Bu çığır açıcı buluş, Varşova Üniversitesi Fizik Fakültesi, Polonya Askeri Teknoloji Üniversitesi, IBM Zürih Araştırma Merkezi ve Fransız Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi’nden (CNRS) oluşan uluslararası bir ekip tarafından gerçekleştirildi. Bilim insanları, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara soğutulmuş atomlara güvenmek yerine, ışık ve maddenin özelliklerini birleştiren parçacıklar kullanarak süperkatı bir madde yarattılar.

Science Advances dergisinde yayınlanan bulgular, egzotik kuantum davranışlarını çok daha erişilebilir koşullar altında incelemek için yeni bir yöntem sunuyor. Ayrıca optik hesaplamadan yüksek hassasiyetli sensörlere kadar uzanan geleceğin teknolojilerinin geliştirilmesine de yardımcı olabilirler.

Madde hem katı hem de sıvı gibi nasıl davranabilir?

Normal şartlar altında katı ve sıvı maddeler çok farklı davranırlar. Kristaller, parçacıklarının tekrarlayan desenler halinde düzenlendiği, organize bir iç yapıya sahiptir. Sıvılar ise bunun aksine akabilir ve şekil değiştirebilirler.

Kuantum fiziği ise maddenin, günlük hayattaki alışılagelmiş kurallar altında imkansız olacak şekillerde davranmasına olanak tanır.

Bir örnek, bir sıvının viskozitesini veya akmaya karşı iç direncini kaybettiği olağanüstü bir olgu olan süperakışkanlıktır. Süperakışkanlar, normal sürtünmeyi yaşamadan son derece dar geçitlerden geçebilir. Böyle bir sıvıya bir kürek koyduğunuzu hayal edin. Kürek belirli bir hıza ulaşana kadar neredeyse hiç dirençle karşılaşmazsınız. Bu eşiğin ötesinde, kuantum girdapları olarak bilinen küçük girdaplı yapılar aniden oluşacaktır.

1960’lı yıllarda fizikçiler daha da tuhaf bir olasılık öne sürdüler. Ya bir süperakışkan da normalde kristallerle ilişkilendirilen tekrarlayan iç yapıyı geliştirebilseydi?

Bu varsayımsal kombinasyon süperkatı olarak bilinmeye başlandı. Bu durumda, malzeme bir katının uzamsal organizasyonunu sergilerken, bir süperakışkanın olağanüstü akış özelliklerini de korur.

On yıllarca süperkatılık teorik bir kavram olarak kaldı. Deneysel doğrulama nihayet 2017’de, araştırmacıların bu fenomeni ultra soğuk atomik Bose-Einstein yoğunlaşmalarında gözlemlemesiyle geldi. Bu yoğunlaşmalar, parçacıklar kolektif bir kuantum durumuna girdiğinde ve ayrı bireyler olarak değil, koordineli bir sistem olarak davranmaya başladığında oluşur.

Sorun şu ki, bu koşulları oluşturmak genellikle maddeyi mutlak sıfıra, yani mümkün olan en düşük sıcaklığa son derece yakın sıcaklıklara soğutabilen gelişmiş ekipman gerektiriyordu.

Soğuk Atomlar Yerine Işık Kullanarak Kuantum Süperkatı Oluşturma

Uluslararası TopoLight konsorsiyumu bu zorluğa farklı bir açıdan yaklaştı. Araştırmacılar, ultra soğuk atomlar kullanmak yerine, eksiton polariton adı verilen sıra dışı hibrit parçacıklarla çalıştılar.

Bu yarı parçacıklar, ışığın maddeyle o kadar güçlü bir şekilde etkileşime girmesi sonucu ortaya çıkar ki, ikisi mikro boşluk adı verilen küçük bir optik odacık içinde birbirine bağlanır. Ortaya çıkan parçacıklar hem ışığın hem de maddenin özelliklerini sergiler.

Eksiton polaritonları son derece kısa ömürlüdür ve tipik olarak yalnızca birkaç pikosaniye boyunca varlıklarını sürdürürler. Bir pikosaniye, saniyenin trilyonda biridir. Kısa ömürlerine rağmen, bu parçacıklar bir Bose-Einstein yoğunlaşması halinde organize olabilir ve topluca bir kuantum süperakışkanının davranışını sergileyebilirler.

Gerekli koşulları oluşturmak için ekip, özel olarak tasarlanmış bir sıvı kristal içeren optik bir mikro boşluk oluşturdu ve bunu organik bir yarı iletkenle kapladı. Bu düzenleme, aşırı soğutmaya gerek kalmadan istenen kuantum etkilerini üretmek için ışık ve maddenin yeterince güçlü bir şekilde etkileşime girmesine olanak sağladı.

Askeri Teknoloji Üniversitesi’nden Profesör Wiktor Piecek, geliştirdikleri sıvı kristal yapılarla ilgili olarak, “Sıvı kristal mikro boşluklarımız 60°C’ye yaklaşan sıcaklıklarda bile çalışabiliyor” diyor.

Bu sıcaklık yaklaşık 140°F’dir ve egzotik kuantum madde içeren deneylerle normalde ilişkilendirilen donma koşullarının çok üzerindedir.

Garip Işık Desenleri Süper Katı Bir Maddeyi Ortaya Çıkarıyor

Araştırmacılar, bir parçacık kümesinin bu kadar sıra dışı bir duruma girip girmediğini nasıl belirleyebilirler?

Bu deneyde, kanıt numunenin yaydığı ışıkta ortaya çıktı. Sistem süperkatı faza geçtiğinde, araştırmacılar düzenli aralıklarla yerleştirilmiş bir dizi parlak saçak gözlemlediler.

Bu desenler, parçacık yoğunlaşmasının yoğunluğunda kendiliğinden tekrarlayan bir değişim geliştirdiğini gösterdi. Bu tür uzamsal organizasyon, kristal yapıların tanımlayıcı bir özelliği ve süperkatılığın önemli bir işaretidir.

Ancak araştırmacılar başka bir ilgi çekici etki daha fark ettiler.

Lazer darbesi numuneyi her uyardığında, parlak saçaklar farklı bir konumda ortaya çıktı. Kuantum sistemi, tek bir sabit düzenlemeyi takip etmek yerine, eşit derecede olası birkaç konfigürasyon arasından tekrar tekrar seçim yaptı.

“Bu, kendiliğinden simetri kırılmasının ders kitaplarında yer alabilecek bir örneğidir,” diye açıklıyor Institut Pascal’dan (CNRS) Profesör Guillaume Malpuech. “Teori, süperkatı maddenin birkaç eşdeğer durum arasından seçim yapabileceğini öngörmüştü ve biz de tam olarak bunu gözlemledik.”

Bir sistemin, birden fazla eşdeğer düzenlemede var olabileceği halde, belirli bir konfigürasyona yerleşmesi durumunda kendiliğinden simetri kırılması meydana gelir. Bu durumda, etki ışık desenlerinin değişen konumları aracılığıyla görünür hale geldi.

Yoğunlaşma ayrıca kalıcı bir spin sarmalı adı verilen başka bir sıra dışı özellik de sergiledi. Bu, yayılan ışığın polarizasyonunda tekrarlayan bir varyasyona işaret eder. Polarizasyon, ışığın salınan elektrik alanının yönünü tanımlar.

Bu gözlemler birlikte ele alındığında, aynı anda ortaya çıkan iki farklı düzen biçimini ortaya koydu. Bunlardan biri yayılan ışığın yoğunluğunda, diğeri ise polarizasyonunda kendini gösterdi.

Başarı için sadece birkaç saatin kaldığı zorlu bir deney

Bu sonuçlara ulaşmak, beklenmedik bir pratik engelin üstesinden gelmeyi gerektirdi.

Cihazda kullanılan organik yarı iletken, sıvı kristalle kademeli olarak reaksiyona girdi. Sonuç olarak, deneysel numunelerin kullanım ömrü sınırlı oldu ve bilim insanlarına montajdan sonra ölçümlerini toplamak için sadece birkaç saat süre tanıdı.

Bu kısıtlama, dikkatli hazırlığı zorunlu kıldı. Araştırmacılar, her deney çalışmasına başlamadan önce hangi ölçümleri hangi sırayla yapacaklarını tam olarak belirlemek zorundaydı.

Makalenin ilk yazarı ve şu anda New York Şehir Koleji’nde doktora sonrası araştırmacı olan Dr. Marcin Muszyński, “Deneylerin tüm aşamalarını önceden planlamak zorundaydık,” diye hatırlıyor. “Bir ölçümü tekrarlamak, tamamen yeni bir örnek üretmek anlamına geliyordu.”

En önemli ölçümler IBM Zürih Araştırma Merkezi’nde gerçekleştirildi. Orada bilim insanları, ışığı yönlendirmek için tasarlanmış özel yapılara ince organik yarı iletken katmanları yerleştirdiler. Bu fotonik yapılar Askeri Teknoloji Üniversitesi’nde üretilmişti.

Yarı iletkenin kendisi araştırmacılar için yeni değildi. IBM bilim insanları, Bose-Einstein yoğunlaşmasını destekleme yeteneği de dahil olmak üzere, kuantum özelliklerini yıllardır araştırıyorlardı.

IBM Araştırma’dan Thilo Stöferle, “Organik yarı iletken MeLPPP’yi (metil ikame edilmiş merdiven tipi poli(parafenilen)) uzun yıllardır inceliyoruz ve daha önce bu malzemede Bose-Einstein yoğunlaşmasını gözlemledik,” diyor. “Bunu ilk kez bir sıvı kristal mikro boşluğuyla birleştirdik.”

Bu malzemelerin bir araya getirilmesi, nihayetinde oda sıcaklığında alışılmadık süperkatı davranışını gözlemlemeyi mümkün kıldı.

Oda Sıcaklığındaki Kuantum Maddenin Önemi

Bu keşfin önemi, kuantum fiziğinin öngördüğü bir başka sıra dışı fenomeni göstermenin ötesine uzanıyor.

Egzotik kuantum durumlarını içeren birçok deney, mutlak sıfıra yakın sıcaklıkları korumak için tasarlanmış pahalı kriyojenik sistemlere bağlıdır. Bu zorlu koşullar araştırmayı daha karmaşık hale getirir ve bilim insanları laboratuvar keşiflerini faydalı teknolojilere dönüştürmeye çalıştıklarında önemli engeller yaratabilir.

Yeni sonuçlar, bazı egzotik kuantum etkilerinin, sıradan sıcaklıklarda çalışan fotonik cihazlarda da incelenebileceğini göstermektedir.

Bu durum, bilgi işlemek için ışığı kullanan geleceğin teknolojileri için fırsatlar yaratabilir. Potansiyel uygulamalar arasında ultra hızlı fotonik cihazlar, biyolojik beyinlerin bilgi işleme biçiminden ilham alan özel hesaplama hızlandırıcıları ve gelişmiş optik sensörler yer almaktadır.

Nöromorfik hesaplama olarak bilinen bu hesaplama yaklaşımı, belirli görevleri daha verimli bir şekilde gerçekleştirmek için beynin bilgi işleme süreçlerinin bazı yönlerini taklit etmeyi amaçlamaktadır. Işık tabanlı sistemler, bu işlemleri hızlandırmak için yeni yollar sağlayabilir.

Süperkatı maddenin ışık polarizasyonuna karşı olağanüstü hassasiyeti, son derece ince optik değişiklikleri algılayabilen sensörlerin geliştirilmesinde de faydalı olabilir.

Bu uygulamalar gelecekteki araştırmalar için olasılıklar olmaya devam ediyor, ancak aşırı soğutmaya gerek kalmadan temel kuantum davranışını üretebilme yeteneği, bu tür teknolojileri daha pratik hale getirme yolunda önemli bir adımı temsil ediyor.

Elektrikle Kontrol Edilen Kuantum Madde Yeni Olanaklar Açıyor

Deneyin en umut verici özelliklerinden biri, optik cihazın elektrik kullanılarak ayarlanabilmesidir.

Sıvı kristal mikro boşluklar, süperkatı eksiton-polariton yoğunlaşmalarını incelemek için ilk elektriksel olarak ayarlanabilir platformu sağlar. Bu, araştırmacıların harici bir voltaj uygulayarak sistemin optik özelliklerini değiştirebileceği anlamına gelir.

Daha önceki deneysel yaklaşımlar bu düzeyde elektriksel kontrol imkanı sunmuyordu.

Sistemi dinamik olarak ayarlama yeteneği, fizikçilere kuantum durumlarının nasıl ortaya çıktığını, etkileşimde bulunduğunu ve değişen koşullara nasıl tepki verdiğini araştırırken daha fazla esneklik sağlar.

Ayrıca, ışığın ve maddenin davranışının hassas bir şekilde kontrol edilmesinin esas olduğu pratik kuantum fotonik cihazların tasarımında da değerli hale gelebilir.

Araştırmacılar, oda sıcaklığında çalışma özelliğini elektriksel ayarlanabilirlikle birleştirerek, daha önce çok daha zorlu deneysel koşullar gerektiren kuantum olaylarını keşfetmek için çok yönlü bir platform oluşturdular.

Varşova Üniversitesi Fizik Fakültesi Hakkında

Varşova Üniversitesi, fizik ve astronomi alanlarında uzun bir araştırma ve eğitim geçmişine sahiptir. Her iki disiplin de 1816 yılında Felsefe Fakültesi’ne dahil edilerek üniversitenin bir parçası haline gelmiştir. Üniversite daha sonra 1825 yılında Astronomi Gözlemevi’ni kurmuştur.

Günümüzde Fizik Fakültesi, Deneysel Fizik, Teorik Fizik ve Jeofizik Enstitülerinin yanı sıra Fizikte Matematiksel Yöntemler Bölümü’nü de içermektedir.

Araştırmaları, kuantum ölçeğindeki parçacıkların davranışından evrenin yapısına ve evrimine kadar modern fiziğin neredeyse tüm önemli alanlarını kapsıyor.

Fakültede 250’den fazla akademisyen öğretim üyesi görev yapmakta ve yaklaşık 1350 öğrenciye ve 150’den fazla doktora öğrencisine hizmet vermektedir.

Şanghay’ın Küresel Akademik Konular Sıralamasına göre, Varşova Üniversitesi fizik eğitimi alanında dünyanın en iyi 150 kurumu arasında yer almaktadır.