Kuantum evreninde maddenin yeni bir hali keşfedildi

David Nield*

Maddenin her gün karşılaştığımız (katı, sıvı, gaz gibi) hallerini bilirsiniz; ne var ki daha yabancı ve aşırı koşullar altında farklı halleri de ortaya çıkabilir. ABD ve Çin’den bilim insanları, bu yılın başlarında bu hallerden birine rastladı.

Buna ‘kiral bose-sıvı hali’ adını verdiler ve bu, keşfettiğimiz her yeni parçacık düzeninde olduğu gibi, özellikle de aşırı küçük kuantum ölçeğinde bizlere etrafımızdaki evrenin dokusu ve mekanizmalarına ilişkin daha fazla bilgi sağlayabilir.

Maddenin halleri, parçacıkların birbirleriyle nasıl etkileşime girebileceğini, hangi yapılara dönüşebileceğini ve ne tür davranış biçimleri sergileyebileceğini belirler. Atomları bir yere kilitlediğinizde elinizde katı bir madde olur. Akmalarına izin verdiğinizdeyse bir sıvı ya da gaza dönüşür. Bu tür zorla kurulan ortaklıklar dışındaysa elinizde bir plazma vardır.

KUANTUM EVRENİNİN TUHAF HALLERİ

Kuantum evreni, parçacıkların birbirleriyle etkileşime girmesi söz konusu olduğunda daha da tuhaf yollar sunar ve olasılık ve enerji bağlamında en ayrıntılı şekilde belirlenmiş benzersiz davranışlara imkân tanır.

Araştırmacılar, maddenin yeni halini sınırlanmış bir kuantum sistemi sayesinde keşfetti. Basit bir ifadeyle, bu, parçacıkların alışıldık yollardan etkileşime girmesini engelleyen sabit kısıtlamalara sahip (dolayısıyla sınırlanmış) bir sistem.

Bu kısıtlamalar ve neticede oluşan sınırlama bilim insanları açısından heyecan verici neticelerin önünü açabilir. Bu çalışmada araştırmacılar elektronlar üzerinde yoğunlaşarak neler olup bittiğini izah etmek için bir ‘parti oyunu’ benzetmesini kullandı.

‘SANDALYE KAPMA YARIŞMASINA BENZİYOR’

ABD’deki Massachusetts Amherst Üniversitesi’nden teorik yoğun madde fizikçisi Tigran Sedrakyan, “Elektronları sınırlandırmak amacıyla tasarlanan bir sandalye kapma yarışmasına benziyor. Her elektronun oturacağı bir sandalye olmasındansa, birbirleriyle yarışmaları ve oturdukları yerde pek çok farklı olasılığa sahip olmaları gerekiyor” dedi.

Araştırmacıların kurguladığı sistem, elektronlar açısından zengin bir üst katman ile elektronların doğal biçimde hareket etmesine izin veren, birçok deliğe sahip bir alt katmandan oluşan iki katmanlı bir yarı iletken cihazdı. ‘Sandalye kapma’ meselesine gelecek olursak, elektronların tamamına yetecek delik bulunmuyordu.

KUANTUM DİJİTAL DEPOLAMADA ÇIĞIR AÇABİLİR

Bunun gibi bir sistemi gözlemlemek güç olsa da araştırma ekibi elektronların nasıl hareket ettiğini ölçmek amacıyla aşırı güçlü bir manyetik alan kullandı ve yeni ‘kiral bose-sıvı’ haline dair ilk kanıtı açığa çıkardı.

Çin’in Nanjing Üniversitesi’nden fizikçi Lingjie Du, “Elektronlar ve delikler yarı iletken iki tabakanın kenarında aynı hızda hareket ediyor. Bu, elektron ve delik kanalları daha yüksek alanlar altında aşamalı biçimde ayrıldıkça, dışsal çekim alanları tarafından niteliği değiştirilen daha sarmal benzeri bir taşınmaya neden olur” diye konuştu.

Maddenin bu yeni hali fazlasıyla ilgi çekici yeni özellikleri açığa çıkardı. Mesela, elektronlar mutlak sıfır derecede öngörülebilir bir düzen içinde ve değişmez bir dönüş istikametinde sabitlenir ve öteki parçacıklar ya da manyetik alanların müdahalesine maruz kalmaz. Bu istikrarlı durum, kuantum seviyesindeki dijital depolama sistemlerinde yeni uygulamaların önünü açabilir.

‘GÜNLÜK HAYATTA GÖRDÜĞÜMÜZ ÜÇ KLASİK HALDEN ÇOK DAHA VAHŞİ’

Buna ek olarak, bir elektrona etki eden dış parçacıklar, görece uzun menzilli kuantum dolanıklık yardımıyla sistemde bulunan bütün elektronları etkileyebilir. Bu, bir beyaz topu bir grup bilardo topuna ve tepki olarak aynı yönde hareket eden bütün toplara çarptırmaya benzer ve neticede çeşitli yararlar sağlayabilecek bir diğer keşif olur.

Bütün bunlar fazlasıyla üst düzey fizikle ilgili olsa da buna benzer her keşif, yani ortak parçacık etkileşimlerinin kapsamı dışında gerçekleşen bu gariplikler ve aşırı durumlar, yaşadığımız dünyayı tam anlamıyla anlamamıza yardım eder.

Sedrakyan da “Maddenin kuantum hallerini bu sınırlarda görürsünüz ve bunlar gündelik hayatımızda tanık olduğumuz üç klasik halden çok daha vahşidir” dedi.

Araştırma makalesi Nature dergisinde yayınlandı.

Yazının orijinali Science Alert sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)