Bilim insanları, manyetizma gücünü kullanarak kuantum bilgiyi depolayabilecek yeni bir kuantum malzemesi keşfetti. Bu 'mucize malzeme', manyetik yönelimini değiştirebilme (manyetik anahtarlama) yeteneği sayesinde, kuantum bilgisayar ve sensör teknolojilerinde çok daha uzun ömürlü kuantum durumlarına olanak tanıyabilir.
Krom sülfür bromür adı verilen bu sıra dışı malzeme, tıpkı bir milföy hamuru gibi ince, katmanlı bir yapıya sahip. Yalnızca birkaç atom katmanından oluşan yapısı, onu kuantum cihazları için son derece umut verici kılıyor. Bunun nedeni, malzemenin birçok farklı bilgi depolama biçimini desteklemesi: elektrik yükü, fotonlar (ışık), manyetizma (elektron spinleri) ve hatta fononlar (ses titreşimleri) aracılığıyla bilgi saklayabiliyor.
Krom sülfür bromürün bilgi depolamak için kullanılabilecek yöntemlerinden biri de 'ekzitonlar' aracılığıyladır. Ekzitonlar, bir elektronun ve onun boşluğunun bir araya gelerek oluşturduğu yarı-parçacıklardır. Bir foton, temel enerji seviyesinden ayrıldığında, geride bir boşluk bırakır. Elektron ve boşluk ayrılmış olsalar da eşleşmiş halde kalırlar ve ekziton olarak bilinirler.
Daha önceki araştırmalar, bu ekzitonların malzeme içinde bazen düz bir çizgi halinde oluşabildiğini göstermişti. Ancak bu ekzitonlar aynı zamanda alışılmadık manyetik özellikler de sergiliyor.
132 Kelvin'den (-141 santigrat derece) daha düşük sıcaklıklarda, malzemenin katmanları manyetize olur ve elektronlar hizalanır. Bu durumda, malzemenin her katmanı için manyetik alanın yönü değişir.
Krom sülfür bromür 132 Kelvin'in üzerine ısıtıldığında ise malzeme manyetizasyonunu kaybeder. Elektronlar rastgele yönlerde hareket edebilir hale gelir ve bu manyetize olmayan durumda, ekzitonlar artık hapsolmayıp malzemenin birden fazla katmanına yayılır.
Ancak, krom sülfür bromür yalnızca tek atom kalınlığında olduğunda, ekzitonlar tek bir boyutta hapsolur. Bir kuantum cihazında kullanıldığında, bu kısıtlama sayesinde ekzitonlardaki kuantum bilgi çok daha uzun süre depolanabilir. Bunun nedeni, ekzitonların birbirleriyle çarpışma ve taşıdıkları bilgiyi kuantum bozunumu (decoherence) yoluyla kaybetme olasılığının azalmasıdır.
Kuantum Bilgi Tek Boyutta Saklanıyor
Yakın zamanda saygın bir bilim dergisinde yayımlanan yeni çalışmada, bilim insanları krom sülfür bromürde ekzitonları oluşturmak için kızılötesi ışık darbeleri kullandıklarını bildirdi. Ardından ikinci bir kızılötesi lazerle ekzitonları daha yüksek bir enerji seviyesine taşıdılar. Bu işlem sonucunda, normalde aynı enerji durumlarına sahip olmaları gerekirken, iki farklı ekziton varyasyonu oluşturduklarını keşfettiler.
Daha az enerjili darbeler farklı eksenlerden lazerlerle atıldığında, araştırmacılar yöne bağlı ekzitonların tek bir çizgi halinde sınırlandırılabileceğini veya üç boyuta genişletilebileceğini fark ettiler. Ekzitonların tek boyutludan üç boyutluya geçişi, ekzitonların birbirleriyle çarpışmadan ne kadar süre dayanabileceğini belirledi.
Araştırmacılara göre, manyetik düzen, ekzitonları ve etkileşimlerini şekillendirmek için yeni bir ayar düğmesi görevi görüyor. Bunun gelecekteki elektronik ve bilgi teknolojileri için bir 'oyun değiştirici' olabileceği belirtiliyor.
Araştırma ekibinin bir sonraki hedefi, bu ekzitonların malzemenin elektronik spinindeki manyetik uyarılara dönüştürülüp dönüştürülemeyeceğini araştırmaktır. Eğer bunu başarırlarsa, farklı alt atomik parçacıklar (fotonlar, ekzitonlar ve elektronlar) arasındaki kuantum bilgiyi dönüştürmek için kullanışlı bir yöntem sağlamış olacaklar.
Manyetize ve manyetize olmayan durumlar arasında geçiş yapmak, foton ve spin tabanlı kuantum bilgiyi dönüştürmek için hızlı bir yöntem sunabilir. Krom sülfür bromür ile ilgili umut, gelecekteki cihazlarda tüm bu özelliklerinden yararlanabilmektir.
Araştırmacılar, uzun vadeli vizyonlarının, bu üç, hatta belki de dört özelliği birden (bilgiyi aktarmak için fotonlar, etkileşimler yoluyla işlemek için elektronlar, depolamak için manyetizma ve yeni frekanslara modüle edip dönüştürmek için fononlar) kullanabilen kuantum makineler veya cihazlar inşa etmek olduğunu ifade ediyor.
