70 Yıllık Hipotez Deneysel Olarak İspat Edildi

Koreli araştırmacılar 70 yılı aşkın bir süre önce öne sürülen ve kabul görülen bir hipotezi ilk kez deneysel olarak ispat ettiler. Araştırmacı fizikçiler labaratuvar ortamında 2D materyallerin özel bir sınıfının manyetik faz geçişini deneysel olarak kanıtladılar.

A- A+

09.01.2017 tarihli yazı 8928 kez okunmuştur.

Hipotez, onsager çözümü olarak bilinen ve grafen gibi yalnızca bir atom kalınlığına sahip olan belirli bir türdeki 2D materyallerin manyetik faz geçişi üzerine. Manyetik faz geçişi H²O'nun buzdan suya geçişini sağlayan faz geçişi gibi sıcaklık arttıkça bir materyalin manyetizmasını nasıl kaybettiğini açıklıyor. Onsager çözümü nobel ödülü sahibi kimyacı Lars Onsager tarafından 70 yılı aşkın bir süre önce öne sürülen ve şu ana kadar onlarca araştırmanın temelini oluşturmasına rağmen gerçekliği labaratuvar ortamında kanıtlanamamış olan bir hipotezdi.

Güney Kore Temel Bilim Enstitüsü'nde çalışmalar yapan Je-Geun Park, "Onsager Çözümü"nün ileri istatistiksel mekanik dersinde öğretilen bir hipotez olduğunu ve kendisinin de bu şekilde öğrendiğini dile getirdi. Park hipotezin manyetik bir malzeme ile deneysel olarak test edilmediğini çok sonra keşfettiğini ve keşfettiğinde bunun kendisi gibi deneysel metotlarla ilgilenen insanlar için büyük bir utanç kaynağı olduğunu, bu yüzden de test etmek için gerçek bir materyal arayışına girmesinin kendisi için çok normal bir durum olduğunu dile getirdi.

►İlginizi Çekebilir: Elektromanyetik Alan Gerçeği

Hipotez basit bir şekilde tanımlanacak olursa, 2D materyallerin faz geçişleri boyunca nasıl belirtiler gösterdiğini açıklayan bir hipotezdir. Bilinen en iyi faz geçişleri herkesin lise yıllarında öğrendiği katıdan sıvıya ve sıvıdan gaza doğru olan faz geçişleridir. Ancak bunların yanında manyetik faz geçişleri de vardır. Bu durumun asıl nedeni antiferromanyetizma olarak da bilinen demir manganez ve nikel oksit gibi bazı 3D materyallerin elektron spinlerinin sıralanmaları nedeniyle manyetik bir yapıya sahip olmalarıdır. Bir elektronun spini belirli bir yöne bakan küçük bir mıknatıs gibi düşünülebilir ve aşırı derecede düşük sıcaklıklarda bu spinler belirli bir sırada hizalanır ve böylece malzeme manyetik bir özellik kazanır. Fakat belirli bir sıcaklığın da üzerine çıkıldığında bu spinler hizalarını kaybeder ve rastgele bir yapı halini alırlar. Bu da o maddeleri artık ne manyetik ne de paramanyetik bir yapıda olmadıkları anlamına gelmektedir.

Bir manyetizma boyutundan başka bir manyetizma boyutuna geçilmesi manyetik faz geçişi olarak tanımlanır. Hatta ataşları tutmak için kullandığımız türdeki 3D mıknatıslar belirli bir noktanın üzerinde manyetik bir çekiciliğe sahip olmazlar. Bu noktada sıvıya dönüştürme için gerçekleştirilen eritme ile aynı tür faz geçişi bulunmaktadır. 3D materyallerde durumun ne şekilde olduğu bilinmekte fakat iki boyutlu hatta tek boyutlu materyallerde durumun nasıl gerçekleşeceği deneysel olarak hala çözümlenememişti. Fizikçi Wilhelm Lenz'in yaklaşık yüz yıl önce öğrencisi Ernst Ising'e bahsettiği şey aslında buydu. Ising ise 1925 yılında bir boyutlu materyallerin faz geçişleri yapmadığı sonucuna vardı. Faz geçişi sadece moleküllerin belirli bir malzeme haline gelmesiyle gerçekleşir.

►İlginizi Çekebilir: Manyetik Motor Teorisi Nedir?

Fakat olay 2 boyutlu materyallere geldiğinde cevap oldukça zorlaşıyor. 1943 yılına kadar kimyager Lars Onsager bu soruna o zamanlar bir çözüm önermişti. Onsager 2 boyutlu materyallerin manyetik faz geçişi de dahil olmak üzere faz geçişine maruz kaldıklarını hesaplamıştı ve o zamandan bu yana fizik üzerinde büyük etkisi olan bir hipotezi öne sürmüştü. Fakat tek problem şuydu ki kimse bu zamana dek bu hipotezi labaratuvar ortamında iki boyutlu bir manyetik materyal üzerinde test etmemişti.

Je-Geun Park ve ekibi Onsager çözümünü herkese kanıtlamak için kolları sıvadı ve manyetik FePS3 (Demir trithiohipofosfat) kristallerini üretti. Daha sonra tıpkı grafitten tek katmanlı grafen elde etmek için kullanılan metot gibi malzemenin 2 boyutlu tabakalarını oluşturmak için yapışkan bant kullanarak kristalin üzerindeki katmanları soydular.

Raman spektroskopisi denilen bir teknik kullanılarak araştırmacı ekip belirli sıcaklıklarda materyalin ne derecede manyetik özellik gösterdiğini anlamak için materyalin içindeki titreşimleri ölçtü. Sonuç olarak titreşim arttıkça materyal daha az manyetik özellik göstermeye başladı. 3 boyutlu kristalde elektron spinleri 118 Kelvin'in (-155°C) altında antiferromanyetik ve bu sıcaklığı üzerinde ise paramanyetik özellik gösterdiler. Deney sonucunda Park 2 boyutlu ve 3 boyutlu FePS3 kristallerinin Raman spektroskopisinde görünen faz geçişi ile aynı forma sahip olduğuna karar verdiklerini açıkladı.

Kaynak:

►sciencealert