“Kuantum Teknolojilerinde Çığır: Nanografenlerle Teorik Model Gerçeğe Dönüştü”
Kuantum teknolojileri, maddenin en temel yapı taşlarının alışılmadık özelliklerinden faydalanarak iletişim, hesaplama, sensörler ve daha pek çok alanda çığır açıcı gelişmelere kapı aralıyor. Ancak, kuantum durumları oldukça hassas ve bu durumları anlamak zor olduğu için bu teknolojileri gerçek dünya uygulamalarında kullanmak kolay değil. Empa araştırmacıları ve ortakları bu alanda bir başarıya imza attı: "Kuantum Lego’su" diyebileceğimiz bir yöntemle, bilinen bir kuantum fizik modelini sentetik bir materyalde gerçeğe dönüştürdüler.
Bilgisayarlar en küçük bilgi birimi olarak 1 veya 0 değerine sahip bitleri kullanır. Kuantum bilgisayarları ise aynı prensipte çalışan fakat "qubit" adında daha gelişmiş bir birim kullanır. Qubitler de iki temel duruma sahip olabilir, fakat kuantum etkisi sayesinde bu durumlar aynı anda iki değeri birden alabilir. Bu belirsizlik, kuantum bilgisayarlara süper güçler kazandırabilir; teorik olarak kuantum bilgisayarlar, günümüzün en güçlü bilgisayarlarının bile çözmekte zorlandığı işlemleri saniyeler içinde yapabilir.
Qubitlerde 1 ve 0 değerlerini elde etmek için elektronların "spin" adı verilen özelliklerinden yararlanılır. Spin, elektronların bir tür dönme hareketini ifade eder ve yukarı (1) veya aşağı (0) olarak yönlenebilir. Kuantum mekaniği sayesinde, bir spinin yönü değiştirildiğinde, ona bağlı olan diğer spinlerin durumu da etkilenir. Ancak, bu etkileşimin matematiksel olarak tanımlanabilmesine rağmen, teoriyi pratikte uygulamak oldukça karmaşıktır.
Model Gerçeğe Dönüşüyor
Empa’daki nanotech@surfaces laboratuvarındaki araştırmacılar, spinlerin kontrollü şekilde etkileşimini sağlamayı ve bu etkileşimleri "dinlemeyi" mümkün kılan bir yöntem geliştirdi. Bu sayede, elektron spinlerinden oluşan ideal bir zincir yaratıp özelliklerini detaylıca ölçmeyi başardılar. Çalışmaları, Nature Nanotechnology dergisinde yayımlandı.
Bu zincirin teorik altyapısı, fiziğe giriş yapan öğrencilerin aşina olduğu bir model: Birbirine farklı kuvvetlerle bağlı spinlerden oluşan bir zincir. Bu "tek boyutlu değişmeli Heisenberg modeli" ilk olarak yaklaşık 100 yıl önce kuantum mekaniğinin kurucularından Werner Heisenberg tarafından tarif edilmişti.
Karbon Kadehi
Bu yapay kuantum malzemeyi yaratmak için Empa araştırmacıları, iki boyutlu karbon materyali olan grafenin küçük parçalarını kullandı. Bu "nanografen" moleküllerinin şekli, fiziksel özelliklerini ve dolayısıyla spin yapılarını belirler. Heisenberg modelini oluşturmak için araştırmacılar, "Clar Kadehi" molekülünü tercih etti. Bu özel nanografen molekülü, bir saat kadehi şeklinde dizilmiş on bir karbon halkasından oluşuyor ve uçlarında her biri bir spin taşıyan eşleşmemiş elektronlar bulunuyor.
Araştırmacılar bu kadehleri altın bir yüzey üzerinde birbirine bağlayarak zincirler oluşturdu. Bir molekül içindeki iki spin zayıf, moleküller arası spinler ise güçlü bir şekilde bağlandı; böylece, Heisenberg zincirinin mükemmel bir gerçekleştirimini sağladılar. Zincirlerin uzunluğunu tam olarak ayarlayabilen bilim insanları, bireysel spinleri açıp kapatarak bu yeni kuantum malzemenin karmaşık fiziğini detaylıca inceleyebildiler.
Teoriden Pratiğe
Roman Fasel, Clar Kadehi sentezi sayesinde Heisenberg zincirlerinin üretilebilmesi gibi bu çalışmanın da kuantum araştırmalarında yeni kapılar aralayacağını belirtiyor. "Kuantum fizik teorilerini nanografenler kullanarak deneysel olarak test edebileceğimizi gösterdik," diyor. "Farklı spin yapılarına sahip nanografenlerle başka tür zincirler veya daha karmaşık sistemler de oluşturulabilir."
Uygulamalı kuantum fiziğinde öncü olmak için teorik ve deneysel bilim insanlarının iş birliği yapması gerekiyor. Dresden Teknik Üniversitesi’ndeki kimyagerler Empa araştırmacılarına Clar Kadehi sentezi için başlangıç moleküllerini sağlarken, Portekiz’deki Uluslararası İber Nanoteknoloji Laboratuvarı’ndan bilim insanları projeye teorik bilgiyle katkıda bulundular. Fasel, böyle atılımların sadece fizik kitaplarındaki teorik bilgilerle değil, sofistike bir teori-deney iş birliğiyle mümkün olduğunu vurguluyor.
Kaynak: https://www.chemeurope.com/en/news/1184798/fundamental-quantum-model-recreated-from-nanographenes.html
