Kuantum metaller, kuantum etkilerinin – normalde sadece atom ölçeklerinde önemli olan davranışların – metalin makroskopik elektriksel özelliklerini kontrol edecek kadar güçlü olduğu metallerdir.
Japonya’daki araştırmacılar, Kagome metalleri adı verilen özel bir kuantum metal grubunda elektriğin nasıl davrandığını açıkladılar. Çalışma, zayıf manyetik alanların bu metaller içindeki küçük döngü elektrik akımlarını nasıl tersine çevirdiğini gösteren ilk çalışma. Bu anahtarlama, malzemenin makroskopik elektriksel özelliklerini değiştirir ve hangi yönün daha kolay elektrik akışına sahip olduğunu, diyot efekti olarak bilinen bir özellik, akımın bir yönde diğerinden daha kolay akışa sahip olduğunu tersine çevirir.
Özellikle, araştırma ekibi kuantum geometrik etkilerinin bu anahtarlamayı yaklaşık 100 kat artırdığını buldu. Çalışma, yayınlanan Ulusal Bilimler Akademisi Bildirilerisonunda basit mıknatıslar tarafından kontrol edilen yeni elektronik cihazlara yol açabilecek teorik temeli sağlar.
Bilim adamları, 2020’den beri deneylerde bu garip manyetik anahtarlama davranışını gözlemlediler, ancak bunun neden olduğunu ve etkinin neden bu kadar güçlü olduğunu açıklayamadılar. Bu çalışma her ikisini de açıklayan ilk teorik çerçeveyi sunmaktadır.
Hayal kırıklığına uğramış elektronlar yerleşemezse
Kagome metal adı, Japonca “sepet gözleri” veya “sepet deseni” anlamına gelen “Kagome” kelimesinden geliyor, bu da birbirine geçen üçgen tasarımlar yaratan geleneksel bir bambu dokuma tekniğini ifade ediyor.
Bu metaller özeldir, çünkü atomları, bilim adamlarının geometrik hayal kırıklığı olarak adlandırdığı şeyi yaratan bu eşsiz sepet dokuma deseninde düzenlenmiştir-elektronlar basit, organize desenlere yerleşemez ve döngü akımlarını içeren daha karmaşık kuantum durumlarına zorlanır.
Bu metaller içindeki döngü akımları yön değiştirdiğinde, metalin elektriksel davranışı değişir. Araştırma ekibi, döngü akımlarının ve dalga benzeri elektron desenlerinin (yük yoğunluk dalgaları) elektronik yapıdaki temel simetrileri kırmak için birlikte çalıştığını gösterdi. Ayrıca, kuantum geometrik etkilerin – sadece maddenin en küçük ölçeklerinde meydana gelen benzersiz davranışların – anahtarlama etkisini önemli ölçüde artırdığını keşfettiler.
Nagoya Üniversitesi Bilim Enstitüsü’nden kıdemli yazar ve profesör Hiroshi Kontani, “Manyetik anahtarlamayı her gördüğümüzde olağanüstü bir şey olduğunu biliyorduk, ama nedenini açıklayamadık.”
“Kagome metalleri, kuantum etkilerini sıradan metallerde olduğundan çok daha güçlü hale getiren yerleşik amplifikatörlere sahiptir. Kristal yapılarının ve elektronik davranışlarının kombinasyonu, aynı anda belirli temel kuralları kırmalarına izin verir, bu spontan simetri kırılması olarak bilinen bir fenomen, doğada son derece nadirdir ve neden bu kadar güçlü olduğunu açıklar.”
Araştırma yöntemi, metallerin yaklaşık -190 ° C’lik son derece düşük sıcaklıklara soğutulmasını içeriyordu. Bu sıcaklıkta, Kagome metali doğal olarak elektronların dolaşım akımları oluşturduğu ve malzeme boyunca dalga benzeri desenler oluşturduğu kuantum durumlarını geliştirir. Bilim adamları zayıf manyetik alanlar uyguladıklarında, bu akımların yönünü tersine çevirirler ve sonuç olarak metal değişikliklerinde akım akışının tercih ettiği yönü.
Yeni Materyaller Yeni Teoriyi Topla
Kuantum fiziğindeki bu atılım yakın zamana kadar mümkün değildi çünkü Kagome metalleri sadece 2020 civarında keşfedildi. Bilim adamları deneylerde gizemli elektrik anahtarlama etkisini hızla gözlemlerken, nasıl çalıştığını açıklayamadılar.
İlgili kuantum etkileşimleri çok karmaşıktır ve döngü akımlarının, kuantum geometrisinin ve manyetik alanların birlikte nasıl çalıştığının ileri anlamasını gerektirir – sadece son yıllarda gelişen bilgi. Bu etkiler aynı zamanda safsızlıklara, gerginliğe ve dış koşullara karşı çok hassastır, bu da onları çalıştırmayı zorlaştırır.
Profesör Kontani, “Bu keşif, üç şey doğru zamanda bir araya geldiği için oldu: sonunda yeni malzemeler, onları anlamak için ileri teorilerimiz ve onları düzgün bir şekilde incelemek için yüksek teknoloji ekipmanı vardı. Bunların hiçbiri yakın zamana kadar birlikte yoktu, bu yüzden hiç kimse bu bulmacayı şimdiye kadar çözemedi.”
“Bu metallerdeki elektriksel özelliklerin manyetik kontrolü potansiyel olarak yeni manyetik bellek cihazları veya ultra duyarlı sensörler sağlayabilir. Çalışmamız, yeni nesil kuantum kontrollü teknolojiyi geliştirmeye başlamak için gereken temel anlayışı sağlıyor.” Dedi.
