Mete Atatüre ve Ekibi, Tarihte İlk Defa "İmkansız" Olarak Görülen "Doğal Manyetik Monopolleri" Gözlemeyi Başardı!

Cambridge Üniversitesi Cavendish Laboratuvarı Başkanı sevgili Prof. Dr. Mete Atatüre ve ekibi, fizik dünyasında çığır açabilecek bir keşfe imza attılar: Araştırmacılar, bildiğimiz pas ile yakından ilişkili bir malzemede, daha çevreci ve daha hızlı bilgi işlem teknolojilerine güç sağlamak için kullanılabilecek bir sonuç olan manyetik monopoller keşfettiler.

Manyetik Monopol Nedir?

Parçacık fiziğinde manyetik monopoller, sadece 1 adet manyetik kutbu olan, varsayımsal bir temel parçacıktır. Bunu, güney kutbu olmayan ama kuzey kutbu olan bir mıknatıs veya tam tersi gibi hayal edebilirsiniz. Elektrik yüklerinde negatif yüklü elektronlar ve pozitif yüklü protonlar izole bir şekilde bulunabiliyor olsalar da, ilginç bir şekilde manyetik yükler mutlaka bir arada, kuzey ve güney kutbu aynı sistemde bulunacak şekilde var olmak zorundalar. Bir diğer deyişle, kuzey ve güney kutupları olan sıradan bir mıknatısı istediğiniz kadar küçük parçalara bölün, asla "sadece kuzey" veya "sadece güney" kutbuna sahip bir mıknatıs elde edemezsiniz. En azından bunun böyle olması gerektiği düşünülüyordu.

Cambridge Üniversitesi tarihinde görev almış devlerden olan James Clerk Maxwell'in denklemlerine göre, ister buzdolabı mıknatısı ister Dünya'nın kendisi olsun, manyetik nesneler her zaman izole edilemeyen bir çift manyetik kutup olarak var olmalıdır. Araştırmayı yöneten Profesör Mete Atatüre, şöye anlatıyor:

Her gün kullandığımız mıknatısların iki kutbu vardır: kuzey ve güney. 19. yüzyılda tek kutupların var olabileceği varsayılıyordu. Ancak James Clerk Maxwell, elektromanyetizma çalışmaları için türettiği temel denklemlerinden birinde, buna karşı çıktı. Eğer monopoller gerçekten var olsaydı ve onları izole edebilseydik, bu kayıp olduğu varsayılan bir yapboz parçasını bulmak gibi bir şey olurdu!

Atatüre, bir zamanlar Maxwell'in de görev yaptığı Cambridge Cavendish Laboratuvarı'nın başkanıdır. 

Manyetik Monopoller Neden Önemlidir?

Manyetik monopoller uzun bir süredir bilim insanlarının ilgisini çekiyorlar. Bunun birkaç nedeni var: Öncelikle, "manyetik monopol" kavramı gerçekse, elektromanyetizmanın temel denklemleri olan Maxwell denklemlerinde elektrik ve manyetizma arasındaki simetriyi tamamlayacaktır. Bir diğer deyişle manyetik monopolleri keşfetmek, bu denklemleri daha simetrik ve zarif hale getirecektir.

Ayrıca manyetik monopol arayışı, elektromanyetizma, zayıf nükleer kuvvet ve güçlü nükleer kuvvet dahil olmak üzere doğanın tüm temel kuvvetlerini birleştirmeyi amaçlayan Büyük Birleşik Teori veya Her Şeyin Teorisi arayışıyla da yakından ilgilidir. Manyetik monopollerin varlığı bu birleşmenin sağlanmasına yardımcı olabilir.

Son olarak manyetik monopollerin, Evren'in erken dönemlerinde oluştuğu tahmin edilmektedir ve potansiyel varlıkları kozmolojik etkilere sahip olabilir. Özelliklerinin ve bolluklarının anlaşılması, erken evrenin evrimine dair içgörüler sağlayabilir. Bununla ilgili olarak Kozmik Enflasyon Teorisi hakkındaki yazımızı okuyabilirsiniz.

Manyetik Monopoller Neden "İmkansız"dı?

Her ne kadar manyetik monopoller yukarıda anlattığımız gibi bir dizi ilgi çekici teorik niteliğe sahip olsalar da, bugüne kadar hiç gözlenememişlerdi - ve bazı teorik gerekçelerle, bunların gözlenemeyecek kadar nadir bulundukları veya hiç var olmadıkları düşünülüyordu.

Her şeyden önce, öanyetik monopolleri tespit etmek için bugüne kadar çok sayıda deney yapıldı; ancak bu deneylerin hiçbirinde varlıkları için kesin bir kanıt elde edilemedi. Tam tersine, her bir deney sonucunda bir manyetik monopolün sahip olabileceği özellikler ve bulunabileceği bolluk konusundaki şartlar daha da kısıtlı hale geldi.

İkincisi, herhangi bir kapalı yüzeyden geçen manyetik akının her zaman sıfır olmak zorunda olduğunu belirten Gauss'un manyetizma yasası doğruysa, zaten manyetik monopollerin var olamamasını bekleriz. Çünkü bu yasaya göre manyetik alan çizgileri kapalı döngüler oluşturmak zorundadır ve izole haldeki monopoller bunu asla başaramaz.

Buna ek olarak; bugüne kadar geliştirilen ve elektromanyetik alanların, kuantum mekaniğinin ve parçacık fiziğinin davranışını tanımlayan birçok teorik model içerisinde manyetik monopoller doğal olarak bulunmamaktadır. Bu modeller, genellikle monopollerin son derece büyük olacağını ve üretilmelerinin ya da tespit edilmelerinin zor olacağını öngörmektedir.

Son olarak, kozmik ışınların ve kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun incelenmesi de dahil olmak üzere bugüne kadar yaptığımız kozmik gözlemler, manyetik monopollerin bolluğu üzerine ek kısıtlamalar getirmiştir. Bu gözlemlerde önemli monopol sinyallerinin yokluğu, Evren'de var olabilecek manyetik monopol yoğunluğu üzerinde daha da katı sınırlamalara yol açmıştır.

Yoğun Madde Fiziğinde Monopollerin İzleri

Parçacık fiziği deneylerinde izole manyetik monopoller gözlemlenmemiş olsa da, efektif olarak bir "manyetik monopol" gibi davranan, "monopol-benzeri yarı parçacıkların" veya manyetik monopollere matematiksel benzerlikleri olan fenomenlerin gözlemlendiği yoğun madde sistemleri keşfedilmiştir. Bu sistemler, genellikle "kendiliğinden beliren manyetik monopoller" (İng: "emergent magnetic monopoles") veya "efektif olarak manyetik monopol" (İng: "effectively magnetic monopoles") olarak adlandırılırlar.

Buz Kuralı!

Yaklaşık 15 yıl önce, bilim insanları monopollerin manyetik bir malzemede nasıl var olabileceğini öne sürdüler. Bu teorik sonuç, kuzey ve güney kutuplarının aşırı derecede ayrılmasına dayanıyordu, böylece yerel olarak her "kutup spin buzu" adı verilen egzotik bir malzemede izole görünüyordu.

Örneğin disprosiyum titanat (Dy₂Ti₂O₇) ve holmiyum titanat (Ho₂Ti₂O₇) gibi bazı nadir toprak piroklor mıknatıslarının, matematiksel olarak manyetik monopollere benzeyen davranışlar sergilediği bilinmektedir. Bu malzemeler bir kafes üzerinde manyetik momentlerin (spinlerin) karmaşık bir düzenlemesine sahiptir ve düşük sıcaklıktaki davranışları "buz kuralı" ile tanımlanmaktadır. Buz kuralının ihlal edilmesi, "manyetik monopol kusurları" adı verilen manyetik monopol benzeri uyarımların ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Bu kusurlar izole manyetik monopol gibi davranmaktadır ve deneylerde de gözlemlenmiştir.

Skyrmionlar!

Buz kuralı, manyetik monopol benzeri yapıların tek örneği değil. Skyrmionlar, manyetik malzemelerin spin yapısındaki topolojik kusurlardır. Genellikle manyetik girdaplar veya solitonlar olarak tanımlanırlar ve belirli bir bağlamda ortaya çıkan manyetik monopoller olarak düşünülebilirler. Skyrmionlar, kiral mıknatıslar ve bazı ferromanyetik filmler gibi çeşitli manyetik malzemelerde gözlemlenmiştir. Bilgi depolama ve spintronik alanlarında potansiyel uygulamaları vardır.

Ek olarak kuantum spin sıvıları, elektronların veya atomların spinlerinin çok düşük sıcaklıklarda bile sıralanmadığı egzotik madde halleridir. Bazı kuantum spin sıvılarında, uyarımlar kesirli manyetik monopollere ve elektrik yüklerine benzeyebilir. Bu sistemler hala aktif bir araştırma konusudur ve belirli kuantum spin sıvılarında ortaya çıkan manyetik monopollerin teorik tahminleri olsa da, deneysel doğrulama zordur.

Kesirli kuantum Hall etkisinde (İng: "Fractional Quantum Hall Effect" veya kısaca "FQHE"), iki boyutlu elektron sistemleri temel iletkenlik kuantumunun kesirli değerlerinde kuantize iletkenlik platoları sergiler. FQHE'deki uyarımlar, kesirli elektrik yüküne sahip parçacıklar ve bazı durumlarda manyetik monopollere benzer kesirli istatistikler olarak düşünülebilen anyonlardır.

Son olarak, tek boyutlu spin zincirleri (veya "tek boyutlu spin merdivenleri") bağlamında, spin-yük ayrımı meydana gelebilir ve bu da "spinonlar" ve "holonlar" olarak adlandırılan iki tür yarı-parçacığın ortaya çıkmasına neden olur. Spinonlar, spin taşıyan ama yük taşımayan (bu bakımdan, spin için "manyetik monopollere" benzerdir), holonlar ise yük taşıyan ama spin taşımayan olarak düşünülebilir.

Bu sistemler, manyetik monopolleri andıran fenomenler sergileseler de temel parçacık fiziğinde tanımlandığı gibi gerçek manyetik monopoller olmadıklarını belirtmek önemlidir. Bunun yerine bunlar, yoğun madde sistemlerindeki parçacıkların veya spinlerin kolektif davranışlarından kaynaklanan olgulardır.

Mete Atatüre ve Ekibinden Devrimsel Keşif!

Mete Atatüre liderliğindeki araştırmacılar, bir tür demir oksit olan hematitin yüzeyindeki girdaplı dokuları ve zayıf manyetik sinyalleri gözlemlemek için, elmas kuantum algılama olarak bilinen bir teknik kullandılar.

Araştırmacılar, hematitteki manyetik monopollerin, birçok spinin (bir parçacığın açısal momentumu) kolektif davranışı yoluyla ortaya çıktığını gözlemledi. Bu monopoller, hematitin yüzeyindeki girdaplı dokular boyunca küçük hokey diskleri gibi kayıyor gibi gözüküyorlar. Bu, devrim niteliğinde bir keşif, çünkü doğal olarak var olabilen monopoller, böylelikle insanlık tarihinde ilk kez deneysel olarak gözlemlenmiş oldu!

Araştırma ayrıca, daha önce gizli olan girdaplı dokular ile hematit gibi malzemelerin manyetik yükleri arasında, sanki bunları birbirine bağlayan gizli bir kod varmış gibi, doğrudan bir bağlantı olduğunu göstermiştir. Yeni nesil mantık ve bellek uygulamalarını mümkün kılmada faydalı olabilecek sonuçlar Nature Materials dergisinde yayınlandı.^[1]

Nasıl Başardılar?

Oxford Üniversitesi ve Singapur Ulusal Üniversitesi'nden meslektaşlarıyla birlikte çalışan Cambridge araştırmacıları, manyetik bir malzemenin yüzeyindeki dönen dokular boyunca kayarak iki boyutlu uzaya yayılan monopolleri ortaya çıkarmak için "kendiliğinden belirme" (İng: "emergence") kavramından faydalandılar.

Dönen topolojik dokular, iki ana malzeme türünde bulunur: ferromıknatıslar ve antiferromıknatıslar. Bu ikisinden antiferromıknatıslar ferromıknatıslardan daha kararlıdır, ancak güçlü bir manyetik imzaya sahip olmadıkları için incelenmeleri daha zordur.

Antiferromıknatısların davranışlarını incelemek için Atatüre ve meslektaşları elmas kuantum manyetometrisi olarak bilinen bir görüntüleme tekniği kullandılar. Bu teknik, bir malzemenin davranışını etkilemeden yüzeyindeki manyetik alanı hassas bir şekilde ölçmek için bir elmas iğnedeki tek bir spini (yani bir elektronun doğal açısal momentumunu) kullanmaktadır.

Mevcut çalışma için araştırmacıla,r bu tekniği antiferromanyetik bir demir oksit malzeme olan hematite bakmak için kullandılar. Şaşırtıcı bir şekilde, hematit içinde monopoller, dipoller ve kuadrupoller de dahil olmak üzere gizli manyetik yük modelleri buldular. Oxford Üniversitesi'nden Profesör Paolo Radaelli şöyle diyor:

Monopoller teorik olarak tahmin edilmişti, ancak doğal olarak oluşan bir mıknatısta ilk kez iki boyutlu bir monopol gördük.

 Oxford Üniversitesi'nden olan ve makalenin birinci yazarı olan Dr. Hariom Jani ise şöyle diyor:

Bu monopoller, tek bir sabit parçacık yerine bir tekillik etrafında dönen birçok spinin kolektif bir halidir, bu nedenle çok cisim etkileşimleri yoluyla ortaya çıkarlar. Sonuç, içinden farklı manyetik alan çıkan küçük, yerelleşmiş kararlı bir parçacıktır.

Cavendish Laboratuvarı'ndan ilk yazar Dr. Anthony Tan ise şöyle anlatıyor:

Elmas kuantum manyetometrisinin iki boyutlu kuantum malzemelerdeki manyetizmanın gizemli davranışını çözmek için nasıl kullanılabileceğini gösterdik, bu da bu alanda yeni çalışma alanları açabilir. Daha zayıf manyetik çekimleri nedeniyle antiferromıknatıslardaki bu dokuların doğrudan görüntülenmesi her zaman zor olmuştur, ancak şimdi elmas ve pasın güzel bir kombinasyonu ile bunu yapabiliyoruz.

Çalışma, sadece elmas kuantum manyetometrisinin potansiyelini vurgulamakla kalmıyor, aynı zamanda kuantum malzemelerdeki gizli manyetik olayları ortaya çıkarma ve araştırma kapasitesinin de altını çiziyor. Eğer kontrol edilebilirse, manyetik yüklerle bezenmiş bu girdaplı dokular süper hızlı ve enerji tasarruflu bilgisayar bellek mantığına güç verebilir.