Fizikçileri Onlarca Yıldır Çözemsiz Bırakan Kuantum Gizemi Çözüldü

Kondo etkisi, kuantum fiziğinde en önemli olgulardan biri ve manyetik atomların metallerde yaratabileceği tuhaflaştırıcı girişimi tanımlıyor.

Genellikle metaller soğudukça elektrik iletkenliği artar, çünkü azalan enerji elektronların daha pürüzsüz akmasına olanak tanır. Ancak içine bir ya da iki manyetik atom eklediğinizde, belirli bir sıcaklığın (Kondo sıcaklığı) altında elektrik direnci tekrar yükselmeye başlar.

Bu Kondo etkisidir ve biz onun hakkında zaten çok şey biliyoruz. Ancak bir fizik ilk olarak, Amerika’daki California Institute of Technology (Caltech) ve Yale Üniversitesi’nden araştırmacılar, bu etkiyi temel fizik hesaplamalarıyla gerçek bir malzemede tam olarak nicelendirmeyi başardılar.

Science‘de yayımlanan bu çalışma, önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor. Daha önce bilim insanları Kondo etkisini belirlemek için gerçek dünya deneyleri ve basitleştirilmiş modeller kullanmak zorundaydı ve yeni yöntem kadar kesin tahminler alamıyorlardı.

Bilim insanları Kondo etkisinden 1930’lardan beri haberdardır – manyetik safsızlıkların düşük sıcaklıklarda artan elektrik direncine yol açabileceğini biliyorlardı. (Public Domain)

“Artık bazı karmaşık malzemelerin özelliklerini deneylere başvurmadan, tamamen hesaplama yoluyla tahmin etmek mümkün,” diyor Caltech’li fizikçi Garnet Chan.

Bilim insanları Kondo etkisine neyin neden olduğunu zaten biliyor. Elektronlar metaldeki elektrik akışını aynı zamanda engelleyerek manyetik safsızlıkların etrafında sürünür ve atomların ve safsızlıkların magnetizmasını nötralize eder.

“Bu, Kondo etkisinin imzasıdır ve safsızlıktaki elektronların, metalin kütlesi içinde hareket eden elektronlarla etkileşiminin bir özelliğidir,” diyor Chan.

Ancak ne olduğunu bilmek, onu tam kesinlikle modelleyebilmekle aynı değildir. Bu ‘çok cisimli problem’deki elektron etkileşimlerinin karmaşıklığı öyle bir düzeydedir ki, farklı metal ve manyetik safsızlık kombinasyonları için dirençteki bu dönüşümün ne zaman olacağını tahmin etmek oldukça zordur.

Sıcaklıklar, elektron spinleri ve magnetizma, Kondo etkisi yerleşirken bu malzemelerde inanılmaz derecede küçük ölçeklerde etkileşir. Bu, en güçlü süperbilgisayarların bile kapasitesinin çok ötesindedir.

Bu zorlukları aşmak için araştırmacılar, başlangıç ilkelerinden (‘ilk ilkelerden’) bir yaklaşım benimsediler. Tek bir manyetik atomu, basitleştirmeden, sanki daha büyük bir molekülmüş gibi daha iyi modellemek için kimyadan teknikler ödünç aldılar.

Bazı matematiksel kısayollar ve çok sayıda bilgisayar kullanımı yardımıyla, ardından kuantum fiziğinin temel yasalarını bu yeni modellenmiş manyetik atoma uyguladılar ve tahminlerini daraltmak için hesaplamaları tekrar tekrar yaptılar.

Araştırmacılar burada en temel metal ve manyetik atom kombinasyonlarını seçtiler – ancak ileride, giderek daha karmaşık malzemeleri çalışma potansiyeli var.

“Şu ana kadar incelediğimiz ilk malzemeler, yüksek sıcaklıklı süperiletkenler ve kuantum magnetleri gibi daha karmaşık olgulara giden yolda bir bebek adımı ya da bir prototip problem gibidir,” diyor Chan.

Daha iyi tahmin yöntemleri, bilim insanlarına süperiletkenler gibi, enerji şebekeleri ve büyük ölçekli hesaplama için kullandığımız sistemleri dönüştürme vaadi taşıyan malzemeleri daha emin şekilde geliştirme ve inceleme imkanı tanır.

En büyük potansiyeli olan malzemeler genellikle en karmaşık elektron davranışlarına da sahiptir – ki bu çalışmada kullanılan yöntemlerin burada yardımcı olabileceği yer burasıdır.

Hala yapılacak çok ilerleme var, ancak yaklaşımın işe yaradığı şimdi gösterildiğine göre, araştırmacılar bunu ölçeklendirmeye başlayabilir ve bilim insanlarına laboratuvar verisi elde etmeden karmaşık kuantum malzeme davranışlarını çalışmaları için bir araç sunabilirler.

“Gerçek malzemelerin tüm kimyasal karmaşıklığının sadık tahmin edici kuantum betimlemelerinin erişilebilir hale geldiği, heyecan verici bir çağdayız,” diyor Caltech’li kimyacı Linqing Peng.

“Kuantum malzemelerin en zorlu sınıflarından bazılarında bile, ilişkili elektronların malzeme özgü davranışlarını ilk ilkelerden tahmin etmek gerçekçi hale geliyor.”

Araştırma Science ‘de yayımlanmıştır.

Bu makale Fiona MacDonald tarafından doğrulanmış ve Fiona MacDonald tarafından düzenlenmiştir. Sürecimize gurur duysak da, biz yalnızca insanız. Bir hata fark ederseniz, lütfen bize bildirin.