Lazerleri Kullanarak Manyetik Olmayan Maddeleri Manyetize Etmek Modern Bilgisayarları Dönüştürebilir

Kuantum bilişim büyük bir potansiyele sahiptir. Endüstrileri tamamen dönüştürebilir ve evreni anlama biçimimizi değiştirebilir. Kuantum mekaniği ilkelerini bilgisayar bilimiyle birleştirerek, kuantum bilişim, devasa veri miktarlarını paralel işleyerek ve birden fazla çözümü keşfederek karmaşık problemleri kolayca çözmeyi mümkün kılar. 

Bu sayede, kuantum bilgisayarlar ilaç keşfi, iklim modellemesi, yapay zekâ yeteneklerinin artırılması ve optimizasyon problemlerinin çözülmesinde yardımcı olabilir. Ayrıca mevcut şifreleme yöntemlerini kırarak ve kırılmaz kuantum şifreleme sistemleri oluşturarak siber güvenlikte de potansiyele sahiptir.

Yıllar içinde, kuantum üstünlüğü, hata düzeltme kodları ve bulut tabanlı kuantum bilgisayarlar gibi kuantum bilişimde önemli ilerlemeler kaydettik. Ancak bu ilerlemeler büyük ölçüde laboratuvarların son derece düşük sıcaklıklarıyla sınırlı kalmıştır; bu durum yakında değişebilir. 

Şimdi, beş Nordik ülkesinin iş birliği, Stockholm Üniversitesi ve Venedik Ca’ Foscari Üniversitesi ile birlikte Nordik Teorik Fizik Enstitüsü (NORDITA) araştırmacıları, lazer ışığını kullanarak oda sıcaklığında kuantum davranışı başarıyla gösterdiler. İlk kez, lazer ışığı manyetik olmayan maddeleri manyetik hâle getirebildi.

Bu son derece önemlidir çünkü manyetizma bir bilgisayarın nasıl çalıştığında kilit bir rol oynar. Bilgisayar belleği, “açık” veya “kapalı” ikili durumları sağlamak için voltajla manyetize edilen küçük ölçekli elektromıknatıslar kullanır. Atomların ve elektronların manyetik alanlara tepkisi, elektronik cihazların veriyi okumasını, yazmasını ve manipüle etmesini sağlar.

Bu yeni çalışmada, araştırmacılar manyetik olmayan bir malzemenin yüksek frekanslı lazer ışınına maruz bırakılmasının oda sıcaklığında nasıl manyetik bir etki yaratabildiğini gösterdi.

Bu yeni atılım, daha enerji verimli ve daha hızlı bilgisayarlar, bilgi aktarımı ve veri depolama için yolu açma potansiyeline sahiptir. Özellikle mutlak sıfır civarında (-273 derece Celsius) çalışan kuantum teknolojisiyle inşa edilen makinelerde devrim yaratma konusunda inanılmaz bir vaat sunuyor.

Manyetik Olmayan Maddeleri Manyetize Etmek

En son çalışmada, araştırmacılar yüksek kimyasal reaktiviteye sahip stronsiyum (Sr) ve hafif titanyum (Ti) oksitlerinden oluşan stronsiyum titanat (SrTiO₃) kullandılar. İnsanların yaşayabileceği sıcaklıkta perovskit yapısına sahiptir ve yüksek dielektrik sabitiyle bilinir.

Bu malzeme, atomları harekete geçiren ve mobilize eden yüksek frekanslı bir lazer ışığına maruz bırakıldı. Bu, stronsiyum titanat içinde elektrik akımları üretti ve onu manyetik hâle getirdi.

Yöntemlerinin yeniliğinden bahsederken, çalışmanın baş yazarı, Stockholm Üniversitesi ve Ca’ Foscari’den fizikçi Stefano Bonetti şunları söyledi:

“Bu malzemedeki atom ve elektronları dairesel bir hareketle ışığın hareket ettirmesine izin verme konseptinde, bu akımları üreterek onu bir buzdolabı mıknatısı kadar manyetik hâle getirmek.”

Manyetik olmayan bir malzemeyi manyetik hâle getirmek yeni bir şey değil. Daha önce tahmin edilmiş ve incelenmiştir. 

2015 yılında, Nature araştırma yayınladı ve bakır ve manganez gibi iki yaygın manyetik olmayan metalin, ince filmlerini karbon bazlı organik moleküllerle birleştirerek manyetlere dönüştürülebileceğini keşfetti. Sonuçlar oda sıcaklığında elde edilse de manyetizma zayıftı ve birkaç gün içinde kayboldu.

Bu deney, University of Leeds’ten teorik fizikçi Edmund Stoner’ın 1930’lu yıllarda geliştirdiği, bir elementin manyetik olmasını sağlayan mekanizmayı araştıran teorisine dayanıyordu.

2020 yılında, bir araştırma ekibi, her bir malzemenin kontrollü katman‑katman büyümesi yoluyla manyetik olmayan oksit malzemelerini değiştirerek manyetik hâle getirebildi. Aynı yıl, başka bir araştırmacı grubu, manyetik olmayan pirit ya da demir sülfürde manyetizmayı açmak için elektriği kullandı. Bu çalışmada kullanılan teknik elektrolit kapılamasıydı; piritin bir elektrolit (iyonik sıvı) ile temas ettirilmesi ve ardından bir voltaj uygulanarak pozitif yüklü moleküllerin hareket ettirilmesi ve ölçülebilir bir manyetik kuvvet oluşturulması içeriyordu. Bu durumda, voltaj kapatıldığında manyetizma da sona erdi.

Işığı bir malzemenin özelliklerini değiştirmek için kullanmak da bir süredir önemli bilimsel ilgi görmektedir.

Aslında, mıknatıslar ve manyetik alan genellikle dolaşan akımlarla üretilir. 2019 yılında, fizikçiler lineer polarize ışıkla manyetik olmayan metal diskleri aydınlatarak, dolaşan elektrik akımları oluşturdu ve manyetizmanın disk içinde kendiliğinden ortaya çıkmasını sağladı. Prensipte, bu yöntem lazer ışığı kullanarak istenildiğinde manyetik olmayan metalleri manyetlere dönüştürebilir.

Işığı Kullanarak Atomları Döndürmek ve Akım Üretmek

Mekanik bir ölçek üzerinde dönüşten kaynaklanan manyetizasyon Barnett etkisi olarak bilinir. Bu etki altında, bir malzeme tamamen döndürülerek dağınık manyetik malzemenin elektronlarının içsel açısal dönüşleri hizalanır ve içinde net bir manyetik alan oluşur.

Yeni deneyde, manyetik olmayan malzemelerde atomik ölçekli dönüş, dairesel polarize lazer darbeleri kullanılarak gerçekleştirildi. Darbeler, malzemedeki atomları döndürerek kolektif kiral fononlar üretti; bu, lazerin frekansıyla rezonans yapan dairesel polarize titreşimlerdir.

Bunun için, dairesel polarize (yani ‘corkşcrew’ şekilli) bir uzaktan kızılötesi (FIR) ışık kaynağı geliştirildi. Bu tür polarizasyona sahip lazer ışığı bir malzemeye girdiğinde, dairesel polarizasyon atomlara aktarılır, onları döndürür ve atomik akımlar üretir. Işığın frekansı atomun titreşimiyle eşleşirse, etki güçlenir ve sonuç olarak oldukça büyük bir manyetizma ortaya çıkar.

Dolayısıyla, Bonetti liderliğindeki uluslararası grup tarafından yürütülen deney, kuantum malzemesi stronsiyum titanat (SrTiO3)’yi özel bir dalga boyu ve polarizasyona sahip yoğun fakat kısa lazer ışınlarına maruz bırakarak manyetizma indükledi. 800 nm, pikosaniye uzunluğundaki darbeler, 100 µm uzaktan kızılötesi lazerden gönderildi.

Özellikle, prob darbelerinin Kerr rotasyonu ölçüldü. Ekip ayrıca 160 ile 360 Kelvin arasında değişen sıcaklıklar kullandı. Bu, en yüksek yanıtın 280 K (7 °C)’de elde edildiğini gösterdi. Bu noktada, darbelerin terahertz elektrik alanı, malzemenin ilk optik fonon moduyla rezonans halindeydi.

Nature’da yayınlanan bu son çalışmada, baş yazar Bonetti, malzemenin oda sıcaklığında nasıl manyetik hâle geldiğini açıkça indükleyip gözlemleyebildikleri ilk kez olduğunu belirtti.

Bu yaklaşım, ekibe “genellikle manyetikler metalden yapılırken, birçok yalıtkıyıcıdan manyetik malzemeler üretme” imkanı da sağladı, diye ekledi.

Bu arada, lazer tekniğiyle indüklenen manyetizasyon derecesi, ışığın bir malzemeden manyetizmasına bağlı olarak farklı yansıması üzerine kurulu bir etki kullanılarak ölçüldü.

Deneylerinde, ölçümler malzemenin manyetik hâle geldiğini gösterdi. Ancak, bu miktarı hesaplamak için bilinen teorik yöntemlere göre indüklenen manyetizasyonun büyüklüğü beklenenden yaklaşık dört kat daha yüksek çıktı. Bu fark, fizikçilerin hesaplamalarında yaptıkları aşırı basitleştirmelere bağlandı.

Başka bir araştırmacı grubu, manyetik olmayan bir malzemede geçici bir manyetik etki indüklemek için dairesel polarize kızılötesi lazer darbeleri kullandı.

Hollanda’daki Radboud Üniversitesi bilim insanları, Japonya’daki Nihon Üniversitesi iş birliğiyle bunu gerçekleştirdi; ancak geleneksel geniş bant darbeler yerine FELIX serbest elektron lazerlerinden çok dar bant darbeler kullandılar; bu, belirli kristal ızgara titreşimlerini rezonansta daha iyi hedeflemelerini sağladı. Oluşturulan manyetizmayı, manyetik bir alaşımın manyetizmasını değiştirmek için kullandılar.

Bu araştırmacılara göre, fononik rezonans manyetik ortamlara veri yazmanın yeni ve hızlı bir yolu olarak kullanılabilir. Dairesel polarize ışığın dönüş yönünü değiştirmek, ekibin manyetizasyon yönünü değiştirmesini de sağladı.

Lazer Işığının Artan Kullanımı

Lazer ışığının kullanımı hızla artıyor. Bu hafta, bilim insanları yeni bir keşif yaptılar: Yoğun bir lazer ışını, katı bir malzemenin manyetik durumunu değiştirebilir; bu da ultra hızlı bilgisayar belleğinde büyük bir potansiyel gösteriyor.

Bunun için, bilim insanları ışığın manyetik alanının frekansı ve genliği ile bir manyetik malzemenin enerji absorpsiyon özellikleri arasındaki ilişkiyi tanımlayan yeni bir “elemental” denklem hazırladılar. İsrail Üniversitesi (Jerusalem) fizik profesörü Amir Capua’ya göre:

“Bu, optik manyetik kaydı tamamen yeniden değerlendirmemizi ve henüz var olmayan, yoğun, enerji verimli, maliyet etkin bir optik manyetik depolama cihazına doğru yol almamızı sağlıyor.”

Bu teknoloji gelecekte daha hızlı ve daha verimli MRAM bileşenlerine yol açması bekleniyor. 

Küresel lazer teknolojisi pazarının büyüklüğü aslında tahmin edildiği gibi, on yıl içinde 29,5 milyar dolara ulaşacak, şu anki 20 milyar dolarlık değerlemeden artacak. Bu rakamlar, lazerin çeşitli endüstrilerdeki geniş potansiyelinden kaynaklanıyor.

Lazer, ışınım yayılımını uyararak bir ışık demeti üreten bir optik cihazdır. Bu ışığın yüksek yoğunluk, koherens, tek renkli ve yönlülük gibi benzersiz özellikleri sayesinde, lazerler tıp, iletişim, bilim, askeri alan ve daha birçok sektörde yaygın olarak kullanılmaktadır. Sonuç olarak, lazer alanında birçok icat ve deney gerçekleşmektedir.

En son olarak, Romanya’daki bilim insanları dünyanın en güçlü lazer yayını oluşturdu; bu, Güneş’in yaydığı gücün onda biri kadar ve Dünya’ya ulaşan bir güç. Bükreş yakınlarındaki bir merkezde, Fransız şirketi Thales tarafından işletilen bu lazerin çıktısı 10 petawatt (10 katrilyon watt) olarak rapor edildi. Tepe, sadece yaklaşık 25 femtosaniye gibi çok kısa bir süre ve sadece üç mikrometre genişliğinde bir alanda elde edildi.

Bilim insanları, lazerin sağlıktan uzaya kadar çeşitli sektörlerde devrim niteliğinde ilerlemelere yol açmasını umuyor. Bu icat, nükleer atıkların tedavisi ve uzay enkazının temizlenmesi gibi alanlarda uygulanabilir.

Başka bir yakın araştırmada, RIKEN fizikçileri 6 trilyon wattlık bir tepe gücüne sahip çok kısa lazer ışını darbeleri gerçekleştirdi. Bu, 6.000 nükleer santralin ürettiği güçle eşdeğerdir. Bu başarı, elektronların incelenmesini mümkün kılan attosaniye lazerlerin geliştirilmesine yardımcı olacak.

Geçen yıl, Anne L’Huillier, Pierre Agostini ve Ferenc Krausz, attosaniye (bir sekstilyon saniye) ışık darbeleri üzerine yaptıkları araştırma nedeniyle Fizik Nobel Ödülü’ne layık görüldü.

Bu ultra kısa lazer darbeleri, son derece hızlı süreçleri aydınlatmaya yardımcı olabilir ve bilim insanlarına bunları yakalama ve inceleme konusunda güçlü bir yöntem sunar.

“Elektronların hareketini yakalamayı mümkün kılarak, attosaniye lazerler temel bilime büyük bir katkı sağladı.”

– RIKEN İleri Fotoni̇k Merkezi’nden Eiji Takahashi

Bu lazerlerin tıbbi durumları teşhis etmek, biyolojik hücreleri gözlemlemek ve yeni malzemeler geliştirmek için kullanılmaları bekleniyor.
Gelecek on yıllarda lazerlerin kritik bir rol oynayacağı hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın.

Lazerle Tetiklenen Manyetizmanın Gelecek Potansiyeli

ERC Synergy Grant ve Knut ve Alice Wallenberg Vakfı tarafından finanse edilen, oda sıcaklığında manyetik olmayan maddeleri manyetik hâle getiren bu çalışma, fizik alanında maddenin kolektif düzeninin en temel ve büyüleyici olaylardan biri olduğunu ve manyetizasyonun ortaya çıkışını tanımlamak için dinamik multiferroisite kavramının tanıtıldığını belirtti.

“Basit bir ifadeyle, bir kristalde iyonların uyumlu dönen hareketi, dönüş ekseni boyunca bir manyetik moment oluşturur,” diye belirtti.

Bu mekanizma sayesinde, ekip arketipik paraelektrik perovskit SrTiO3’te manyetizasyonu gösterdi. Bu sonuçlar zaten birkaç başka laboratuvarda da tekrarlanmıştır.

Ancak, malzemenin manyetizması sadece yaklaşık bir trilyonuncu saniye kadar sürdü. Bu süre, bilgisayar belleğinde uygulama bulması için yeterli uzunlukta değildi.

Böyle söylemişken, bu, bilim insanlarının teoriyi pratik hâle getirebildiği harika bir başlangıç noktası. Bu kesinlikle zamanla daha fazla araştırma ile gerçekleşecek önemli teknolojik uygulama potansiyeline sahiptir.

Araştırmaya göre deney bulguları, manyetizmanın kontrolü için yeni bir yol gösteriyor. Bu, örneğin ışık kullanarak ızgara titreşimlerinin uyumlu kontrolüyle son derece hızlı manyetik anahtarlar olarak kullanılabilir.

Ayrıca, bu çalışma stronsiyum titanatla başlasa da, gelecekte manyetizmasını daha uzun süre koruyabilecek daha karmaşık malzemeler araştırılabilir. Buradan tek yol, daha heyecan verici keşiflerle ilerlemek ve bu keşiflerin bilgisayar cihazlarında kullanım kapısını açmasıdır.

Çalışmanın yazarı, NORDITA fizik profesörü Alexander Balatsky, şöyle belirtti: 

“Bu, daha hızlı bilgi aktarımı ve çok daha iyi veri depolama için kullanılabilir ve bilgisayarların çok daha hızlı ve daha enerji verimli olmasını sağlar.”

Dolayısıyla, sonuçlar umut verici ve manyetizmaya dayalı elektronik ve bilişimde büyük iyileşmelere yol açabilir, ancak daha fazla çalışmaya ihtiyaç var.

Kuantum bilişimin mevcut durumu hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın.