Kuantum teknolojilerinde malzeme bilimi devrimi başlıyor

Kuantum bilişim ve yeni nesil elektronik cihazların geleceği, atomik düzeydeki ‘düzensizliğin’ kontrol edilmesine bağlı. ABD’li araştırmacılar, malzemelerin iç yapısındaki manyetik momentlerin istikrarlı bir düzene girememesi olarak tanımlanan ‘geometrik hayal kırıklığı’ olgusunu kullanarak, kuantum uygulamaları için stratejik öneme sahip yeni madde hallerini manipüle etmenin yolunu buldu.

Malzeme biliminde çığır açması beklenen bu araştırma, alışılmadık madde hallerinin ardındaki temel fiziksel prensipleri ortaya çıkarmayı hedefliyor. Nature Materials dergisinde yayımlanan çalışmada Profesör Stephen Wilson ve ekibi, bir malzeme içindeki uzun menzilli düzenin kasıtlı olarak bozulmasının, kuantum teknolojileri için nasıl işlevsel avantajlar sağlayabileceğini kanıtladı.

GEOMETRİK HAYAL KIRIKLIĞI: ATOMİK DÜZEYDE REKABET

Araştırmanın odağında, katı malzemelerdeki manyetik momentlerin (mikro mıknatısların) kendilerini en düşük enerji seviyesinde dengeleyememesi durumu yer alıyor.

• Kare ağ yapısı: Atomlar kare bir ağ üzerindeyken manyetik momentler birbirine zıt yönlenerek ‘mutlu’ bir temel durum oluşturabilir.
• Üçgen kafes yapısı: Üçgen bir düzende her moment komşusunun tam tersini işaret edemez. Bu durum, sistemin sürekli bir arayış ve dalgalanma içinde kalmasına, yani ‘geometrik hayal kırıklığına’ yol açar.

LANTANİT ELEMENTLERİ VE KUANTUM DÜZENSİZLİĞİ

Wilson, periyodik tablonun alt kısmında yer alan lantanit elementlerinin üçgen düzenlemelerini kullanarak bu ‘egzotik’ durumları işlevsel hale getirmeyi başardıklarını belirtiyor. Bu özel düzenleme, kuantum bilgi işlem alanında kritik bir kavram olan ‘uzun menzilli spin dolanıklığına’ ev sahipliği yapma potansiyeli taşıyor.

GERİLİM İLE KONTROL EDİLEBİLİR İŞLEVSELLİK

Araştırmanın en heyecan verici yönlerinden biri, sisteme dışarıdan uygulanacak fiziksel gerilimin veya manyetik alanın, bu düzensiz yapı üzerinde bir ‘anahtar’ görevi görebilmesidir.

• Ferroik tepkiler: Manyetik düzeni indüklemek için bir miktar gerilim uygulanabilir veya yapıda değişiklik yapmak için manyetik alan kullanılabilir.
• İç içe geçmiş düzenler: İki engellenmiş kafesin yakınlığı sayesinde, normalde tepki vermeyecek malzemelere yeni işlevsellikler kazandırılabilir.

STRATEJİK ÖNEM: GELECEĞİN CİHAZLARINA DOĞRU

Bu temel bilimsel keşif, geleceğin kuantum bilgisayarlarında veri depolama ve iletim süreçlerini kökten değiştirebilir. Uzun menzilli dolanıklığa sahip temel durumların kontrol edilebilir hale gelmesi, siber güvenlikten yüksek performanslı hesaplamaya kadar geniş bir ticari yelpazede yeni nesil donanımların üretilmesine olanak tanıyacaktır.

Wilson’ın ifadesiyle bu çalışma, ‘nesnelere normalde tepki vermeyecekleri bir işlevsellik kazandırmanın’ ötesinde, kuantum dünyasının karmaşık etkileşimlerini ticari teknolojiye dönüştürme yolunda atılmış en somut adımlardan biridir.