Araştırmacılar, kuantum simülasyonlarıyla yarı kristallerin neden var olduğunu açıklayarak bu tuhaf yapıların enerji açısından kararlı olduğunu ortaya koydu.
Michigan Üniversitesinden bilim insanları, kuantum fiziğiyle ilk kez yarı kristallerin neden var olduğunu açıklayan bir simülasyon geliştirdi. Cam ve kristal arasında sağlanması “imkansız” sanılan bir ara form olarak görülen bu yapıların aslında oldukça kararlı olabileceği ortaya çıktı. Çalışma 13 Haziran 2025’te Nature Physics dergisinde yayınlandı.
Kristallerde atomlar düzenli ve tekrar eden desenlerle diziliyor. Cam gibi amorf maddelerde ise atomlar rastgele bir şekilde yer alıyor. Yarı kristaller (quasicrystals) bu ikisi arasında bir yerde duruyor: Atomlar belirli bir düzene sahip, ancak bu düzen hiçbir yönde tekrar etmiyor. Yani “kristal gibi görünüyor ama kristal gibi davranmıyor.”
Kristallerin simetri sergilemesi, atomların uzayda düzenli ve tekrar eden bir şekilde dizilmesi anlamına geliyor. Bu düzen, kristalin sadece estetik bir özelliği değil, aynı zamanda fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirleyen temel bir yapı olarak tanımlanıyor. Simetrik dizilim sayesinde atomlar, birbirleriyle olabilecek en dengeli ve en düşük enerjili bağları kuruyor. Bu durum, kristalin enerji açısından kararlı olmasını sağlıyor; yani dışarıdan bir etki olmadıkça yapısı bozulmuyor. Bir malzemenin kararlı olması, onun doğada var olabilmesini, kullanılabilirliğini ve dayanıklılığını belirleyen temel faktörlerden biri olarak biliniyor. Bu nedenle bilim insanları, bir yapının simetrisini ve enerji durumunu anlayarak o malzemenin hangi koşullarda oluşabileceğini ve nasıl kullanılabileceğini araştırıyor.
1984’te bilim insanı Daniel Shechtman, alüminyum ve manganez alaşımlarıyla çalışırken atomların 20 yüzeyli bir zarı andıran, beş kollu bir simetriyle dizildiğini fark etti. Bu “beşli simetri”, o güne dek fizik kurallarına aykırı görülüyordu çünkü kristallerin yalnızca iki, üç, dört ya da altı yönlü simetri gösterebileceği düşünülüyordu. Shechtman önce meslektaşları tarafından alaya alındı, daha sonra başka laboratuvarlar da aynı yapıları üretmeyi başardı. Bu yapılar bazı göktaşlarında bile keşfedildi. Shechtman, 2011’de Nobel Kimya Ödülü kazandı.
Bunun nedeni, kristallerin kararlılığını hesaplamak için kullanılan kuantum temelli simülasyon yöntemlerinin (özellikle yoğunluk fonksiyonel teorisi – DFT) tekrar eden desenlere ihtiyaç duymasıydı. Oysa yarı kristallerde bu tür sonsuz tekrarlar bulunmuyordu. Bu da bilim insanlarının yapının enerji açısından kararlı olup olmadığını anlamasını engelliyordu.
Yeni yöntem nasıl çalışıyor?
Michigan Üniversitesinden Wenhao Sun ve ekibi, bu sorunu nanoparçacıklarla aşmayı başardı. Ekip, simüle edilmiş büyük bir yarı kristal bloktan küçük parçalar (nanoparçacıklar) çıkararak her bir parçanın enerjisini hesapladı. Bu enerji, parçacığın hacmi ve yüzey alanı gibi fiziksel özelliklere bağlı olarak değişiyor. Farklı boyutlarda birçok parçacığın enerjisi ölçüldüğünde, büyük bir yarı kristalin toplam enerjisi hesaplanabiliyor.
Sonuçta araştırmacılar, iki farklı yarı kristal türünün enerji açısından kararlı olduğunu buldu. Bunlardan biri skandiyum ve çinkodan, diğeri ise itterbiyum ve kadmiyumdan oluşuyor. Yani bu maddeler, doğada rastlantısal bir şekilde değil, termodinamik olarak en uygun yapı oldukları için oluşuyorlar.
Yarı kristallerin cam gibi düzensiz değil, kristal gibi kararlı bir yapıya sahip olduğu bu simülasyonla ortaya konmuş oldu. Bu da malzeme biliminde devrim niteliğinde bir gelişme. Çünkü bir malzemenin nasıl oluştuğunu anlamak, yeni teknolojiler üretmenin ilk adımını atmayı sağlıyor.
Geliştirilen simülasyon yöntemi sadece yarı kristallerle sınırlı değil. Aynı zamanda camlar, amorf yapılar, kristaller arası yüzey geçişleri ve hatta kuantum bilgisayarların temelini oluşturan “kuantum bit”lerin (qubit) oluşumunu anlamak için de kullanılabilir. Hesaplamaların bu kadar hızlı yapılabilmesi için araştırmacılar, GPU hızlandırmalı ve iletişimi yalnızca komşu işlemcilerle sınırlayan özel bir algoritma geliştirdi. Bu yöntem, klasik algoritmalardan 100 kata kadar daha hızlı çalışabiliyor. Sonuç olarak, yarı kristallerin sadece istisnai koşullarda değil, doğanın termodinamik kuralları doğrultusunda kararlı yapılar olarak oluşabileceği artık ilk kez kuantum düzeyinde kanıtlandı.
Kaynak: University of Michigan
