Bu çığır açıcı buluş, ABD Enerji Bakanlığı’na bağlı SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı liderliğindeki bir araştırma ekibinden geliyor. Science dergisinde yayınlanan bir çalışmada , araştırmacılar, geleneksel olarak kabul edilen iki manyetik türün önemli özelliklerini birleştiren farklı bir manyetik faz olan altermanyetizma için ikna edici deneysel kanıtlar sundular.

SLAC ve Stanford Malzeme ve Enerji Bilimleri Enstitüsü’nde yardımcı bilim insanı olan baş yazar Daniel Jost, “Son birkaç yıldır bilim insanları, ferromanyetizma-antiferromanyetizma ikiliğine tam olarak uymayan fenomenler gözlemlediler” diye açıkladı. “Araştırmacılar, bu iki sınıfın özelliklerini birleştiren üçüncü bir manyetizma türüne dair kanıtlar derliyorlar. Sonuçlarımızın, bu üçüncü fazın -altermanyetizmanın- gerçek olduğuna dair sağlam deneysel bir doğrulama sağladığına inanıyoruz.”

Ekip, uzun zamandır antiferromanyetik olarak sınıflandırılan bir malzeme olan manganez tellür (MnTe) üzerinde yoğunlaştı. Daha önceki araştırmalara dayanarak, bilim insanları malzemenin manyetik yapısındaki belirgin bir asimetri olan kiraliteye dair doğrudan kanıt tespit ettiler. Bu özellik, spiral bir merdivenin veya vidanın belirli bir yönde bükülme şekline benzer ve altermanyetizmin önemli bir göstergesini sağlar.

Bu bulgu, temel fizik açısından öneminin ötesinde, araştırmacıların gelişmiş bellek sistemleri, kuantum cihazları ve daha enerji verimli veri merkezleri de dahil olmak üzere geleceğin teknolojilerine uygun özelliklere sahip manyetik malzemeler geliştirmelerine yardımcı olabilir.

Manyetizmanın İki Geleneksel Türünü Anlamak

Manyetizma, buzdolabı mıknatısının fotoğrafı tutması veya pusulanın Dünya’nın manyetik alanıyla hizalanması gibi günlük deneyimlerimizden tanıdık bir olgudur. Ancak bu etkilerin ardındaki fizik, göründüğünden çok daha karmaşıktır.

Atom düzeyinde manyetizma, elektronların spin olarak bilinen kuantum özelliğiyle bağlantılıdır. Spin, kelimenin tam anlamıyla küçük bir top gibi dönen bir elektron olmasa da, elektronun kendi açısal momentumuna sahipmiş gibi belirli şekillerde davranır. Bilim insanları, olası iki spin yönelimini genellikle “yukarı” ve “aşağı” olarak tanımlarlar.

Bu spinler belirli desenler halinde organize olduğunda, bir malzeme manyetik özellikler gösterebilir. Ancak bu, mutlaka dışarıdan algılanabilir bir manyetik alan üreteceği anlamına gelmez.

Ferromanyetik malzemelerde, elektron spinleri aynı yönde hizalanır (yukarı-yukarı-yukarı veya aşağı-aşağı-aşağı). Bu ikisinin birleşik etkisi, sıradan mıknatıslarla ilişkilendirilen tanıdık manyetik alanı üretir. İnsanlar bu davranışa sahip malzemeleri binlerce yıldır kullanmaktadır.

1933’te tanımlanan ikinci bir kategori ise farklı şekilde çalışır. Antiferromanyetiklerde, komşu elektron spinleri zıt yönlere (yukarı-aşağı-yukarı-aşağı) işaret eder. Manyetik katkılar birbirine zıt olduğu için birbirini götürür ve toplam manyetizasyon kalmaz.

Üçüncü bir manyetizma türü eski kurallara meydan okuyor.

Yaklaşık doksan yıldır bu iki kategori, malzemelerde manyetik düzenin nasıl ortaya çıktığını anlamak için temel çerçeveyi sağlıyordu. Ancak son yıllardaki deneysel gözlemler, her iki kategorinin de tam olarak açıklayamadığı davranışları ortaya çıkarmaya başladı.

Bazı malzemeler, tıpkı antiferromanyetikler gibi, alternatif elektron spinleri sergiledi ve genel bir manyetizasyon göstermedi. Bununla birlikte, ferromanyetik davranışla ilişkilendirilen bir özellik olan faydalı spin akımlarını da destekleyebiliyorlardı. Spin akımları, bilginin tamamen elektriksel yüklerine bağlı kalmak yerine elektronların spin özellikleri aracılığıyla taşınmasına olanak tanır.

Bu alışılmadık kombinasyon, bilim insanlarının temelde farklı bir şeyle uğraştığını düşündürdü. 2022’de araştırmacılar, önerilen bu üçüncü manyetik sınıfa ait malzemeler için “alternatif mıknatıslar” terimini kullanmaya başladılar.

Temel fark, malzemenin içindeki atomların diziliminde yatmaktadır. Altermagnetlerin spin yönelimleri dönüşümlüdür (yukarı-aşağı-yukarı-aşağı), ancak zıt yönde hizalanmış spinleri çevreleyen kristal yapılar birbirlerine göre döndürülmüştür.

Bu dönüş, geleneksel antiferromanyetik malzemelerde var olan bir simetri biçimini bozar. Ayrım ince olsa da, elektronların davranış biçimini önemli ölçüde değiştirebilir ve alternatif manyetik malzemelerin bir zamanlar uyumsuz kabul edilen özellikleri birleştirmesine olanak tanır.

Bilim insanları altermanyetizma için kayıp olan kanıtı buldu.

Altermanyetizma için deneysel destekler birikmeye devam etse de, araştırmacılar bunun gerçekten ayrı bir manyetik fazı temsil ettiğini kesin olarak ortaya koymanın bir yoluna hala ihtiyaç duyuyorlardı.

Jost, “2024 yılına gelindiğinde, altermanyetizmin gerçek olduğuna dair güçlü kanıtlar sunan bazı faktörler vardı,” dedi, “ancak bulmacanın hâlâ eksik bir parçası vardı.”

Eksik olan kanıt, bazen “el özelliği” olarak da tanımlanan kiralite ile ilgiliydi. Bir nesne, ayna görüntüsü orijinaliyle mükemmel bir şekilde hizalanamadığında kiraldir. İnsan elleri basit bir örnektir: Sol ve sağ elleriniz ayna görüntüsüdür, ancak sol el sağ eldivene düzgün bir şekilde sığamaz.

Bir altermanyetik malzemede, atomların ve elektron spinlerinin alışılmadık düzenlenmesi, malzemenin elektronik ve manyetik yapısında bu tür bir kiralite yaratabilir. Geleneksel antiferromanyetik malzemeler aynı karakteristik kiral imzayı göstermez.

Bu farkı tespit etmek, gerçek bir altermanyetiği ona sadece benzeyen bir malzemeden ayırt etmenin güçlü bir yolunu sağlayacaktır.

Araştırmacılar test malzemesi olarak manganez tellürü seçtiler. Bilim insanları onu on yıllarca sıradan bir antiferromanyetik madde olarak kabul etmişti, ancak daha yeni çalışmalar onun yeni önerilen kategoriye ait olabileceği olasılığını ortaya koymuştu.

Güçlü X-ışınları Gizli Bir Manyetik İmzayı Ortaya Çıkarıyor

Malzemenin sıra dışı özelliklerini araştırmak için ekip, Fransa’daki Avrupa Senkrotron Radyasyon Tesisi’nde (ESRF) deneyler yaptı. Tesisin ID32 ışın hattı, hassas bir şekilde kontrol edilen polarize X ışınları üreterek bilim insanlarının aksi takdirde tespit edilmesi son derece zor olan ince manyetik yapıları incelemelerine olanak tanıyor.

Araştırmacılar, ışığın ilerleyişi sırasında elektrik alanlarının sol veya sağ yönde döndüğü dairesel polarize X ışınları kullandılar. Malzemenin bu iki ışık biçimini nasıl saçtığını ölçerek, kiraliteye dair kanıt arayabildiler.

Jost, “Kiral malzemeler, sol el polarize X-ışını ışınlarını sağ el polarize ışınlarından farklı şekilde dağıtır,” diye açıkladı. “Kiral olmayan malzemeler ise her ışın demetini aynı şekilde dağıtır.”

Deney, manganez tellürün iki X-ışını polarizasyonuyla etkileşim biçiminde belirgin bir fark ortaya koydu. Bu ayırt edici kiral tepki, altermanyetizmadan beklenen sinyal türüyle tam olarak örtüşüyordu ve geleneksel bir antiferromanyetik maddede bulunmazdı.

Jost, “Bu kiral imza, altermanyetizmin kendi başına ayrı bir sınıfta yer aldığını söylememiz için bize sağlam deneysel zemin sağladı,” dedi.

Araştırmacılar deneyi ilk olarak 2024’te gerçekleştirdiler. 2025’in başlarında geri dönerek ölçümleri tekrarladılar ve sonuçları başarıyla yeniden üreterek yeni manyetik faza dair kanıtları güçlendirdiler.

ESRF’de doktora sonrası araştırmacı olan ve ID32 ışın hattında deneyi tasarlamaya ve yürütmeye yardımcı olan ortak yazar Rachel Nickel, “Bu teknik, manganez tellürün gerçekten de altermanyetik özellikler sergilediğini doğrulamamıza yardımcı oldu” dedi. “Altermanyetizma sadece birkaç yıl önce ortaya atılmıştı ve bu modellerin doğrulanmasındaki hızlı ilerleme inanılmaz.”

Alternatif Manyetik Alan Geleceğin Bilgisayarlarını Nasıl Dönüştürebilir?

Bu keşif, elektron spinini kullanarak daha yetenekli elektronik cihazlar geliştirmeyi amaçlayan, hızla büyüyen bir alan olan spintronik için önemli sonuçlar doğurabilir.

Geleneksel elektronik, bilgiyi esas olarak elektronların elektriksel yükünü kontrol ederek depolar ve işler. Spintronik ise elektron spininden de yararlanarak bilgiyle çalışmanın başka bir yolunu sunar.

Bu ek özellik, daha hızlı çalışan, parazitlere karşı daha etkili direnç gösteren ve önemli ölçüde daha az elektrik tüketen cihazlara olanak sağlayabilir. Bu tür iyileştirmeler, özellikle bilgisayar belleği, büyük veri merkezleri ve muazzam miktarda bilgi işlemeyi gerektiren diğer teknolojilerde son derece değerli olacaktır.

Ancak, manyetizmanın iki geleneksel türü, spintronik sistemlerin gelişimini sınırlayan farklı engeller ortaya koymaktadır.

Jost, “Ferromanyetik malzemeler manyetik alanlardan çok kolay etkilenir,” diye açıkladı. “Cebinizde kalıcı bir mıknatıs varsa ve ferromanyetik malzemelerle yapılmış bir spintronik cihazın yanından geçerseniz, bitleri ters çevirmeye başlayabilir ve orada depolanan bilgileri karıştırabilirsiniz. Antiferromanyetik malzemeler bu sorunu çözer, ancak pratikte görünmezdirler; bu nedenle içlerinde depolanan verileri kolayca okuyamazsınız veya verimli spin akımları oluşturmak için kullanamazsınız.”

Altermagnet’ler potansiyel olarak değerli bir alternatif sunuyor. Antiferromanyetikler gibi, zıt spinleri genel bir manyetizasyon oluşturmaz ve bu da onları istenmeyen manyetik girişimlere karşı korumaya yardımcı olur. Aynı zamanda, alışılmadık elektronik yapıları, bilgi elde etmek için kullanılabilecek spin polarize akımlar üretmelerine olanak tanır.

Jost, “Altermagnets her iki özelliğin de en iyisini bir araya getiriyor,” dedi. “Net manyetizasyonları sıfır olduğundan kararlıdırlar, ancak yine de bilgiyi kolayca elde etmek için gereken spin polarize akımları üretme yetenekleri vardır. Bu da size çalışmak için ek bir özgürlük derecesi sağlıyor.”

Kuantum Teknolojisi ve Elektronik Alanında Yeni Bir Sınır

Alternatif manyetikliğin doğrulanması, bilim insanlarına teknolojik uygulamalar için araştırılacak ve potansiyel olarak tasarlanacak yeni bir malzeme sınıfı sunmaktadır. Manyetik kararlılığı, spin tabanlı bilgiyi manipüle etme yeteneğiyle birleştiren bu malzemeler, geleneksel spintronik cihazların önündeki engellerin aşılmasına yardımcı olabilir.

Bir sonraki adım, ışık ve elektrik gibi dış etkiler kullanarak altermanyetik durumları kontrol etmeyi öğrenmek olacak. Araştırmacılar, bu kontrolün ustalaşmasının, alışılmadık manyetik özelliklerden yararlanan pratik cihazlar tasarlamayı mümkün kılacağını umuyor.

Bu malzemelerin yaygın olarak kullanılabilmesi için önemli gelişmelerin yapılması gerekse de, bulgular kuantum teknolojileri, bilgisayar belleği ve daha verimli veri merkezleri üzerine yapılacak gelecekteki çalışmalar için daha güçlü bir deneysel temel oluşturmaktadır.

Araştırma, ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi’nden kısmi finansman desteği almıştır.