Lazerle çalışan manyetik durum denge kurallarına meydan okuyor

Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki (ORNL) araştırmacılar ve onların işbirlikçileri, manyetik bir malzemede uzun ömürlü bir kuantum durumunu gözlemlemek için lazerler ve nötronlar kullandılar ve dengelerinden uzaklaşan malzeme sistemlerini incelemek için yeni bir yol açtılar. Kuantum mıknatıslarının manipülasyonu, kuantum bilgi biliminin ilerlemesi açısından önemlidir ve taşınan bilgi kaybını azaltabilir, bellek cihazlarını geliştirebilir ve diğer kuantum teknolojilerine fayda sağlayabilir.

Ekip, dalga benzeri uyarımları malzemelerdeki manyetik davranış için kritik olan kuantum yarı parçacıkları olan magnonlar üzerinde çalıştı. Magnonlar bilgi taşıyabilir ve kuantum mıknatıslar veri aktarımı için uzun ömürleri ve hafızayı destekleyebilir.

Ekibin bulguları, şu tarihte yayınlandı: Doğa İletişimibir lazerin manyetik bir sistemi nasıl normal durumunun dışına çıkarabildiğini, nötronların bu durumun ayrıntılarını nasıl ortaya çıkarabildiğini ve yeni durumun geçici olarak kaybolmak yerine nasıl düşük enerjide devam edebildiğini gösteriyor.

Deneyde, hızlı lazer darbeleri malzemeyi normal dinlenme durumundan çıkardı ve bir DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olan ORNL’nin Spallation Neutron Source’u, ekibin malzemenin içindeki manyetik davranışın mikroskobik ayrıntılarını incelemesine izin verdi; bu, tipik olarak dengesizlik çalışmaları için kullanılmayan benzersiz bir birleşik yaklaşımdır.

ORNL’den Chengyun Hua, “Yeni bir yaklaşım benimsediğimiz için mekanikçiler, güvenlik personeli, donanım ve yazılım mühendisleri ve araştırma ekibinin hepsinin bu projenin işe yaraması için kalıpların dışında düşünmesi gerekiyordu” dedi.

Ve şaşırtıcı sonuçlarla işe yaradı: Ölçümler, malzemenin “ayrıntılı denge” adı verilen maddenin fiziksel kuralını ihlal ettiğini gösterdi. Durgun bir sistemde ayrıntılı denge kuralı, enerji kazanma ve enerji kaybetme olaylarını öngörülebilir bir şekilde birbirine bağlar. Hızlı lazer darbeleri altında bu denge bozuldu. Nötron verileri yalnızca bir tarafta ekstra sinyaller gösterdi.

Belki daha da şaşırtıcı olanı, dengesizlik durumunun hemen ortadan kaybolmamasıdır. Orantısız aşırı magnonlar devam etti, bu da araştırmacıların kısa bir ısınma etkisi görmediğini gösteriyor. Bunun yerine, periyodik lazer darbesiyle sürdürülen uzun ömürlü, dengesiz bir kararlı durum görüyorlardı.

Bulgular diğer dengesiz kuantum durumlarını incelemek için platform yaratıyor

Hua, “Daha önce hiç kimse yoğun madde sisteminde ayrıntılı bir denge ihlalini doğrudan incelemedi” dedi. “Teorik olarak bunun olabileceği mantıklı, ancak deneysel olarak bunu görmek oldukça muhteşemdi.”

Bu kuralları çiğneyen davranışın gözlemlenmesi, sistemi diğer dengesiz kuantum fiziğini gerçek zamanlı olarak incelemek için güçlü bir platform haline getirir. Çeşitli malzemeler üzerinde kullanıldığında üretebileceği bilgiler, kuantum malzemeleri, tutarlı aktarım ve düşük kayıplı elektronikler üzerine gelecekteki çalışmalara rehberlik etmeye yardımcı olabilir.

Çalışma aynı zamanda bilim insanlarına, malzemeler hareketsiz durmak yerine aktif olarak hareket ettirilirken gözlemlendiğinde nötron saçılımının neler ortaya çıkarabileceği konusunda yeni bir ölçüt sunuyor.

Dahası, metodolojinin başarısı, yaklaşımı ilk düşünen ekip (Hua, Barry Winn ve Alan Tennant) için de heyecan verici.

Çalışmaları, ORNL’nin bu tür karmaşık ölçümler için gereken özel altyapıyı geliştirmeye yönelik uzun yıllara dayanan sürekli çabasını yansıtıyor. Ekibin ilk keşifleri, yüksek riskli, yüksek ödüllü dengesizlik fiziği için ilk platformu sağladı.

Sonuçlar aynı zamanda daha geniş bir kuantum hesaplama geleceğine işaret ediyor. ORNL araştırmacıları için bu çalışma, yeni kuantum materyallerini anlamak ve bu tür materyallerin kuantum bilgisayarlarla nasıl çalışılabileceğini ve gelecekteki bilgi teknolojilerinde nasıl kullanılabileceğini keşfetmek için deneysel bir temel oluşturmaya yardımcı oluyor.