Bilim insanları, parçacıkların olasılık dalgalarının ardındaki görünmez manzarayı haritalamayı başardı.
Fizikçiler yeni bir yöntem kullanarak kristalin kuantum davranışlarını altında yatan gizli şeklin haritasını çıkardı. Kuantum ölçeğinde parçacıklar aynı anda birçok farklı pozisyonda bulunabiliyor ve parçacıklar dalga gibi davranabiliyor. Parçacıklar dalga gibi davrandıklarında onları ölçümlemek oldukça zor oluyor.
1980’lerde fizikçiler basit sistemlerin dalga fonksiyonlarını ölçmek ve kontrol etmek için yöntemler geliştirmeye başladı. Bu ilerlemeler o zamandan beri kuantum hesaplamanın temelini oluşturdu. Ve şimdi MIT’nin (Massachusetts Institute of Technology) yeni yaklaşımı, ölçümü mümkün kılabilir.
Çalışmanın baş yazarı Riccardo Comin, şimdi kuantum parçacıklarının dalga fonksiyonunu keşfetmek için araçlara sahip olduklarını söylüyor. Araştırmacılar, parçacıkların hangi yöne gittiğini anlayabilmek için harita gibi bir grafik oluşturdu.
Parçacıkların hareketini anlamak
Bir malzeme, içinde birçok parçacık barındırıyor. Parçacıkların kuantum durumu genellikle bir okla temsil ediliyor. Bu parçacıklar dalga gibi davrandığında tek bir yönde hareket ediyor. Malzemenin sıcaklığını, basıncını ya da manyetik alanını değiştirdiğinizde, bu ok yönü de değişiyor.
Araştırmacılar bu yön değiştirmenin, malzemede bulunan görünmez bir eğrilikten kaynaklı olduğunu öne sürüyor. Eğriliği anlamak için 2 boyutlu kristalleri kullanıyorlar çünkü kristallerin içinde tekrar eden desenler olduğu için içlerindeki elektronların alabileceği durumları sınırlıyor.
Kristale dairesel kutuplu ışık yansıtarak elektronların enerjilerini ve spin yönlerine göre hızlarını ölçtüler. Özellikle iki boyutlu kristallerde, elektronların olası momentum durumları bir harita gibi modellenebiliyor. Bu harita, simit şeklinde bir yüzey olan “torus” olarak düşünülüyor.
Koşullar değiştiğinde, elektronların hareketi de değiştiriyor ve bu da dalga fonksiyonu simgesi olan oku torus üzerinde döndürüyor. Özellikle topolojik malzemelerde parçacık torus üzerinde bir döngü tamamlandığında, oku artık başlangıçta gösterdiği yöne değil, başka bir yöne yöneliyor. Böylece aynı noktada birden fazla ok bir arada bulunabiliyor ve bu “kopukluk noktası” olarak tanımlanıyor.
Elektronlar böyle bir noktadan geçtiğinde, kolektif okları aniden yön değiştiriyor ve malzemenin kuantum durumu radikal biçimde değişiyor. Bu durum, tıpkı bir elektrik yükünün yanından geçildiğinde kuvvetin tersine dönmesi gibi davranıyor. Fizikçiler, bu nedenle topolojik malzemeleri, elektronların aslında var olmayan bir kuvvet alanı hissediyormuş gibi hareket etmelerine neden olan “hayalet yükler” barındırıyor gibi yorumluyor.
Araştırmanın getirdiği yenilik
Fizikçiler uzun zamandır kristalleri ultraviyole ışınlarıyla bombardımana tutarak elektronları yerinden koparıyor. Kopan elektronların enerjilerini ölçerek, malzemenin elektriği ne kadar iyi ilettiğini görebiliyor ve bunun bir yalıtkan mı, metal mi yoksa ikisinin arasında bir şey mi olduğunu anlayabiliyorlar.
Comin ve Kang bu klasik yönteme bir güncelleme getirdi. Hem elektronların enerjilerini hem de hızlarını ölçmek ve bu iki niceliğin birbiriyle nasıl ilişkili olduğunu gözlemlediler. Farklı hızlar, torus (simit şekilli) haritanın farklı noktalarına karşılık geliyor. Bu nedenle yapılan ölçümler, kuantum metrik tarafından yakalanan yaklaşık eğriliği ortaya koydu.
Sonuçlar, kuantum metriğin malzemeleri anlamak için güçlü bir çerçeve olabileceğini gösteriyor. Bazı araştırmacılar, bu yaklaşımın bir gün oda sıcaklığında çalışan süperiletkenlerin mühendisliğine kapı aralayabileceğini düşünüyor. Böyle bir başarı, kuantum bilgisayarlardan güneş enerjisine kadar her şeyi dönüştürebilir.
Kaynak: Quanta Magazine
