma, kırılgan kuantum durumlarını korumaya yardımcı olabilir-istikrarlı kuantum teknolojilerine doğru önemli bir adım.
Daha önceki çalışmalarda, Argonne araştırmacıları aşırı basıncın kuantum spin davranışını indüklemek için bir kontrol düğmesi görevi görebileceğini buldular. Elektronları manyetik bir kristalle birlikte sıkmak için iki düz elmas kullanarak, bir malzemenin normal manyetik sırasını bastırdılar ve spin sıvı durumuna doğru sürüklediler.
APS fizikçisi Gilberto Fabbris, “Basınç, atomlar ve elektronları arasındaki ayrımı azaltmanın bir yolunu sunuyor.” Dedi. “Bu mesafeyi ayarlayarak, manyetik bir kristali sinirli bir duruma sürükleyebiliriz. Belli bir aşırı basınçta manyetizma kaybolur ve bir spin sıvısı ortaya çıkar.”
Ancak bu duruma ulaşmak olağanüstü zordur. Basınç, ancak kristalin iç simetrisine zarar vermeyecek şekilde uygulanan manyetik düzeni baskılayacak kadar yüksek olmalıdır. APS’de özel elmas örs hücreleri kullanan araştırmacılar, NCSO’yu 1 milyondan fazla atmosferle – okyanusun dibindeki basınçın yaklaşık 1000 katı – tüm insan saçının genişliğinden daha küçük bir bölgede sıkıştırabildiler.
Ekip, NCSO örneklerini oda sıcaklığından mutlak sıfıra ve 1 ila 1 milyon atmosferden analiz etmek için üç APS ışın çizgisi kullandı. Özellikle, NCSO’nun atomik yapısını ve elektron spinlerini geniş bir sıcaklık ve basınç aralığında çözmek için 16-BM-D ve 16-ID-D ışın çizgilerinde X-ışını kırınımı ve emisyon spektroskopisi gerçekleştirdiler. Ayrıca değişen manyetik özellikleri izlemek için Beamline 4-ID-D kullandılar.
Özellikle önemli olan Poldi, APS’de bir atom içindeki spin durumunu ve aşırı basınçlar altında atomlar arasındaki spin-spin korelasyonlarını ölçme yeteneğinin olduğunu belirtti. APS, ABD’de böyle bir deneyin mümkün olduğu tek tesistir.
Şimdi yayınlanan sonuçlar İletişim FiziğiNCSO’nun bir spin sıvı durumuna yaklaşmanın net belirtileri gösterdiğini belirtin, ancak hayal kırıklığına uğramış kuantum durumunun doğası teori tarafından öngörülenden farklıdır.
Bu, onu gelecekteki çalışmalar için umut verici bir malzeme ve muhtemelen kuantum malzemelerinin garip özelliklerini sergileyen diğer petek-yapılandırılmış malzemelere doğru bir basamak taşı haline getirir. APS’ye yapılan son yükseltme ile araştırmacılar, aday materyalleri beş kat daha yüksek baskılarda araştırabilecekler.
Haskel, “Topolojik korumalı kuantum spin sıvıları, dış parazitten doğal olarak korunan kubitler oluşturmaya yönelik heyecan verici bir yol sağlar.” Dedi. Temel bir fizik deneyi olarak başlayan şey, artık daha istikrarlı ve hataya dayanıklı kuantum teknolojileri oluşturmak için yeni bir yola işaret edebilir.
