MIT fizikçileri, ilk defa kuantum maddenin manyetik yapılanmasında fraktal bir düzen olduğunu keşfettiler.
Kar tanelerinde gördüğümüz tekrar eden geometrik özellikler, fraktal yapıların en belirgin özelliklerinden biri. MIT fizikçileri, ilk defa kuantum maddenin manyetik yapılanmasında da fraktal bir düzen olduğunu keşfettiler.
Fraktal yapılar, bir geometrik kalıbın farklı boyut ve ölçekte sürekli tekrar etmesiyle oluşuyor ve doğada kar taneleri, akarsu ağları, salyangoz kabukları, eğreltiotu dalları, şimşeklerin çatallanmaları gibi birçok şekilde karşımıza çıkıyor.
MIT fizikçileri, fraktal yapıların atomaltı maddelerde de meydana geldiğini ortaya çıkardılar. Sözkonusu madde, ısıya bağlı olarak hem elektriksel iletim, hem de izolasyon özellikleri taşıyabilen bir nadir toprak elementi olan neodymium nikel oksit (NdNiO3). Bu madde aynı zamanda manyetik özellikler taşıyor ancak kutupları sabit değil; daha çok rastgele yan yana gelmiş kümeleri andırıyor. Farklı boyut ve şekillerde olan bu kümelerin her biri kendi manyetik kutuplarına sahip. Araştırmacılar, bu maddenin manyetik yapısında bir fraktal düzen olduğunu farkettiler. Bahsi geçen kümelerin dağılımı, az sayıda büyük küme ve daha fazla sayıda ufak kümenin oluşturduğu salkımları andırıyor. Araştırmacılar bu dağılımın bir bölümüne yakından baktıklarında, kümelerde de yine benzer salkımları olduğunu gördüler.
Kısacası, maddenin tüm seviyelerinde, boyutu ve ölçeği ne olursa olsun, aynı dağılımın tekrar ettiği ortaya çıktı. Bu da doğada fraktal olarak kabul edilen yapılarla aynı tanıma sahip. MIT fizik profesörlerinden Riccardo Comin, “Yapıyı çözümlemek ilk önce zor oldu, ancak dağılımın istatistiklerine baktığımızda fraktal davranış gösterdiğini anladık” diyor: “Hiç beklemediğimiz bir şeydi tamamen şans eseri ortaya çıktı”. Bilim insanları, NdNiO3 maddesini farklı uygulamalar açısından incelemekte. Özellikle nöromorfik cihazlarda (biyolojik nöronlara öykünen yapay sistemlerde) yapı taşları olarak kullanım olasılığı yüksek. Bir nöronun, aldığı elektriksel uyarıma bağlı olarak aktif veya pasif olabileceği gibi, NdNiO3 de hem iletken, hem de yalıtkan olabiliyor. Comin, bu maddenin nano ölçekteki manyetik ve elektronik yapısını daha iyi anlayarak benzer amaçlar için başka maddeleri incelemenin, hatta üretmenin de mümkün olabileceğini düşünüyor.
Deniz Feneri taktiği
Araştırmacıların öncelikli hedefi madde içinde bir fraktal yapı bulmak değil, sıcaklığın manyetik kümelerde yarattığı değişiklikleri gözlemekti.
“Bu madde her ısıda manyetik özellik sergilemiyor” diyor Comin: “Kümeler soğutulduklarında manyetik duruma geçiyorlar. Bu durumda nasıl davranış gösterdiklerini takip etmek istedik”. Bu amaç doğrultusunda ekip, maddenin manyetik kümellerini nano ölçekte inceleyebilmek için farklı bir yöntem geliştirmek zorunda kaldı; zira kümelerin boyutları birkaç atom ile on binlerce atom arasında değişebiliyordu. Genellikle bir maddenin manyetik özellikleri incelenirken Röntgen ışınları kullanılır. Düşük enerjili X-ışınları (yumuşak X-ışınları) maddedeki manyetik yapıyı anlamayı sağlar. Comin ve arkadaşları, bu çalışmayı yaparken Brookhaven Ulusal Laboratuvarında bulunan parçacık hızlandırıcısını kullandılar. Dev bir halka şeklindeki bu cihaz, milyarlarca elektronu sapanlama görevi görüyor. Cihazın ürettiği yumuşak X-ışınları maddelerin özelliklerini en ince detayına kadar öğrenmeye yardımcı oluyor. “Yine de bu X-ışınları nano ölçekte değil” diyor Comin. “Bu yüzden, ışınları çok daha ufak hale getirebilecek özel bir çözüme ihtiyaç vardı. Böylece manyetik kümelerin dizilimini nokta nokta belirleyebilecektik.” Araştırmacılar bu amaçla, X-ışınlarını yoğunlaştırabilecek yeni bir lens geliştirdiler. Bu yöntem aslında yüzyıllardır deniz fenerlerinde kullanılan bir tasarımı temel alıyor: Fresnel mercekler.
Fresnel mercek, tek bir kavisli camdan değil, ama kavisli cam özelliği gösterecek şekilde dizilmiş birçok cam parçasından oluşuyor. Deniz fenerlerinde kullanılan Fresnel merceklerin çapı birkaç metreyi bulabiliyor. Bunlar güçlü bir lambadan yayılan ışığı yoğunlaştırarak gemilere yol gösteren tek ve güçlü bir ışığa dönüştürüyor. Comin ve ekibi, benzer özellikte, fakat çok daha küçük (150 mikron genişliğinde) bir mercek üreterek birkaçyüz mikron çapındaki yumuşak X-ışınlarını 70 nanometre genişliğe kadar yoğunlaştırabildi.
Comin, yüzyıllardır bilinen bir optik özelliği 10 bin kez küçülterek çok farklı bir alanda kullanmanın son derece ilginç olduğunu belirtiyor.
Geliştirdikleri bu özel X-ışını merceğini kullanan araştırmacılar, Brookhaven’da cihazdaki ışınları ince bir NdNiO3 yaprağına yönelttiler ve üzerindeki manyetik kümelerin yapısını farklı ısı derecelerinde nokta nokta haritalandırmayı başardılar. Bu sayede malzemenin belirli bir sıcaklığa düştüğünde manyetik hale geldiğini ya da manyetik özellikler gösterdiğini teyit ettiler. Bu kritik sıcaklık seviyesinin üzerinde iken kümeler ortadan kayboluyor ve manyetik özellikler de ortadan kalkıyordu.
Malzemenin hafızası
İlginç olan diğer bir bulgu da; malzeme kritik sıcaklığa tekrar düşürüldüğünde bu kümelerin eski yerlerinde tekrar ortaya çıkmasıydı.
Anlaşılıyor ki bu sistemde bir bellek mevcut” diyor Comin: “Madde manyetik özelliklerin bulunduğu yerlere dair bir hafızaya sahip. Bu da şaşırtıcı bir bulgu oldu. Biz yepyeni küme oluşumları bekliyorduk ancak tamamen yok olduktan sonra bile aynı kalıbın aynı yerde tekrar ortaya çıktığını gözlemledik”.
Maddenin manyetik kümelerini haritalandırdıktan ve her kümeyi ölçtükten sonra araştırmacılar belirli bir alanda yer alan kümelerin sayısını kaydedip bunları boyut cinsinden anlamlandırmak istediler. Ortaya çıkan dağılım, boyut ne olursa olsun aynı şekilde tekrarlanan bir yapıydı: “Farklı ölçeklerde inanılmaz zenginlikte dokular gözlemledik. En çarpıcı olan ise bu manyetik tekrarların fraktal olmasıydı”.
Comin, maddenin manyetik özelliklerinin nano ölçekte nasıl bir düzen gösterdiğinin anlaşılmasının ve bir belleğe sahip olduğunun ortaya çıkarılmasının, özellikle yapay nöronlar ve daha güvenilir veri depolama cihazları geliştirmek açısından önemli olduğunu hatırlatıyor: “Sabit disklerde dönen manyetik plakalar gibi, bu manyetik kümelerde veri saklamak da düşünülebilir. Malzeme bir belleğe sahip ise, dış etkenlere karşı dayanıklı, ısıya maruz kalsa bile bilginin yok olmadığı bir sistem oluşturmak mümkün”. Comin ve Jiarui Li önderliğindeki çalışma ve sonuçları, 15 Ekim tarihinde Nature Communications’da yayınlandı.
