Dirac aykırı noktaları (EP) ilk kez gözlemlendi

Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi, fizik dünyasında önemli bir ilke imza attı. Bilim insanları, “Dirac aykırı noktası” (Dirac Exceptional Point, kısaca Dirac EP) adı verilen yeni bir enerji düzeyi birleşimini (dejenere noktayı) ilk kez deneysel olarak gözlemlemeyi başardı. Bu gelişme, hem temel fizik araştırmalarına hem de kuantum teknolojilerinin ilerlemesine önemli katkılar sağlayabilir. Çalışma 14 Nisan 2025’te Physical Review Letters’da yayınlandı.

Aykırı noktalar, genellikle Hermit olmayan sistemlerde görülen özel enerji düzeyi birleşimler olarak tanımlanıyor. Hermit olmayan sistemler, enerji kaybı veya kazancı gibi açık sistem dinamiklerine sahip olan fiziksel yapılar olarak biliniyor. Aykırı noktalarda iki ya da daha fazla enerji durumu (eigenstate), hem enerji değerleri (eigenvalue) hem de durum vektörleri bakımından çakışıyor. Bu çakışma, sistemlerin alışılmışın dışında davranmasına neden oluyoe; örneğin yönlü (tek yönlü) enerji iletimi ya da faz değişimleri gibi.

Şu ana kadar deneysel olarak yalnızca iki farklı türde aykırı nokta keşfedilmişti. Bu noktalar, Dirac ve Weyl yarı metallerinde görülen sıra dışı malzeme özelliklerinin arkasındaki temel mekanizmalardan biri olarak kabul ediliyor.

Dirac aykırı noktası (Dirac EP) neden farklı?

Dirac EP’ler, teoride Dirac noktalarının ve klasik aykırı noktaların özelliklerini birleştiren yeni bir kavram olarak öne sürülmüştü. Dirac noktaları normalde Hermit sistemlerde, yani kapalı ve enerji korunumuna sahip sistemlerde ortaya çıkıyor. Buna karşılık aykırı noktalar Hermit olmayan, açık sistemlere özgü. Dirac EP’ler ise bu iki farklı fiziksel dünyanın kesişim noktasında yer alıyor: Hermit gibi davranan ama Hermit olmayan sistemlerde ortaya çıkıyor.

Bu kavram uzun süredir teorik çalışmalarla tartışılıyordu, ancak şimdiye kadar deneysel olarak gözlemlenememişti. Xing Rong liderliğindeki ekip, bu teorik öngörüyü pratiğe dökerek bilim dünyasında bir ilki gerçekleştirdi.

Araştırmacılar, deneylerinde elmas içindeki nitrojen-boşluk merkezlerini (nitrogen-vacancy centers) kullandı. Bunlar, atomik ölçekte hassasiyetle kontrol edilebilen kuantum sistemleri olarak biliniyor ve katı hal malzemelerde bulunuyor. Ekip, üç seviyeli bir Hermit olmayan sistemde spin karesi operatörü (Sz² terimi) ekleyerek özel bir Hamiltonyen (enerji operatörü) tasarladı.

Daha sonra bu sistemi bir genişletme yöntemi (dilation method) kullanarak deneysel olarak uyguladılar. Ölçümler sırasında, Dirac EP’nin yakın çevresinde enerji değerlerinin tamamen gerçek (kompleks olmayan) kaldığı ve iki enerji durumunun tam olarak çakıştığı gözlemlendi. Bu bulgular, Dirac EP’nin başarıyla oluşturulduğunu ve klasik Hermit sistemlerdekinden farklı bir birleşim tipi elde edildiğini kanıtladı.

Bu keşif neden önemli?

Dirac EP’lerin çevresinde enerji değerleri gerçek kalabiliyor. Bu özellik, sistemlerin adiyabatik evrim geçirmesini, yani dış koşullar yavaşça değiştiğinde sistemin düşük kayıplı bir şekilde uyum sağlamasını mümkün kılıyor. Normalde Hermit olmayan sistemlerde kayıplar yüzünden adiyabatik evrim çok zor gerçekleşiyor. Dirac EP sayesinde bu sınırlama aşılabiliyor.

Bu durum, kuantum bilgisayarlar, kuantum sensörler ve ileri düzey kuantum kontrol protokolleri geliştirmek için büyük bir potansiyel sunuyor. Ayrıca, Dirac EP’ler sayesinde, klasik aykırı noktalarda ortaya çıkan karmaşık geometrik fazlar daha güvenli ve net bir şekilde deneysel olarak araştırılabilecek.

Çalışmanın lideri Xing Rong Phys.org’da yayınlanan röportajda, “Dirac EP’ler sayesinde klasik aykırı noktalarda kaçınılmaz olan adiabat dışı geçişlerden kaçınabiliyoruz. Bu da gelecekte daha istikrarlı kuantum sistemleri tasarlamak için büyük bir fırsat yaratıyor” ifadelerini kullandı.

Bu deneysel başarı, önümüzdeki yıllarda hem temel kuantum fiziği araştırmalarında hem de pratik kuantum teknolojilerinde önemli gelişmelere yol açabilir.

Kaynak: Physical Review Letters