Fizikçiler ilk kez kuantum geometrisini ölçtü

MIT’den fizikçiler katı maddelerdeki elektronların kuantum düzeyindeki geometrisini, yani şeklini, ilk kez ölçtü. Bilim insanları, kristal yapılı malzemelerde elektronların enerjilerini ve hızlarını ölçebilmelerine rağmen, bu sistemlerin kuantum geometrisini daha önce yalnızca teorik olarak tahmin edebiliyor ya da hiç hesaplayamıyordu. Yeni çalışma, Nature Physics dergisinde yayınlandı. Bu araştırma kuantum malzemelerin özelliklerini anlamak ve kontrol etmek için yeni ufuklar açıyor. 

Araştırmanın bulgularının yalnızca çalışılan malzeme için değil, tüm kuantum malzemeler için geçerli olduğunu belirten araştırmanın birinci yazarı Dr. Mingu Kang, çalışmasını MIT’deki doktora eğitimi sırasında tamamladı. Çalışmanın liderlerinden MIT Fizik Bölümü öğretim üyesi Prof. Dr. Riccardo Comin MIT bültenine verdiği demeçte, “Tamamen yeni ve daha önce erişilemeyen bilgileri elde etmek için bir plan oluşturduk” ifadelerini kullandı.  

Kuantumun ilginç yapısı

Kuantum fiziğinin ilginç dünyasında, elektron hem uzayda bir nokta hem de dalga benzeri bir şekil olarak tanımlanabiliyor. Bu çalışmanın merkezinde, elektronların dalga benzeri yapısını açıklayan temel bir kavram olan dalga fonksiyonu bulunuyor. Prof. Comin, dalga fonksiyonunu üç boyutlu bir uzaydaki yüzeye benzetiyor.  

Dalga fonksiyonları basitten karmaşığa doğru değişebiliyor. Örneğin, bir top basit (trivial) bir dalga fonksiyonuna benzetilebilirken, ünlü sanatçı M.C. Escher’ın eserlerinde gördüğümüz Möbius şeridi gibi karmaşık yapılar, kuantum dünyasında karşılaşılan karmaşık (nontrivial) dalga fonksiyonlarına bir örnek. 

Kuantum geometrisi, özellikle kuantum bilgisayarlar ile ileri düzey elektronik ve manyetik cihazlarda kullanılabilecek yeni kuantum malzemelerin keşfiyle giderek daha önemli hale geliyor. Ancak bu geometrinin daha önce yalnızca teorik olarak tahmin edilebilmesi, birçok olasılığın kapalı kalmasına yol açıyordu.  

MIT ekibi, bu sorunu çözmek için Açı Çözünürlüklü Fotoemisyon Spektroskopisi (ARPES) adlı bir teknik kullandı. Comin ve Kang, daha önce de ARPES ile çalışmış ve 2022 yılında kagome metali adı verilen yeni bir kuantum malzemenin egzotik özelliklerinin sırrını keşfetmişti. Şimdi ise aynı tekniği, bir kagome metalinin kuantum geometrisini ölçmek için uyarladılar. 

Kuantum geometrisinin ölçülmesi, kuantum malzemelerin temel özelliklerini anlamak ve bu özellikleri kontrol edebilmek için kritik bir adım olarak görülüyor. Elektronların kuantum düzeyindeki geometrik yapısı, malzemelerin elektriksel, manyetik ve optik davranışlarını doğrudan etkiliyor. Özellikle kuantum bilgisayarlar, süperiletkenler ve ileri düzey elektronik cihazlarda kullanılabilecek yeni malzemelerin tasarımında bu bilgilere duyulan ihtiyaç giderek artıyor. Daha önce yalnızca teorik olarak tahmin edilebilen ya da hiç ölçülemeyen bu geometrinin deneysel olarak belirlenmesi, bilim insanlarına yeni malzemeler geliştirme ve mevcut teknolojileri optimize etme konusunda güçlü bir araç sunuyor.

Dr. Kang, bu başarıda teorik ve deneysel fizikçiler arasındaki yakın iş birliğinin önemine dikkat çekiyor. Covid-19 pandemisi sırasında kendi ülkesi Güney Kore’de bulunan Kang, oradaki teorik fizikçilerle daha yoğun bir şekilde çalışma fırsatı buldu.

Pandemi, Prof. Comin’e de ilginç bir deneyim sundu. İtalya’daki Elettra Işık Kaynağı Laboratuvarı’nda deneyleri yönetmek için seyahat eden Comin, laboratuvar yeniden açıldığında çalışmalarına başladı. Ancak Dr. Kang’ın Covid-19 testinin pozitif çıkması nedeniyle deneyleri tek başına yürütmek zorunda kaldı. Comin, “Bu çalışmada deneylere doğrudan katkı sağlayabildim. Normalde projeleri yönetiyorum, ama deneyleri öğrenciler ve doktora sonrası araştırmacılar yürütüyor. Bu, kendim deney yaptığım son çalışma oldu,” dedi. Bu araştırma, kuantum malzemelerinin bilinmeyen özelliklerini gün yüzüne çıkarmak ve yeni teknolojilere zemin hazırlamak için önemli bir adım olarak değerlendiriliyor.

Kaynak: MIT