Kuantum “Mucize Malzemesi” ile Manyetik Anahtarlama Mümkün
Bilim insanları, krom sülfür bromür adı verilen özel bir malzeme kullanarak kuantum bilgisini kontrol etmenin yeni bir yolunu keşfetti. Araştırmacılar, malzemenin manyetizasyonunu ayarlayarak eksitonları—bilgi taşıyan kuantum parçacıklarını—kontrol edebiliyor. Bu sayede kuantum durumları daha uzun süre korunabiliyor ve veri işlemenin yeni yöntemleri geliştirilebiliyor.
Bu buluş, kuantum hesaplama, algılama ve diğer teknolojilerde önemli ilerlemelere yol açabilir. Önceki araştırmalar, eksiton adı verilen kuantum parçacıklarının bazen malzeme içinde tek bir çizgiyle, krom sülfür bromürle sınırlandırılabileceğini bulmuştur. Yeni çalışma ise, bu sınırlamanın malzemenin manyetik özellikleriyle bağlantılı olduğunu hem teorik hem de deneysel olarak kanıtlıyor.
Krom sülfür bromür, kuantum araştırmaları için oldukça heyecan verici bir malzeme çünkü bilgiyi birden fazla şekilde kodlayabiliyor: elektrik yükü, ışık (fotonlar), manyetizma (elektron spinleri) ve titreşimler (fononlar) yoluyla.
“Uzun vadeli vizyonumuz, bu malzeme ile kuantum makineleri veya cihazları geliştirmek. Bu makineler fotonları bilgi aktarmak, elektronları bilgi işlemek, manyetizmayı bilgiyi depolamak ve fononları bilgiyi farklı frekanslara dönüştürmek için kullanabilir,” diyor Michigan Üniversitesi’nden elektrik ve bilgisayar mühendisliği profesörü Mackillo Kira.
Eksitonların Kuantum Bilgi Kodlamasında Kullanılması
Krom sülfür bromürün kuantum bilgisini kodlama yollarından biri eksitonlardır. Eksitonlar, bir elektronun yarı iletkenin “temel” enerji seviyesinden daha yüksek bir enerji seviyesine yükseldiğinde, geride bir “boşluk” (delik) bırakmasıyla oluşur. Elektron ve delik birbirine bağlı bir çift oluşturur ve bu kolektif durum eksiton olarak adlandırılır.
Eksitonlar, krom sülfür bromürün alışılmadık manyetik özellikleriyle tek katmanlarda hapsolur.. Bu malzeme, moleküler moleküler yufka hamuru gibi, sadece birkaç atom kalınlığında katmanlardan oluşur. 132 Kelvin’in altındaki düşük sıcaklıklarda, bu katmanlar manyetize olur—elektronların spinleri aynı yönde hizalanır. Ancak, manyetik alanın yönü, her katmanda ters yöne döner. Bu yapı antiferromanyetik yapı olarak bilinir.
132 Kelvin’in üzerindeki sıcaklıklarda ise malzeme manyetize olmaz—ısı, elektron spinlerinin hizalanmasını engeller ve rastgele dağılmalarına neden olur. Bu durumda eksitonlar sıkışmaz, birden fazla atomik katmana yayılır ve üç boyutlu hale gelir. Ayrıca her yöne serbestçe hareket edebilirler.
Kuantum Sınırlandırma ve Bilginin Dayanıklılığı
Antiferromanyetik yapı eksitonları tek bir atom katmanına hapsettiğinde, eksitonlar tek bir çizgiye, tek bir boyuta, daha da hapsedilir çünkü düzlemin iki ekseninden yalnızca biri boyunca kolayca hareket edebilirler. Bir kuantum cihazında bu sınırlama, kuantum bilgisinin daha uzun süre korunmasını sağlar çünkü eksitonlar birbirleriyle daha az çarpışır ve taşıdıkları bilgiyi kaybetme olasılığı azalır.
“Manyetizma, eksitonları ve etkileşimlerini şekillendirmek için yeni bir kontrol mekanizması sağlıyor. Bu, geleceğin elektronik ve bilgi teknolojileri için oyunun kurallarını değiştirebilir,” diyor Almanya’daki Regensburg Üniversitesi’nden fizik profesörü Rupert Huber.
Kuantum Bilgi İşleme İçin Yeni Bir Yol
“Elektron, foton ve spinlerin kuantum dünyası iç içe geçmiş durumda. Bu nedenle, malzemenin manyetik hale geçişi, foton ve spin tabanlı kuantum bilgileri arasında hızlı bir değişim mekanizması sağlayabilir,” diyor Michigan Üniversitesi’nden elektrik ve bilgisayar mühendisliği araştırmacısı Matthias Florian. Florian, Regensburg Üniversitesi’nden doktora öğrencisi Marlene Liebich ile birlikte çalışmanın başyazarlarından biri.
Çalışmanın teorik kısmını yöneten Mackillo Kira liderliğindeki ekip, bu sonuçları kuantum çok-cisim hesaplamaları ile açıkladı. Bu hesaplamalar, malzemenin yapısını temel alarak, manyetik düzen içindeki eksitonların neden büyük bir ince yapı bölünmesine sahip olduğunu tahmin etti. Ayrıca, malzemenin manyetik hale geçmesiyle eksitonların bir boyutlu ve üç boyutlu halleri arasında nasıl geçiş yaptığı da doğrulandı.
Gelecek Araştırmalar: Elektrik yükünü Spine Dönüştürmek
Ekip, gelecekteki araştırmalarında şu soruya odaklanmayı planlıyor: Elektrik yüküne bağlı olan eksitonlar, manyetik olarak uyarılmış spinlere dönüştürülebilirler mi? Eğer bu mümkünse, fotonlar, eksitonlar ve spinler arasındaki kuantum bilgiyi dönüştürmek için yeni bir yol açılabilir.
Çeviren: Deniz Adıgüzel
Redaktör: Saim Egemen Yücel
Bilimsel Redaktör: Özlem Bayal
Kaynaklar
- https://scitechdaily.com/physicists-discover-a-magnetic-breakthrough-that-could-supercharge-quantum-tech/
- M. Liebich, M. Florian, N. Nilforoushan, F. Mooshammer, A. D. Koulouklidis, L. Wittmann, K. Mosina, Z. Sofer, F. Dirnberger, M. Kira ve R. Huber tarafından yazılan “Controlling Coulomb correlations and fine structure of quasi-one-dimensional excitons by magnetic order” adlı makale, Nature Materials dergisinde 19 Şubat 2025 tarihinde yayımlandı. DOI: 10.1038/s41563-025-02120-1
